一种挤压油膜阻尼器阻尼特性的计算方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种挤压油膜阻尼器阻尼特性计算方法及其应用，该方法可以充分考虑油膜的流动特性，得到不同结构参数和运行参数下的油膜刚度系数和阻尼系数，并将其应用于转子动力学分析中，从而更准确地分析转子系统的临界转速和稳定性

【技术实现步骤摘要】
一种挤压油膜阻尼器阻尼特性的计算方法及其应用


[0001]本专利技术属于转子动力学建模
，涉及一种挤压油膜阻尼器阻尼特性的计算方法，具体涉及挤压油膜阻尼器的刚度系数
、
阻尼系数的计算，利用该计算方法得到的结果可进一步应用于转子动力学特性计算中
。
本专利技术所提出的计算方法较为精准，计算简便，有较高的工程应用价值
。

技术介绍

[0002]挤压油膜阻尼器
(Squeeze Film Damper
，
SFD)
是一种利用油膜的粘性和挤压效应产生阻尼力来消耗转子系统振动能量的装置，其基本结构包括一个旋转部件和一个固定部件，两者之间通过一层油膜隔开，当旋转部件偏离中心位置时，油膜会被挤压形成阻尼力，这种阻尼力可以有效减小转子的振动幅度，提高系统的稳定性
。
挤压油膜阻尼器因结构简单
、
成本低
、
减振效果好等优点，被广泛应用于航空发动机等高速旋转机械中
。
[0003]刚度系数和阻尼系数是分析带挤压油膜阻尼器的转子系统动力特性的重要参数
。
转子系统中采用挤压油膜阻尼器，就会产生油膜刚度和油膜阻尼，油膜刚度和油膜阻尼是由于油膜间的液体受到挤压和剪切而产生的反作用力
。
当转子发生偏心运动时，油膜间隙会发生变化，导致油膜压力分布也发生变化，从而产生一个与偏心位移成正比的恢复力，这就是油膜刚度
。
同时，由于液体的粘性，油膜间的液体会受到剪切力，从而产生一个与偏心速度成正比的耗散力，这就是油膜阻尼
。
油膜阻尼远远大于转子支承系统的其它阻尼，可以有效地消耗转子系统的振动能量，提高转子系统的稳定性和可靠性，因此，需掌握油膜阻尼的计算方法
。
[0004]现阶段针对油膜阻尼的计算方法，多采用经验公式法或实验法
。
经验公式法是是根据已有的理论或实验数据，通过拟合或回归等方法得到的一些简化的公式
。
其优点是计算简单，可以快速地给出
SFD
的刚度系数和阻尼系数，适用于工程设计和初步分析
。
然而，经验公式法存在一些局限性，例如未考虑偏心率
、
油膜间隙
、
阻尼器宽度
、
进油压力等因素的影响
。
实验法是通过在实验台架上对
SFD
进行测试，测量其刚度系数和阻尼系数，以及其他相关参数
。
实验法可以给出较为准确和可靠的数据，适用于验证理论模型和优化设计，其缺点是试验条件受限，试验成本高，普适性低
、
操作复杂等
。
基于上述现有针对油膜阻尼的计算方法开展转子动力学特性研究，由于多未考虑挤压油膜阻尼器流动特性的影响，因此采用现有方法对带挤压油膜阻尼器的转子进行动力特性分析时，其结果误差较大
。
[0005]在实际工程中，挤压油膜阻尼器的阻尼特性受结构参数
、
运行参数的影响，且设计不合理的阻尼器在工作时会增强转子系统的非线性特性
。
例如，当偏心率较大时，油膜间隙会出现明显的变化，导致油膜压力分布不均匀，产生附加力矩；当进油压力较高时，油膜流动会出现涡流和湍流现象，导致油膜粘度变化和液体惯性效应
。
这些因素都会使得挤压油膜阻尼器的刚度和阻尼特性发生变化，甚至出现负阻尼或负刚度的情况
。
[0006]因而，如何克服现有油膜阻尼计算方法中的缺点和不足，充分考虑挤压油膜阻尼器流动特性，并可以分析偏心率
、
油膜间隙
、
阻尼器宽度
、
进油压力等因素对阻尼特性的影
响规律是亟待解决的技术问题
。

