CN109945775B - 挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置，包括支座、绝缘连接板、鼠笼、轴承座、挤压油膜支座、密封圈、液压接头、压力传感器、支承轴承和转盘轴等，电容信号转换电路、电阻信号转换电路和压力传感器将采集电压及压力变化输入到采集器中，通过计算获得油膜厚度并进行预警。本发明挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置及其测试方法，采用电容法与电阻法实现挤压油膜阻尼器全膜、部分膜油膜厚度综合测试，测试方法简单有效；同时采用压力测试与补偿方法，避免压力变化对油膜厚度测试结果影响，测试更准确；试验装置结构简单，能够模拟复杂工况，并在试验装置上实现油膜厚度的有效测试。

Description

挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及旋转机械中的燃气涡轮或航空发动机领域。

背景技术

挤压油膜阻尼器是以航空发动机为代表的燃气轮机转子支撑的重要减振结构，通过在鼠笼外环与腹板内环的间隙内通以滑油，形成挤压油膜，通过油膜的挤压消耗转子振动能量，减小航空发动机转子的外传载荷和振动；而挤压油膜阻尼器油膜厚度大小是工作时关键参数之一，直接影响着内部的力学性能和减振效果，且随着航空发动机转子工况条件而发生变化；因此获取不同工况条件下的油膜厚度对于挤压油膜阻尼器的理论分析、设计具有重要意义。

对于油膜厚度测试方面，虽然机械中一些相互接触的零部件尝试采用电容法、电阻法等。如电容测试法是一种公认的有效检测油膜厚度的方法，并在钢球与转盘(潘慧-基于电容法的点接触润滑状态研究、程林-基于电容法的油膜厚度测量技术研究)，两滚轮(张鹏顺-用电容法对弹流油膜厚度测量的研究)，活塞(王海山-用电容法对活塞环最小油膜厚度的测量)，滚动轴承(刘苏亚-滚动轴承润滑油膜的测试、包大勇-弹流润滑状态测试仪的研制及其应用)、摩擦副间(CN201810270967-一种润滑油膜厚度的电容测量装置及其测试方法)进行应用，并进一步提出标定方法和装置如(CN201811027913-用于油膜厚度测量的电容传感器标定方法和装置、CN201910069201-基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定系统及方法)。而单纯的电容法只能测试在相互接触零部件中全膜状态的厚度，油膜破裂后发生失效，不能进而一步判断出油膜状态。而且由于挤压油膜阻尼器与上述接触零部件在相互接触的结构特征、功能乃至工作条件以及电容测试后的油膜厚度反推计算都有很大差别，尚无对应的计算方法，而且挤压油膜阻尼器内部压力随工况变化，进而影响油膜厚度，将对测试结果产生很大偏差；同时由于航空发动机的在冲击或者大机动环境工作时，冲击载荷过大，内部压力变化大，油膜时而发生破裂，因此现有测试方法与测试装置不能满足挤压油膜阻尼器油膜厚度测试的需要。从现公开的资料来看，目前多数从理论上采用半油膜或全油膜假设并通过数值分析方法求解Reynolds方程获得油膜，尚未针对挤压油膜阻尼器油膜厚度有效测试方法，不能获得复杂工况条件下挤压油膜阻尼器油膜厚度的有效实验数据，从而不能对理论进行验证，并进行有效改进设计。

