整體式擠壓油膜阻尼器研究畢業(yè)設(shè)計開題報告

1、<p><b>　　學(xué)號：</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　論文題目：整體式擠壓油膜阻尼器研究</p><p>　　學(xué)院名稱：機電工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)：過程裝備與控制工程</p><p><b>　　學(xué)生姓名

2、：</b></p><p><b>　　導(dǎo)師姓名： </b></p><p>　　開題日期：2015年1月29日</p><p>　考核成績</p><p>　審核小組成員以及職稱姓 名職 稱</p><p><b>　　一、題目背景和意義</b>&l

3、t;/p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計的課題是：整體式擠壓油膜阻尼器研究。自從第一篇有關(guān)轉(zhuǎn)子動力學(xué)的論文由Rankine[1]發(fā)表以來，轉(zhuǎn)子動力學(xué)作為動力學(xué)的一個獨立分支得到了極大的發(fā)展?，F(xiàn)代動力機械的發(fā)展呈現(xiàn)出大功率、高效率、高穩(wěn)定性的發(fā)展趨勢，而隨著航空業(yè)和機械工業(yè)的發(fā)展，航空渦輪發(fā)動機、大功率汽輪大電機及離心壓縮機的核心部件都是由軸承支撐的高速轉(zhuǎn)子組成。而在高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，振動的影響無疑是最大的。由于轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸和

4、軸承系統(tǒng)的壽命決定了整臺機械的壽命，因而轉(zhuǎn)子系統(tǒng)也是決定產(chǎn)品性能、可靠性和結(jié)構(gòu)完整性的重要因素[2]。在工程實踐上，應(yīng)用阻尼減振器不失為一種很好的辦法。目前，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上應(yīng)用最廣泛的阻尼減振器就是基于擠壓油膜應(yīng)力設(shè)計的擠壓油膜阻尼器（Squeeze Film Damper），簡稱SFD。</p><p>　　SFD 減振技術(shù)于1962 年問世，英國Rolls Royce公司的 S.Cooper 發(fā)表了在實驗研究方

5、面的成就，沒多久便在Conway發(fā)動機上得到了成功地使用，并取得了良好的減振效果。從此之后，SFD的研究和應(yīng)用便獲得了快速的發(fā)展[3]。SFD軸承作為一種新型減振阻尼器，具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間少、易制造、減振效果顯著等特點，因而應(yīng)用范圍越來越廣泛。</p><p>　　該種阻尼器具有內(nèi)外兩層油膜, 由彈性環(huán)的凸臺分割成多個油腔, 內(nèi)外油膜通過彈性環(huán)上的滲油孔連通, 阻尼器端面帶有封油膠圈, 防止滑油從端面大量泄漏

6、。轉(zhuǎn)子振動時, 通過擠壓內(nèi)外兩層油膜, 獲得阻尼從而減小振動[4]。但是，我們發(fā)現(xiàn)了SFD在應(yīng)用中存在的許多問題。其中對SFD性能研究影響最大的就是轉(zhuǎn)子-SFD系統(tǒng)非線性問題，而影響轉(zhuǎn)子-SFD系統(tǒng)的線性和非線性因素較多，對SFD軸承結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化也是改善非線性問題的方法之一。本文將以工程應(yīng)用為背景，對SFD發(fā)展過程中出現(xiàn)的不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性以及各種結(jié)構(gòu)對SFD性能的影響做出對比舉例，分析不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非線性的原因，分析非線性現(xiàn)象對SFD的

7、影響。其中，以對最新的整體式擠壓油膜阻尼器（ISFD）的研究為重點。</p><p>　　擠壓油膜阻尼器有同心型和非同心型兩類。后者無定心彈簧, 阻尼器造價低, 占空間小,在相同工作條件下減振特性優(yōu)于前者。但是, 這種阻尼器通常使得轉(zhuǎn)子中心渦動軌道不是同心圓, 因而在理論處理上比較復(fù)雜[5]。</p><p><b>　　二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p>

8、<p>　　在對SFD的研究中，我們發(fā)現(xiàn)了以下幾個比較重要的問題：</p><p><b>　　1.雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象</b></p><p>　　雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象是 SFD 支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所具有的一個重要特征，它影響著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的安全運行，許多學(xué)者對此現(xiàn)象進行了深入的研究，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高過某一轉(zhuǎn)速后，在同一轉(zhuǎn)速下，可出現(xiàn)多個軸頸偏心率的值[6]。文獻[7]、[8]采用協(xié)調(diào)

9、圓響應(yīng)的假設(shè)，對 SFD 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及雙穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定性進行了分析，并得出了發(fā)生雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象時的參數(shù)條件。文獻[9]則分析了SFD的流體慣性力對系統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響，并得出了結(jié)論：流體慣性力對系統(tǒng)在亞臨界及超臨界的雙穩(wěn)態(tài)情況下具有明顯的抑制作用的。通過研究，我們已經(jīng)得到了以下結(jié)論：1.帶擠壓油膜阻尼器轉(zhuǎn)子如參數(shù)匹配不當或不平衡力較大, 容易出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象；2 . 轉(zhuǎn)子動力特性發(fā)生跳變時, 偏心率、傳遞率與落后相角均同時發(fā)生跳變；3 . 軸承

