CN108760263A - 油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法 - Google Patents

Abstract

本公开是关于油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法，通过无油状态下的无油受力数据和无油位移数据，计算油膜阻尼器的系统刚度和系统阻尼，通过供油状态下的供油受力数据、供油位移数据、系统刚度和系统阻尼计算油膜的阻尼和刚度。避免了系统刚度和系统阻尼对油膜刚度和油膜阻尼的检测结果产生影响，提高了试验精度。并且，在检测时不用进行假设，避免了现有技术中由于假设所带来的误差，进一步提高了检测精度。

Description

油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法

技术领域

本公开涉及航空发动机技术领域，具体而言，涉及一种油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法。

背景技术

在航空发动机中通常要用到非定心油膜阻尼器，非定心油膜阻尼器非线性特点突出，无法直接估算出其油膜刚度和阻尼。导致在设计阶段无法预测航空发动机转子的动力特性。

目前，非定心油膜刚度阻尼器的刚度和阻尼主要通过瞬态雷诺方程进行估算。在估算过程中，由于瞬态雷诺方程不能直接求解，需要通常进行短轴承、半油膜假设。但是在实际应用中，短轴承、半油膜假设会导致估算结果存在较大的误差。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法，解决了现有技术中由于采用短轴承、半油膜假设，而导致的检测结果误差大的问题，提高了检测结果的精度。

根据本公开的一个方面，提供一种油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法，包括：

在不供油状态下，检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据；

在供油状态下，检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据；

根据所述无油受力数据和所述无油位移数据计算油膜阻尼器的系统刚度和系统阻尼；

根据所述供油受力数据和所述供油位移数据以及所述系统刚度和所述系统阻尼，计算油膜阻尼器的油膜刚度和油膜阻尼。

根据本公开的一实施方式，所述在不供油状态下，检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据，包括：

检测油膜阻尼器第一方向的第一无油受力数据和第一无油位移数据；

检测油膜阻尼器第二方向的第二无油受力数据和第二无油位移数据。

根据本公开的一实施方式，所述检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据，包括：

检测油膜阻尼器第一方向的第一供油受力数据和第一供油位移数据；

检测油膜阻尼器第二方向的第二供油受力数据和第二供油位移数据。

根据本公开的一实施方式，所述第一方向和第二方向正交。

根据本公开的一实施方式，所述计算油膜阻尼器的系统刚度和系统阻尼包括：

根据所述第一无油受力数据、第一无油位移数据、第二无油受力数据和第二无油位移数据，通过最小二乘法计算系统刚度和系统阻尼。

根据本公开的一实施方式，通过最小二乘法计算系统刚度和系统阻尼包括：

通过公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得到k_fx、k_fy、c_fx、c_fy；

其中，ω_i为激振频率，k_fx为第一方向系统刚度，k_fy为第二方向系统刚度，c_fx为第一方向系统阻尼，c_fy为第二方向系统阻尼，k_ox为第一方向油膜刚度，k_oy为第二方向油膜刚度，c_ox为第一方向油膜阻尼，c_oy为第二方向油膜阻尼，k_xy为第一交叉刚度，k_yx为第二交叉刚度，c_xy为第一交叉油膜阻尼，c_yx为第二交叉油膜阻尼，为第一无油位移数据，为第二无油位移数据，为第一无油受力位移数据，为传递函数的实部，为传递函数的虚部；无油状态下，k_ox、k_oy、c_ox、c_oy、k_xy、k_yx、c_xy、c_yx均为0。

根据本公开的一实施方式，所述计算油膜阻尼器的油膜刚度和油膜阻尼包括：

根据所述第一供油受力数据、第一供油位移数据、第二供油受力数据、第二供油位移数据、k_fx、k_fy、c_fx和c_fy，通过最小二乘法计算油膜刚度和油膜阻尼。

根据本公开的一实施方式，通过最小二乘法计算油膜刚度和油膜阻尼，包括：

通过公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得到k_ox、k_oy、c_ox、c_oy、k_xy、k_yx、c_xy、c_yx；

其中，式(3)中为第一供油位移数据，为第二供油位移数据，为第一供油受力位移数据。

根据本公开的一实施方式，所述检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据，包括：

通过双向激励试验模拟油膜阻尼器的工作状态，检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据。

根据本公开的一实施方式，所述检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据，包括：

通过双向激励试验模拟油膜阻尼器的工作状态，检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据。

本公开提供的油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法，通过无油状态下的无油受力数据和无油位移数据，计算油膜阻尼器的系统刚度和系统阻尼，通过供油状态下的供油受力数据、供油位移数据、系统刚度和系统阻尼计算油膜的阻尼和刚度。避免了系统刚度和系统阻尼对油膜刚度和油膜阻尼的检测结果产生影响，提高了试验精度。并且，在检测时不用进行假设，避免了现有技术中由于假设所带来的误差，进一步提高了检测精度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的一种油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法的流程图；