发明内容

本发明提供了一种挤压油膜阻尼器油膜厚度测试方法及其试验装置，实现挤压油膜阻尼器全膜测试、部分油膜预警。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置，支座21中心孔前侧边缘处安装绝缘连接板22，支座21中心孔内设有鼠笼23，鼠笼23前端与绝缘连接板22固定连接，鼠笼23后端外侧固定连接轴承座24，轴承座24外侧设有挤压油膜支座25，挤压油膜支座25与支座21固定连接，挤压油膜支座25与轴承座24之间存在间隙，轴承座24上安装支撑轴承29，支撑轴承29内侧为转盘轴210，转盘轴210上设有转盘213；挤压油膜支座25中部设有用于与轴承座24配合安装的通孔252，挤压油膜支座25内设有油膜孔253，挤压油膜支座25上部和下部分别设有与油膜孔253贯通的油孔254，两个油孔254分别为进油口和出油口，挤压油膜支座25上部安装压力传感器28；挤压油膜支座25和轴承座24构成挤压油膜阻尼器9，挤压油膜阻尼器9的内环4和外环5分别通过导线引出连接电容信号转换电路111和电阻信号转换电路112，压力传感器113、电容信号转换电路111和电阻信号转换电路112连接采集器114。

所述挤压油膜支座25内侧面边缘处设有与支座21配合安装的定位止口251；通孔252直径比轴承座24直径大1-3mm；轴承座24上侧设有密封凹槽，密封凹槽内安装密封圈26；挤压油膜支座25中间对称的位置设有油膜孔253，油膜孔253直径比通孔252大0.5-1.5mm；油孔254为螺纹孔，油孔254螺纹连接液压接头27，挤压油膜支座25上部设有螺纹孔255，螺纹孔255内安装压力传感器28，压力传感器28下端与挤压油膜阻尼器外环5腔体表面平齐。

所述支座21安装于底台211上，支座21与底台211之间设有绝缘垫212。

所述绝缘连接板22为聚四氟乙烯材料。

所述转盘轴210的转盘213上设有用于设置不平衡质量螺纹孔。

挤压油膜阻尼器油膜厚度测试方法，电容信号转换电路111将挤压油膜阻尼器油膜厚度变化引起的电容信号变化转化为电压信号输送到采集器114采集，电阻信号转换电路112用于将挤压油膜阻尼器油膜厚度变化引起的电阻信号变化转化为电压信号，输送到采集器114的采集，,压力传感器113测试挤压油膜阻尼器内部油压力信号，并将采集压力变化输入到采集器114中，挤压油膜阻尼器油膜与电容关系为

C_M＝C_ip+C_hn+C_ep (1)

式中，C_ip、C_ep和C_hp分别为挤压油膜阻尼器内外环入口、出口、中心区域的电容值；

中心接触区7、入口区6、出口区8的电容值为

式中，ε₀、ε_p分别为常压、一定压力的介电常数，ε_r为相关系数为常数，A为接触区域的接触面积；

由于入口区6、出口区8油膜厚度大，则电容值较中心接触区域小的多，因此C_ip、C_ep可以忽略，则

C_M＝C_hn＝2ε_rε_pA/h (3)

挤压油膜阻尼器接触区域面积为

A＝l*2b (4)

式中，L为挤压油膜阻尼器长度，b为接触区域的宽度依据herz接触理论得，

式中，p为挤压油膜阻尼器的压力，为压力传感器13的测试值，η为两物体的综合弹性常数，

E₁、ν₁为挤压油膜阻尼器外环的弹性模量和泊松比，E₂、ν₂为挤压油膜阻尼器内环的弹性模量和泊松比。∑ρ为挤压油膜阻尼器的主曲率和，

D为挤压油膜阻尼器内环直径；

一定压力的介电常数为

ρ₀为常压下的密度，ρ_p为压力为p时的油的密度为

则简化可得

则油膜厚度可以依据电容值和压力值求解

当挤压油膜阻尼器油膜3处于部分油膜状态，即内环4、外环5的金属发生微峰接触，电容测试失效，采用测试的电阻值表征接触表面的接触状态，微峰接触越大，部分油膜状态越恶劣，电阻值越小，挡达到一定数值后进行预警。

本发明的挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置及其测试方法，采用电容法与电阻法实现挤压油膜阻尼器全膜、部分膜油膜厚度综合测试，测试方法简单有效；同时采用压力测试与补偿方法，避免压力变化对油膜厚度测试结果影响，测试更准确；试验装置结构简单，能够模拟复杂工况，并在试验装置上实现油膜厚度的有效测试。