技术实现思路

[0007](
一
)
专利技术目的
[0008]针对现有挤压油膜阻尼器油膜阻尼计算方法中的上述缺点和不足，本专利技术结合流体力学对挤压油膜的阻尼特性进行分析，提出了一种挤压油膜阻尼器阻尼特性的计算方法，该计算方法充分考虑挤压油膜阻尼器的流动特性，其计算结果可进一步应用于转子动力学特性的计算中，可以分析偏心率
、
油膜间隙
、
阻尼器宽度
、
进油压力等因素对阻尼特性的影响规律，该计算方法详细给出了阻尼器刚度系数和阻尼系数的计算方式，可以得到不同结构参数
、
运行参数作用下的阻尼器的阻尼特性，将刚度系数和阻尼系数带入转子动力学分析中，即可得到转子动力学特性，解决了现有研究未考虑挤压油膜阻尼器流动特性对转子系统动力学特性的影响，而导致转子系统计算结果与工程实际存在一定偏差的问题
。
同时，本专利技术所提出的计算方法较为精准，计算简便，有较高的工程应用价值
。
[0009](
二
)
技术方案
[0010]为实现该专利技术目的，解决其技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]本专利技术的第1个专利技术目的在于提供一种挤压油膜阻尼器阻尼特性的计算方法，其特征在于，所述计算方法在实施时至少包括如下步骤：
[0012]SS1.
根据雷诺方程推导挤压油膜阻尼器中油膜的压力分布与滑油黏度
、
阻尼器轴颈宽度
、
油膜平均径向间隙
、
油膜偏心率
、
阻尼器轴颈进动角速度的关系，得到如下式所示的油膜压力分布函数：
[0013][0014]式中，
p(
θ
,z)
表示油膜的压力分布，
θ
为极坐标系中油膜的周向角度坐标，
z
为极坐标系中油膜的轴向位置坐标，
μ
为滑油黏度，
L
为阻尼器的轴颈宽度，
c
为油膜的平均径向间隙，
ε
为阻尼器轴颈的偏心率，为
ε
的导数，
Ω
为阻尼器轴颈的进动角速度；
[0015]SS2.
根据挤压油膜阻尼器的几何结构参数构建油膜主体的三维有限元模型，所述几何结构参数至少包括阻尼器的轴颈半径
R、
阻尼器的轴颈宽度
L
以及油膜的平均径向间隙
c
；
[0016]SS3.
在步骤
SS2
所建立的油膜主体三维有限元模型的基础上，首先基于油膜主体三维有限元模型的形状特征对其进行几何分割，之后基于几何分割后的油膜主体三维有限元模型对油膜主体进行计算网格划分；
[0017]SS4.
基于步骤
SS3
所划分的油膜主体三维有限元模型的计算网格，并基于步骤
SS1
推导得到的挤压油膜阻尼器中油膜的压力分布函数，利用计算流体力学仿真的方式在设定条件下对油膜的压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种挤压油膜阻尼器阻尼特性的计算方法，其特征在于，所述计算方法在实施时至少包括如下步骤：
SS1.
根据雷诺方程推导挤压油膜阻尼器中油膜的压力分布与滑油黏度
、
阻尼器轴颈宽度
、
油膜平均径向间隙
、
油膜偏心率
、
阻尼器轴颈进动角速度的关系，得到如下式所示的油膜压力分布函数：式中，
p(
θ
,z)
表示油膜的压力分布，
θ
为极坐标系中油膜的周向角度坐标，
z
为极坐标系中油膜的轴向位置坐标，
μ
为滑油黏度，
L
为阻尼器的轴颈宽度，
c
为油膜的平均径向间隙，
ε
为阻尼器轴颈的偏心率，为
ε
的导数，
Ω
为阻尼器轴颈的进动角速度；
SS2.
根据挤压油膜阻尼器的几何结构参数构建油膜主体的三维有限元模型，所述几何结构参数至少包括阻尼器的轴颈半径
R、
阻尼器的轴颈宽度
L
以及油膜的平均径向间隙
c
；
SS3.
在步骤
SS2
所建立的油膜主体三维有限元模型的基础上，首先基于油膜主体三维有限元模型的形状特征对其进行几何分割，之后基于几何分割后的油膜主体三维有限元模型对油膜主体进行计算网格划分；
SS4.
基于步骤
SS3
所划分的油膜主体三维有限元模型的计算网格，并基于步骤
SS1
推导得到的挤压油膜阻尼器中油膜的压力分布函数，利用计算流体力学仿真的方式在设定条件下对油膜的压力分布
p(
θ
,z)
进行计算和评估，所述设定条件至少包括阻尼器轴颈偏心条件以及阻尼器轴颈涡动条件，其中，所述阻尼器轴颈偏心条件为使阻尼器轴颈按预设偏心率
ε
由中心轴线处向外偏移设定距离，所述阻尼器轴颈涡动条件为使阻尼器轴颈按照预设涡动频率及涡动方向发生进动，且涡动频率及涡动方向使用阻尼器轴颈进动角速度
Ω
进行表征；
SS5.
基于步骤
SS4
通过计算流体力学仿真得到的油膜压力分布
p(
θ
,z)
，采用短轴承近似理论建立如下有关油膜阻尼力
F
与油膜压力分布
p(
θ
,z)
之间的定量关系式，并基于该定量关系式求解油膜阻尼力
F
：式中，
F
r
、F
t
分别表示油膜的径向阻尼力
、
周向阻尼力，
p(
θ
,z)
表示油膜的压力分布，
R
为阻尼器的轴颈半径，
L
为阻尼器的轴颈宽度，
z
为极坐标系中油膜的轴向位置坐标，
θ
为极坐标系中油膜的周向角度坐标，
θ1、
θ2分别表示油膜的周向起始角度
、
周向终止角度；
SS6.
基于步骤
SS5
求解得到的油膜阻尼力
F
，并基于如下有关油膜刚度系数
K、
阻尼系数
C
和油膜阻尼力
F
之间的定量关系式，求解得到油膜的刚度系数
K、
阻尼系数
C
：：式中，
K
为油膜的刚度系数，
C
为油膜的阻尼系数，
F
r
、F
t
分别为油膜的径向阻尼力
、
周向阻尼力，
e
为阻尼器轴颈的偏心距，
Ω
为阻尼器轴颈的进动角速度，两关系式右端的负号表
示油膜径向弹性恢复力
、
周向阻尼力分别与阻尼器轴颈的偏心距
e、
进动角速度
Ω
方向相反
。2.
根据权利要求1所述的挤压油膜阻尼器阻尼特性的计算方法，其特征在于，上述步骤
SS1

【专利技术属性】
技术研发人员：杨钟雨，冯引利，孙涛，蒋文婷，刘棣，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：