图2为本公开实施例提供的双向激励试验装置的结构示意图。

图3为图2的左视图。

图4为图3中A处的局部放大图。

图5为通过本公开实施例得到的油膜刚度和油膜阻尼，计算得到的发动机动力涡轮转子的响应结果。

图6为通过振动试验得到的发动机动力涡轮转子的响应结果。

图7为通过现有技术计算得到的发动机动力涡轮转子的响应结果。

图中：

1、支架；2、激振器；3、油膜阻尼器。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

相关技术中，挤压油膜阻尼器的瞬态雷诺方程见式1。

其中，θ为轴颈进动角，p为油膜压力，h为油膜厚度，R为轴颈半径，z为轴向位移，μ为滑油动粘度，e为轴颈偏心距，Ω为轴颈进动角速度。

由式1求解出油膜压力分布，由压力分布导出油膜力表达式，由油膜力表达式导出力系数。此微分方程不能直接求解，必须进行若干假设，由此产生了几种不同假设下的理论解。短轴承假设：阻尼器长度L与直径D之比值小于或等于0.25，两端无油封。长轴承假设：假设阻尼器无限长，两端有油封。为了求解油膜反力，还必须分析油膜压力沿轴颈的分布，必须根据具体情况分析油膜的正负压力区域。对于油膜的压力区，有2种假设：全油膜假设、半油膜假设。半油膜假设：正压力区在周向0～π或π～2π范围内。全油膜假设：油膜在周向0～2π都有正压。

在实际应用中一般采用短轴承、半油膜的假设，短轴承假设认为油膜力沿阻尼器轴线方向的变化远比沿圆周的变化大，古可将式(1)中的项略去，得：

其中，k为油膜刚度；c为油膜阻尼；μ为滑油动粘度；R为油膜半径；L为油膜长度；C为油膜厚度；Ω为转速；ε为动偏心率。

由于采用短轴承、半油膜的假设，导致计算结果误差较大。

本示例实施方式中首先提供了一种油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法，如图1所示，包括：

步骤S110、在不供油状态下，检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据；

步骤S120、在供油状态下，检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据；

步骤S130、根据所述无油受力数据和所述无油位移数据计算油膜阻尼器的系统刚度和系统阻尼；

步骤S140、根据所述供油受力数据和所述供油位移数据以及所述系统刚度和所述系统阻尼，计算油膜阻尼器的油膜刚度和油膜阻尼。

本公开实施例提供的油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法，分别在供油和不供油状态下检测油膜阻尼器的无油数据和位移数据。在通过不供油状态下的无油受力数据和无油位移数据，计算得到系统阻尼和系统刚度。再将系统刚度和系统阻尼带入计算，油膜刚度和油膜阻尼，消除了系统刚度和系统阻尼对试验结果的影响，提高了试验结果的准确度。并且，在检测时不用进行假设，避免了现有技术中由于假设所带来的误差，进一步提高了试验精度。

下面对油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法进行详细说明：

在步骤S110中，在不供油状态下，通过试验来检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据，试验时可以设置不同的转速和偏心率，以模拟油膜阻尼器在航空发动机中的实际工作状况。

示例的，通过可以通过双向激励试验来检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据。根据振动的基本原理，当两个相互垂直的振动信号具有相同的频率和幅值，而且相位相差90°时，即分别为Qcosωt与Qsinωt，那么它们的合成信号便是一个圆周运动。如果在轴颈相互垂直的两个方向上分别施加两个激振力Qcosωt与Qsinωt，便可使轴颈相当于受到一个幅值为Q的旋转作用力的激励，旋转频率为ω。

油膜阻尼器双向激励试验器没有旋转部件，因此，不需要轴承进行支承。原来轴颈部位的轴承用一芯棒来代替，在芯棒的右下方45°和左下方45°各安装一个激振器，并对芯棒中心施加简谐激振力，从而模拟实际工程中的转子不平衡量对挤压油膜阻尼器产生的激振力。