附图说明

图1是本发明挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置主视剖面结构图。

图2是本发明挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置的挤压油膜支座主视剖面结构图。

图3是本发明挤压油膜阻尼器油膜厚度测试装置原理图。

图4是本发明挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置挤压油膜阻尼器油膜部分示意图。

图中：3、油膜、4、内环、5、外环，6、入口区，7、接触区，8、出口区，9、挤压油膜阻尼器，111、电容信号转换电路，112、电阻信号转换电路、113、压力传感器，114、采集器，2、挤压油膜阻尼器厚度测试试验装置，21、支座，22、绝缘连接板，23、鼠笼，24、轴承座，25、挤压油膜支座，26、密封圈，27、液压接头，28、压力传感器，29、支承轴承，210、转盘轴，211、底台，212、绝缘垫，213、转盘，251、定位止口，252、通孔，253、油膜孔，254、油孔，255、螺纹孔。

具体实施方式

本发明的挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置结构如图1和图2所示，包括支座21、绝缘连接板22、鼠笼23、轴承座24、挤压油膜支座25、密封圈26、液压接头27、压力传感器28、支承轴承29、转盘轴210以及对应的挤压油膜阻尼器油膜厚度测试电路，支座21与底台211间隔绝缘垫212，如橡胶垫或者塑料垫，并通过螺栓固定连接，支座21中心孔前侧边缘处安装绝缘连接板22，绝缘连接板22与支座21连接，绝缘连接板22采用绝缘材料，优先选用聚四氟乙烯，用于隔绝挤压油膜阻尼器内、外环信号传递，使内外环通过内部油液形成封闭电容；支座21中心孔内设有鼠笼23，鼠笼23与绝缘连接板22通过螺栓固定连接，轴承座24与鼠笼23后端通过螺栓固定连接；挤压油膜支座25与支座21通过螺栓固定连接，并与轴承座24存在一定间隙，构成挤压油膜阻尼器。轴承座24外面有密封凹槽用于安装密封26，用于密封挤压油膜阻尼器的压力油，避免挤压油膜阻尼器运行时，油泄露，承轴承29安装固定于轴承座24内部，支撑轴承29为滚动轴承，用于支承转盘轴210旋转；所述转盘轴210转盘213上设有螺纹孔，用于设置不平衡质量，并由驱动装置驱动旋转；所述驱动装置优先选用电机。所述的轴承座24以及挤压油膜支座25分别接有导线引出信号。挤压油膜支座25内设有油膜孔253，挤压油膜支座25上部和下部分别设有与油膜孔253贯通的油孔254，两个油孔254分别为进油口和出油口，挤压油膜支座25的进油口、回油口设有液压接头27，用于连接液压管路，使液压油产生流动，耗散转子振动产生的能量；挤压油膜支座25上部安装压力传感器28，压力传感器28用于测试挤压油膜阻尼器内部油压力信号，压力传感器28安装后端部要求与挤压油膜阻尼器外环腔体表面平齐，减小对挤压油膜阻尼器的影响，并使测试结果更加准确；挤压油膜支座25和轴承座24构成挤压油膜阻尼器9，挤压油膜阻尼器9的内环4和外环5分别通过导线引出连接电容信号转换电路111和电阻信号转换电路112，压力传感器113、电容信号转换电路111和电阻信号转换电路112连接采集器114。

挤压油膜支座25一侧设有圆柱形定位止口251，用于支座21定位；中部设有通孔252，所述通孔252直径尺寸比轴承座24稍大，并与其配合，优先选用大1-3mm；两者间设有密封圈26，起到润滑油密封作用；所述通孔252左右对称布置。在挤压油膜支座25中间对称的位置设有油膜孔253，所述油膜孔253直径比通孔252稍大，优先选用大0.5-1.5mm；所述油膜孔253上部和下部分别设置油孔254，油孔254有螺纹结构，用于固定安装液压接头27，分别为进油口、回油口，使液压油进出挤压油膜阻尼器。挤压油膜支座25上部设有螺纹孔255，用于安装压力传感器13。