10、參數(shù)過小或(和) 不平衡偏心比過大容易發(fā)生雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。同樣B 值發(fā)生雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象時, 不平衡偏心比U 越高, 升速時偏心率下跳的轉(zhuǎn)速也越高；4適當選擇軸承參數(shù)B 和控制轉(zhuǎn)子不平衡量可在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)避免出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象具體設(shè)計中可通過適當選取阻尼器長度、間隙和彈性支承剛性來增大阻尼器軸承參數(shù)B[10] 。</p><p><b>　　2.非線性現(xiàn)象</b></p><p>

11、;　　轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題絕大多數(shù)是非線性問題。幾十年前人們已經(jīng)從油膜渦動現(xiàn)像中觀察到了系統(tǒng)的非同步振動，到了80年代和90年代，非協(xié)調(diào)響應(yīng)、雙穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和擬周期運動成為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力特性的主要研究內(nèi)容，尤其在對SFD的研究中發(fā)現(xiàn)了大量的非線性現(xiàn)象，人們注意到在一些情況下非線性系統(tǒng)與其線性化系統(tǒng)有著本質(zhì)的差別[11]。</p><p>　　非線性現(xiàn)象有以下幾個研究方向：跳躍現(xiàn)象、雙線性彈簧的非線性和空穴現(xiàn)象。對非線性

12、的研究，首先借助Reynolds方程導(dǎo)出擠壓油膜的壓力分布,然后采用二系數(shù)法分析擠壓油膜阻尼器的非線性特性。擠壓油膜阻尼器所產(chǎn)生的油膜力是一個高度非線性的力由于客觀存在著軌道偏置,剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)都不是常值, 而是非線性變化的, 且隨著軌道偏置和扁圓的加劇而變得愈加嚴重.理論分析和實例計算的結(jié)果都表明:它的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)都是非線性變化的, 是一個高度非線性的元件, 用二系數(shù)法對其進行線性化會產(chǎn)生很大的誤差[12]。由于實際應(yīng)用中非

13、線性動力系統(tǒng)的復(fù)雜性，特別是對于高維系統(tǒng)，目前尚沒有完善的計算分析方法，大多數(shù)有關(guān)非線性動力特性的文獻都是在解析方法的基礎(chǔ)上進行的。在非線性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性分析中，軸承油膜力是主要的非線性因素，確定油膜力都采用長軸承或者短軸承、“π”油膜邊界假設(shè)，然后通過分部積分求出油膜力的解析表達式[13]。但在實際工程中，大多數(shù)非線性因素很難有解析表達式，而必須借助數(shù)值方法確定。同時，對于實際 SFD 多盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究很少看到，現(xiàn)有研究距離指導(dǎo)

14、實際工程設(shè)計還有很多工作要做[14]。</p><p>　　文獻[15]通過油膜力數(shù)據(jù)庫方法和短軸承理論在各種情況下對阻尼器非線性進行分析后得出各情況下非線性精度與特性。描述SFD力學(xué)特性的理論模型與實驗結(jié)果相差甚大, 說明了現(xiàn)行的SFD 理論模型已不能很好地描述實際的SFD的動力特性SDF 內(nèi)油膜是可壓縮流體, 其物理特性是可變的[16]。</p><p><b>　　3.主要

15、結(jié)構(gòu)及特性</b></p><p>　　SFD自發(fā)展以來出現(xiàn)了以下幾個主要結(jié)構(gòu)：無定心彈支SFD(非同心型SFD)、O型環(huán)SFD、鼠籠支撐SFD、整體式支撐SFD(ISFD)。</p><p>　　非同心型SFD由于由于沒有定心彈支，故沒有靜載能力，它雖然避免了同心型SFD已出現(xiàn)疲勞的弊端，但該結(jié)構(gòu)在未轉(zhuǎn)動時軸承外環(huán)沉在底部，隨著轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)子軸迅速被抬起，由于沒有支撐彈簧與轉(zhuǎn)

16、子重力相互抵消，易出現(xiàn)響應(yīng)非協(xié)調(diào)[2]；O型環(huán)SFD的優(yōu)點來源于它非常簡單，易于制造，并且能夠把阻尼器放進很小的外殼中。相對較低的徑向空間要求，也使它成為機械領(lǐng)域內(nèi)改造現(xiàn)有機械的首選方法.但是這個設(shè)計的不足之處在于，通過彈性材料，只能獲得一定范圍內(nèi)的剛度。在材料差異、溫度、頻率和時間等因素對彈性材料性能的影響下，要準確的預(yù)測剛度是很困難的，同時O型環(huán)設(shè)計也容易發(fā)生蠕變；鼠籠支撐SFD廣泛的應(yīng)用于航空發(fā)動機中。大部分大型航空燃氣輪機至少要