如图1至图3所示，油膜阻尼器3安装在支架1上，利用激振器2对油膜阻尼器3轴颈施加激振力，模拟转子转动中不平衡量产生的激力，实现油膜阻尼器3轴颈涡动并挤压油膜，进而实现在非旋转状态下模拟油膜阻尼器的实际工作。

两个激振器2垂直布置，对油膜阻尼器施加一组正交激振力，在不供油状态下，检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据，包括：检测油膜阻尼器第一方向的第一无油受力数据和第一无油位移数据；检测油膜阻尼器第二方向的第二无油受力数据和第二无油位移数据。

其中，第一方向和第二方向为施加激振力的方向，第一方向和第二方向正交。

在步骤S120中，在供油状态下，通过试验来检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据，试验时可以设置不同的转速和偏心率，以模拟油膜阻尼器在航空发动机中的实际工作状况。

通过步骤S110中的双向激励试验装置，在供油状态下检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据，包括：检测油膜阻尼器第一方向的第一供油受力数据和第一供油位移数据；检测油膜阻尼器第二方向的第二供油受力数据和第二供油位移数据。

其中，第一方向和第二方向为施加激振力的方向，第一方向和第二方向正交。

在步骤S130中，计算油膜阻尼器的系统刚度和系统阻尼包括：根据所述第一无油受力数据、第一无油位移数据、第二无油受力数据和第二无油位移数据，通过最小二乘法计算系统刚度和系统阻尼。

对于油膜阻尼器系统而言，当在互相垂直的两个方向上受到外部激励，系统会在平衡位置附近做强迫振动，系统的运动方程为：

(K_s+iωC_s-ω²M_s)Z_s(ω)＝F_s(ω) (3)

其中，K_s为刚度矩阵，ω为激振频率，C_s为阻尼矩阵，M_s为质量矩阵，Z_s为位移矩阵，F_s为受力矩阵。

在实际工程中，油膜的质量远小于系统质量，因此忽略油膜质量，

可得，

其中，m为油膜阻尼器系统质量。

将第一方向记为x方向，第二方向记为y方向，可得：

将(4)、(5)、(6)、(7)、(8)带入(3)得：

其中，ω为激振频率，k_fx为第一方向系统刚度，k_fy为第二方向系统刚度，c_fx为第一方向系统阻尼，c_fy为第二方向系统阻尼，k_ox为第一方向油膜刚度，k_oy为第二方向油膜刚度，c_ox为第一方向油膜阻尼，c_oy为第二方向油膜阻尼，k_xy为第一交叉刚度，k_yx为第二交叉刚度，c_xy为第一交叉油膜阻尼，c_yx为第二交叉油膜阻尼。

化简9式，可得：

根据传递函数定义：

其中，a₁(ω)、a₂(ω_i)、b₁(ω)、b₂(ω)为传递函数实部和虚部系数。

因为f_x(ω)与f_y(ω)为大小相等的正交信号，有：

将(11)和(12)带入(10)得到：

在第i次试验时，对应的激振频率ω为ω_i，则式13变形为：

在无油状态下，k_ox、k_oy、c_ox、c_oy、k_xy、k_yx、c_xy、c_yx均为0，通过多组试验获得多组无油受力数据和无油位移数据，带入式15计算得到多组无油

其中，为第一无油位移数据，为第二无油位移数据，为第一无油受力位移数据，为传递函数的实部，为传递函数的虚部。

将多组数据带入式14后，会构成矛盾方程组，无法求解，此时通过最小二乘法对矛盾方程组求解。

其中，将式14将k_ox、k_oy、c_ox、c_oy、k_xy、k_yx、c_xy、c_yx设为0，得到无油状态下的a₁(ω_i)、a₂(ω_i)、b₁(ω_i)、b₂(ω_i)。

将无油状态下的a₁(ω_i)、a₂(ω_i)、b₁(ω_i)、b₂(ω_i)、 带入式16求得k_fx、k_fy、c_fx、c_fy。

在步骤S140中，计算油膜阻尼器的油膜刚度和油膜阻尼，包括：在供油状态下，通过试验获得多组供油受力数据和供油位移数据，带入式15计算得到多组供油将步骤S130中得到的k_fx、k_fy、c_fx、c_fy带入式14，得到供油状态下的a₁(ω_i)、a₂(ω_i)、b₁(ω_i)、b₂(ω_i)。将供油状态下的a₁(ω_i)、a₂(ω_i)、b₁(ω_i)、b₂(ω_i)、 带入式16，求得k_ox、k_oy、c_ox、c_oy、k_xy、k_yx、c_xy、c_yx。