挤压油膜阻尼器厚度测试方法如图3和图4所示，包括挤压油膜阻尼器油膜厚度测试装置、油膜厚度计算、油膜破裂预警；挤压油膜阻尼器油膜厚度测试电路用于综合测试挤压油膜阻尼器的电容、电阻以及压力值；所述的油膜厚度计算是依据测试得到数值计算油膜厚度大小；所述油膜破裂预警用于当油膜失效或破裂后进行预警。

(1)所述挤压油膜阻尼器油膜厚度测试装置包含电容信号转换电路111以及电阻信号转换电路112、压力传感器113和采集器114；挤压油膜阻尼器的内环4、外环5分别采用导线引出接入电容信号转换电路111和电阻信号转换电路112，优选选用屏蔽线，避免其他干扰信号影响测试结果，内环4、外环5采用绝缘屏蔽。电容信号转换电路111用于将挤压油膜阻尼器油膜厚度变化引起的电容信号变化转化为电压信号，便于采集器114的采集，电容信号转换电路111优先采用电容电压转换芯片；电阻信号转换电路112用于将挤压油膜阻尼器油膜厚度变化引起的电阻信号变化转化为电压信号，便于采集器114的采集。压力传感器113用于测试挤压油膜阻尼器内部油压力信号，并将采集压力变化输入到采集器114中；采集器114用于测试挤压油膜阻尼器运行过程中的电容、电阻以及压力的变化。

(2)油膜厚度计算采用以下计算简化和计算步骤：

如图4所示，挤压油膜阻尼器油膜与电容关系为

C_M＝C_ip+C_hn+C_ep (1)

式中，C_ip、C_ep和C_hp分别为挤压油膜阻尼器内外环入口、出口、中心区域的电容值；

中心接触、入口、出口区域的电容值为

式中，ε₀、ε_p分别为常压、一定压力的介电常数，ε_r为相关系数为常数，A接触区域的接触面积；

由于入口、出口区域油膜厚度大，则电容值较中心接触区域小的多，因此忽略C_ip、C_ep可以忽略，则

C_M＝C_hn＝2ε_rε_pA/h (3)

挤压油膜阻尼器接触区域面积为

A＝l*2b (4)

式中，L为挤压油膜阻尼器长度，b为接触区域的宽度依据herz接触理论得，

式中，p为挤压油膜阻尼器的压力，为压力传感器13的测试值，η为两物体的综合弹性常数，

E₁、ν₁为挤压油膜阻尼器外环的弹性模量和泊松比，E₂、ν₂为挤压油膜阻尼器内环的弹性模量和泊松比。∑ρ为挤压油膜阻尼器的主曲率和，

D为挤压油膜阻尼器内环直径；

一定压力的介电常数为

ρ₀为常压下的密度，ρ_p为压力为p时的油的密度为

则简化可得

则油膜厚度可以依据电容值和压力值求解

(3)油膜破裂预警，当挤压油膜阻尼器油膜处于部分油膜状态，即内环4、外环5的金属发生微峰接触，电容测试失效，采用测试的电阻值表征接触表面的接触状态，微峰接触越大，部分油膜状态越恶劣，电阻值越小，挡达到一定数值后，预警。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置，其特征在于：支座（21）中心孔前侧边缘处安装绝缘连接板（22），支座（21）中心孔内设有鼠笼（23），鼠笼（23）前端与绝缘连接板（22）固定连接，鼠笼（23）后端外侧固定连接轴承座（24），轴承座（24）外侧设有挤压油膜支座（25），挤压油膜支座（25）与支座（21）固定连接，挤压油膜支座（25）与轴承座（24）之间存在间隙，轴承座（24）上安装支撑轴承（29），支撑轴承（29）内侧为转盘轴（210），转盘轴（210）上设有转盘（213）；挤压油膜支座（25）中部设有用于与轴承座（24）配合安装的通孔（252），挤压油膜支座（25）内设有油膜孔（253），挤压油膜支座（25）上部和下部分别设有与油膜孔（253）贯通的油孔（254），两个油孔（254）分别为进油口和出油口，挤压油膜支座（25）上部安装压力传感器（28）；挤压油膜支座（25）和轴承座（24）构成挤压油膜阻尼器（9），挤压油膜阻尼器（9）的内环（4）和外环（5）分别通过导线引出连接电容信号转换电路（111）和电阻信号转换电路（112），压力传感器（113）、电容信号转换电路（111）和电阻信号转换电路（112）连接采集器（114）。

