悬臂转子-CSFDB系统振动主动控制研究

　　近年来国内外学者研制开发了多种不同的主动控制执行机构[1～4],每一种机构的控制效果都有其独特的优点和自身的局限性,应用领域也有所不同。可控挤压油摸阻尼器是在广泛应用的SFDB的基础上开发形成的,其结构简单、可靠性好,目前作为航空发动机上主动减振控制元件,有较大的研究价值。

　　本文设计了锥型可控挤压油膜阻尼器,并建立了转子振动主动控制系统,进行了主动控制理论与实验研究。

　　1　理论研究

　　1.1　主导方程

　　对图1所示模型转子,可导出如下关系

式中:x,β,Mx,Qx是xoz坐标平面内的挠度、挠角、弯矩和剪力;T、T′分别是截面1-4和截面2-4的传递矩阵,Fx是油膜力在x方向上的分量。

　　由式(1)并结合边界条件可得

　　将锥型可控挤压油膜阻尼器的稳态油膜力代入式(2),并考虑xoz与yoz平面的耦合关系可得

　　将Mx,Qx,My,Qy代入式(3),可导出系统的主导方程。

　　1.2　计算分析

　　主导方程(3)可通过迭代法或搜索法求解,以图1所示的模型转子为例,分析锥型可控挤压油膜阻尼器对转子振动的控制效果,分析结果如图2所示。R为油膜轴颈半径,e1为转子偏心距。图2可知,挤压油膜阻尼器的间隙不同,转子系统则有不同的临界转速,因此有可能通过优化挤压油膜阻尼器的间隙来控制转子系统的振动。如果能理想地控制挤压油膜阻尼器的间隙,则转子系统的响应就可以得到很好的控制。这表明锥型可控挤压油膜阻尼器对转子振动将有良好的控制效果。从图2中还可以看出,对于不同的不平衡量挤压油膜阻尼器的优化间隙是不同的。因此,对于不同的转子系统,不同的不平衡量,应采取不同的控制策略,才能达到相应的控制效果。

　　2　CSFDB实验系统简介

　　实验系统的核心是可控挤压油膜阻尼器,本实验系统采用锥形可控挤压油膜阻尼器,该阻尼器油膜外环可轴向移动,从而达到调节结构参数的目的,阻尼器油膜外环的移动通过一套液压伺服系统来调节。实验系统总体框图如图3所示,主要由以下部分组成:转子系统及其驱动系统(1～5,23);锥形可控挤压油膜阻尼器(4);油源系统(6～10);控制系统(10,17～19);油膜阻尼器外环位置监测(11～13);振动、转速测量系统(14～16,20～22)。

　　2.1　转子系统及其驱动系统

　　试验器的转子系统为一单盘悬臂转子,左支承为弹性支承,右支承为锥形可控挤压油膜阻尼器,转子系统的主要参数如下:转子轴长L0=0.72m,轴径D0=0.017m,盘的厚度H=0.02m,盘外径D1=0.18m ,盘内径D2=0.02m,盘上孔径D3=0.008m,盘的质量M1=3.64kg,轴单位长度质量M2=1.77kg/m,两支承间距L1=0.54m。转子驱动系统采用硅整流器控制的航空直流电机,最高转速可达4000r/min以上。