试述挤压油膜阻尼器发展及应用

　　为了提高性能,减小体积,现在应用的旋转机械,特别是航空燃气涡轮发动机大多向高转速方向发展。高速旋转机械由于质量不平衡等原因易于产生较大振动现象。如不加以控制,则会因振动过大造成机器损伤或严重破坏事故。因此长期以来,旋转机械振动问题是转子动力学领域的重要研究课题。解决该问题的途径有很多,其中应用减振器不失为一种较好的方法。目前在航空涡轮发动机中广泛应用的就是基于油膜阻尼技术而设计的挤压油膜阻尼器(Squeeze Film Damper,常常简称为SFD)。

　　1　挤压油膜阻尼器发展历史

　　1.1　挤压油膜阻尼技术的机理

　　油膜阻尼技术的开发工作已有三、四十年的历史,但到最近十几年,理论上才形成了新的科学,实践上才形成新的技术,并得到广泛的应用。油膜阻尼的机制基于挤压膜理论。当平行两板之间充满油液,并且以一定的相对速度靠近时,由于挤压效应,两板之间将产生一定的压力。该压力与其靠近速度有关,因而,形成了阻尼效应。基于该原理而应用的油膜阻尼,是通过在一定的频率和振幅作相对运动的两板之间加入一层油膜来吸收其振动能量来实现的。

　　1.2　挤压油膜阻尼的发展

　　有关挤压油膜理论的研究,最早可以追溯到1874年德国人Stefen对接近着的两平面之间润滑剂的挤压效应的研究。而后,关于挤压膜的理论逐渐发展成摩擦学领域的一个分支,并得到不断的发展和完善。1963年,英国人S.Cooper首先提出用挤压膜轴承来抑制气轮机转子的振动,认为能够设计出一种抑制振动的油膜,使其作为一种阻尼装置得以应用。20世纪60年代初期,英国航空公司根据S.Cooper所作的关于挤压油膜阻尼器(或称挤压油膜轴承)的试验研究和理论分析报告,首先在英国Conway航空发动机上采用了这项新技术,取得了明显的减振效果,约可降低振幅60%左右。由于这种挤压油膜阻尼器能够有效的吸收转子的振动能量,保证其平稳运转,在此后不久的时间里,在英、美许多军用和民用航空发动机上都采用了挤压油膜阻尼器。挤压油膜阻尼器曾被认为是近几十年来影响高速转子动力学最重要的研究成果之一。挤压油膜阻尼技术在航空领域获得了很大的成功,并很快推广应用到一些地面高速旋转机械,如透平压缩机和工业燃气机。而最先在机床上采用液体阻尼器的是Hann.S.R。这种阻尼器最初是为镗杆减振而研制的,减振效果非常明显。20世纪60年代,J.peters和P.Vanherck开始将油膜阻尼运用于机床系统。

　　他们把油膜阻尼装置安装在机床主轴系统中,并通过一个简单的动力学模型,对不同阻尼系数值的阻尼器进行了调参计算。同时进行了切削实验。结果表明,采用油膜阻尼器可使极限切削功率成倍提高,而后,两位学者对阻尼器的设计及特殊效应作了深入分析和研究。日本学者也进行了类似的研究,由于研究工作还不够深入,阻尼器参数设计不合理,故认为油膜阻尼器减振效果不稳定。20世纪80年代,我国学者对油膜阻尼技术开展了研究,特别是对挤压油膜阻尼器在车削加工以及精密孔加工中的应用进行了深入系统的研究,并取得显著成果。油膜阻尼器作为一种实用部件安装在沈阳第一机床厂批量生产的CA6140型普通车床的主轴系统中,收到良好的使用效果。