2.根据权利要求1所述的挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置，其特征在于：所述挤压油膜支座（25）内侧面边缘处设有与支座（21）配合安装的定位止口（251）；通孔（252）直径比轴承座（24）直径大1-3mm；轴承座（24）上侧设有密封凹槽，密封凹槽内安装密封圈（26）；挤压油膜支座（25）中间对称的位置设有油膜孔（253），油膜孔（253）直径比通孔（252）大0.5-1.5mm；油孔（254）为螺纹孔，油孔（254）螺纹连接液压接头（27），挤压油膜支座（25）上部设有螺纹孔（255），螺纹孔（255）内安装压力传感器（28），压力传感器（28）下端与挤压油膜阻尼器外环（5）腔体表面平齐。

3.根据权利要求1所述的挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置，其特征在于：所述支座（21）安装于底台（211）上，支座（21）与底台（211）之间设有绝缘垫（212）。

4.根据权利要求1所述的挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置，其特征在于：所述绝缘连接板（22）为聚四氟乙烯材料。

5.根据权利要求1所述的挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置，其特征在于：所述转盘轴（210）的转盘（213）上设有用于设置不平衡质量螺纹孔。

6.根据权利要求1-5中任一所述的挤压油膜阻尼器油膜厚度试验装置的挤压油膜阻尼器油膜厚度测试方法，其特征在于：电容信号转换电路（111）将挤压油膜阻尼器油膜厚度变化引起的电容信号变化转化为电压信号输送到采集器（114）采集，电阻信号转换电路（112）用于将挤压油膜阻尼器油膜厚度变化引起的电阻信号变化转化为电压信号，输送到采集器（114）采集，压力传感器（113）测试挤压油膜阻尼器内部油压力信号，并将采集压力变化输入到采集器（114）中，挤压油膜阻尼器油膜与电容关系为

（1）

式中，C _ip 、C _ep 和C _hp 分别为挤压油膜阻尼器内外环入口、出口、中心区域的电容值；

中心接触区（7）、入口区（6）、出口区（8）的电容值为

(2)

式中，

、

分别为常压、一定压力的介电常数，

为相关系数为常数，A为接触区域的接触面积；

由于入口区6、出口区8油膜厚度大，则电容值较中心接触区域小的多，因此C _ip 、C _ep 可以忽略，则

(3)

挤压油膜阻尼器接触区域面积为

(4)

式中，L为挤压油膜阻尼器长度，b为接触区域的宽度依据herz接触理论得，

(5)

式中，

为挤压油膜阻尼器的压力，为压力传感器13的测试值，

为两物体的综合弹性常数，

，

、

为挤压油膜阻尼器外环的弹性模量和泊松比，

、

为挤压油膜阻尼器内环的弹性模量和泊松比；

为挤压油膜阻尼器的主曲率和，

，D为挤压油膜阻尼器内环直径；

一定压力的介电常数为

(6)

为常压下的密度，

为压力为

时的油的密度为

，则简化可得

(7)

则油膜厚度可以依据电容值和压力值求解

(8)；

当挤压油膜阻尼器油膜（3）处于部分油膜状态，即内环（4）、外环（5）的金属发生微峰接触，电容测试失效，采用测试的电阻值表征接触表面的接触状态，微峰接触越大，部分油膜状态越恶劣，电阻值越小，当达到一定数值后进行预警。

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