通过本公开实施例提供的油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法检测油膜阻尼器的油膜刚度和油膜阻尼，根据油膜阻尼和油膜刚度预测一发动机动力涡轮转子的响应，结果如图5所示。对同一发动机动力涡轮转子进行振动试验，检测转子响应，结果如图6所示。对于同一发动机动力涡轮转子，通过现有技术提供的方法计算其油膜阻尼器的理论油膜刚度和理论油膜阻尼，根据理论油膜刚度和理论油膜阻尼，计算发动机动力涡轮转子的响应，结果如图7所示。

对比图5、图6和图7所示的转子响应结果，可以得出图5所示的响应结果和图6所示的响应结果更为接近，也就是说本公开实施例提供的油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法，检测得到的油膜阻尼器的油膜刚度和油膜阻尼更接近真实值。

本公开实施例中发动机动力涡轮转子的一阶临界转速在5000r/min附近，二阶临界转速在9500r/min。如图6所示，实测发动机动力涡轮转子一阶临界幅值不明显，二阶临界幅值大并有明显突变，在二阶临界转速之上，在12000r/min时有局部振动的小峰值。图5中一阶临界幅值，二阶临界幅值和二阶临界转速之上的幅值的趋势和图6相同。图7中一阶临界幅值较大，二阶临界幅值较小，且在二阶临界转速之上无局部振动的小峰值。

通过上述分析可得，本公开实施例提供的油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法相比于现有技术，提高了油膜刚度和油膜阻尼的检测精度。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种油膜阻尼器油膜刚度和阻尼的检测方法，其特征在于，包括：

在不供油状态下，检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据；

在供油状态下，检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据；

根据所述无油受力数据和所述无油位移数据计算油膜阻尼器的系统刚度和系统阻尼；

根据所述供油受力数据和所述供油位移数据以及所述系统刚度和所述系统阻尼，计算油膜阻尼器的油膜刚度和油膜阻尼。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在不供油状态下，检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据，包括：

检测油膜阻尼器第一方向的第一无油受力数据和第一无油位移数据；

检测油膜阻尼器第二方向的第二无油受力数据和第二无油位移数据。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据，包括：

检测油膜阻尼器第一方向的第一供油受力数据和第一供油位移数据；

检测油膜阻尼器第二方向的第二供油受力数据和第二供油位移数据。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一方向和第二方向正交。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算油膜阻尼器的系统刚度和系统阻尼包括：

根据所述第一无油受力数据、第一无油位移数据、第二无油受力数据和第二无油位移数据，通过最小二乘法计算系统刚度和系统阻尼。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过最小二乘法计算系统刚度和系统阻尼包括：

通过公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得到k_fx、k_fy、c_fx、c_fy；

其中，ω_i为激振频率，k_fx为第一方向系统刚度，k_fy为第二方向系统刚度，c_fx为第一方向系统阻尼，c_fy为第二方向系统阻尼，k_ox为第一方向油膜刚度，k_oy为第二方向油膜刚度，c_ox为第一方向油膜阻尼，c_oy为第二方向油膜阻尼，k_xy为第一交叉刚度，k_yx为第二交叉刚度，c_xy为第一交叉油膜阻尼，c_yx为第二交叉油膜阻尼，z_x ^c(ω_i)为第一无油位移数据，z_y ^c(ω_i)为第二无油位移数据，f_x ^c(ω_i)为第一无油受力位移数据，为传递函数的实部，为传递函数的虚部；无油状态下，k_ox、k_oy、c_ox、c_oy、k_xy、k_yx、c_xy、c_yx均为0。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算油膜阻尼器的油膜刚度和油膜阻尼包括：

根据所述第一供油受力数据、第一供油位移数据、第二供油受力数据、第二供油位移数据、k_fx、k_fy、c_fx和c_fy，通过最小二乘法计算油膜刚度和油膜阻尼。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过最小二乘法计算油膜刚度和油膜阻尼，包括：

通过公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得到k_ox、k_oy、c_ox、c_oy、k_xy、k_yx、c_xy、c_yx；

其中，公式(3)中z_x ^c(ω_i)为第一供油位移数据，z_y ^c(ω_i)为第二供油位移数据，f_x ^c(ω_i)为第一供油受力位移数据。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据，包括：

通过双向激励试验模拟油膜阻尼器的工作状态，检测油膜阻尼器的无油受力数据和无油位移数据。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据，包括：

通过双向激励试验模拟油膜阻尼器的工作状态，检测油膜阻尼器的供油受力数据和供油位移数据。