17、使用一個這種阻尼器，在許多情況下，一個引擎要使用兩到三個這種阻尼器。它的優(yōu)點在于易于剛度建模，而且非線性程度比前述兩種SFD要低。它的缺點在于鼠籠式成型定心彈支阻尼器通常需要它自身長度三到四倍的軸向空間來安裝鼠籠式彈支，鼠籠式彈支也使得阻尼器端部密封的設(shè)計和組裝復(fù)雜化。</p><p>　　整體式支撐SFD作為最新的SFD結(jié)構(gòu)，是以扇形區(qū)域分割油膜，阻尼器下半邊區(qū)域的扇形所承受的轉(zhuǎn)子自重，通過加工可以用于抵消轉(zhuǎn)子

18、自重引起的偏斜。這樣的結(jié)構(gòu)可以有助于吸收沖擊載荷、高邊緣載荷以及由于穿越臨界速度和葉片損失導(dǎo)致的振動偏移。這種新型定心彈支擠壓油膜阻尼器不需要占用軸承現(xiàn)有長度以外的軸向空間，且非線性得到了大幅降低[17]。由文獻[18]可知對ISFD阻尼系數(shù)的預(yù)測和比較，且ISFD應(yīng)用在噴氣飛機引擎可以減少重量和長度，定位精確，且易于裝備分散結(jié)構(gòu)的檢驗和改造。</p><p><b>　　4.油膜其他特性</b&

19、gt;</p><p>　　在特定模型下計算得出，模型的參數(shù)分析結(jié)果表明,流體慣性對油膜速度分布的影響隨雷諾數(shù)的增大而增強; 油膜速度隨偏心率的增大而增大[19]。采用ANYSY模擬出進口油壓、進口油溫、偏心距、軸頸轉(zhuǎn)速對四瓦可傾瓦軸承油膜特性的影響。結(jié)果表明: 進口油壓對油膜特性影響較小，進油溫度、軸頸偏心距、軸頸轉(zhuǎn)速對汽輪機可傾瓦油膜特性影響較大，故在運行中應(yīng)嚴格監(jiān)控這3個參數(shù)[20]?？紤]慣性力后,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

20、的突加不平衡響應(yīng)特性有明顯的改善,突加不平衡后的瞬態(tài)振幅減小,瞬態(tài)過程縮短,且考慮慣性力后出現(xiàn)非協(xié)調(diào)響應(yīng)的可能性減少,因而在有關(guān)擠壓油膜阻尼器的分析中應(yīng)考慮慣性力的影響[21]</p><p>　　三、主要內(nèi)容與待解決的問題</p><p><b>　　1、前期準備：</b></p><p>　?。?）上網(wǎng)查閱SFD相關(guān)文獻，了解SFD的種類、

21、各自優(yōu)缺點、當前國內(nèi)外對于SFD的研究方向與進展，為后續(xù)工作做鋪墊；</p><p>　　（2）書寫開題報告，包括題目背景及意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、待解決的問題以及自己后續(xù)的計劃；</p><p>　?。?）查閱一篇與題目相近的外文文獻，并對其進行翻譯；</p><p>　?。?）將自己所查閱的文獻匯總，編寫文獻綜述。</p><p>　　2、

22、ISFD動力特性分析</p><p>　　運用理論和半理論分析的手段，結(jié)合阻尼器動態(tài)特性試驗過程，對ISFD的工作原理及其理論分析方法開展進一步研究。通過計算機建模與分析計算，對ISFD動態(tài)過程進行模擬仿真。</p><p>　　分析理論結(jié)果與試驗結(jié)果誤差，并對計算結(jié)果進行修正。</p><p>　　四、設(shè)計方法與實施方案</p><p>　

23、　以雷諾方程為基礎(chǔ)，利用長軸承理論Summerfeld 假設(shè)，推導(dǎo)出了軸承油膜力；采用短軸承近似理論Summerfeld 假設(shè)，進一步推導(dǎo)了ISFD油膜力。以ISFD轉(zhuǎn)子為研究對象，對滑動軸承采用長軸承理論，對ISFD采用短軸承理論，以π油膜假設(shè)為基礎(chǔ)，建立了SFD-滑動軸承柔性轉(zhuǎn)子的力學(xué)模型。用數(shù)值方法求解非線性微分方程，求得了系統(tǒng)的動力響應(yīng)</p><p>　　基于有限元法求解擠壓油膜阻尼器的瞬態(tài)雷諾方程：采

24、用伽遼金法將分解后的方程進行變分，運用有限元方法求解阻尼器的八個油膜動力特性系數(shù)。以某轉(zhuǎn)子—油膜阻尼器系統(tǒng)為對象，對比分析了阻尼器油膜動態(tài)特性數(shù)值解與短軸承模型近似解對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，計算得到轉(zhuǎn)子—擠壓油膜阻尼器系統(tǒng)的幅頻特性曲線，并與實驗數(shù)據(jù)進行了比較。</p><p><b>　　五、進度計劃</b></p><p><b>　　六、參考文獻&l

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