Page 177 - 《振动工程学报》2025年第9期

第 9 期 张 鹏，等：电磁型干摩擦阻尼器-双转子系统支承结构外传振动的主动控制 2107

计的结构参数，对于复杂变工况的适应性较差。
为了实现航空发动机转子系统振动的主动控 1 AMDFD-双 转 子 - 轴 承 座 系 统 动 力 学
制，很多学者对主控式弹支干摩擦阻尼器（active elastic- 模 型
support dry friction damper, AESDFD） 展 开 了 研 究 [2-4] 。
在现有航空发动机弹性支承的基础上，增加一对或 AMDFD 的结构如图 1 所示，整体上为关于弹性
多对摩擦副，就形成了 AESDFD。通过执行机构来 支承左右对称的结构。为了节约轴向空间，弹性支
对摩擦副间的摩擦力进行实时调节，从而实现转子 承选用整体式弹性环结构 [13] ，弹性环的内环与轴承
支承结构阻尼特性的主动控制。AESDFD 无需对现 的外环配合，外环安装在轴承座上，内环与外环之间
有航空发动机结构进行较大的改动，且能够依据工 由 4 对 S 型弹簧连接，通过改变 4 对 S 型弹簧的参数
况对支承阻尼特性进行调节，因此在航空发动机振 来达到调节弹性环刚度的目的。摩擦副由动摩擦片
动抑制领域具有广阔的应用前景。 和静摩擦片 2 个部分组成，动摩擦片通过螺栓与弹
AESDFD 的减振特性主要由执行机构和控制策 性环的内环固定，随着转子一起涡动，静摩擦片固定
略两方面决定。执行机构主要决定了 AESDFD 能够 在 力 传 感 器 上， 力 传 感 器 通 过 螺 栓 固 定 在 电 磁 铁
上。电磁铁径向通过沿圆周方向均布的 8 列滚珠进
达到的最快响应、最大摩擦力以及使用环境。常用
行限位，使其无法沿径向运动，只能沿轴向滑动。整
的执行机构主要有液压执行器 、压电执行器 [6] 和
[5]
个 AMDFD 通过螺栓固定在半剖式轴承座中，与轴
电磁执行器 [7] 等。执行器都是通过改变作用在摩擦
承座形成一个整体。
副之间的正压力以实现对摩擦力的控制。相对于液
压执行器来讲，压电执行器和电磁执行器都具有较 压缩弹簧 轴承座
小的体积和较快的响应速度，但电磁执行器能够承
动摩擦片
受更高的环境温度，因此更加适用于航空发动机的 整体式弹性环
高温环境。 挡油管
转轴
控 制 策 略 根 据 转 子 振 动 或 外 传 振 动 在 线 求解 静摩擦片
推力盘 调节螺栓
AESDFD 所需的控制电流，从而对支承位置的摩擦 滚动轴承
阻尼进行在线调节，以实现转子振动或外传振动的 力传感器
线圈
主动控制。目前常用的有比例 P 控制或比例-积分 PI 静子支架
电磁铁 限位钢珠
[8]
控制 ，传统的 PI 控制器虽然具有较强的鲁棒性和
适用性，但对于非线性 AESDFD 这一被控对象，其控 图 1 电磁型主控式干摩擦阻尼器结构图
制效果有限。在此基础上，王四季等 提出了改进的 PI Fig. 1 The structure of AMDFD
[9]
控制，其实质是变参数的 PI 控制，需要依据大量的 电磁铁的矩形槽中放置有线圈，线圈通入电流
经验数据完成变参数控制律的设计。LIU 等 [10] 提出 后，电磁铁与推力盘之间形成磁路，产生的吸力使电
了一种基于复模态分解的 ADFD-转子系统振动控制 磁铁沿轴向向着推力盘靠拢，从而使静摩擦片与动
方法，但该方法依赖系统模型的模态信息，因此需要 摩擦片接触，并在摩擦副之间产生可控的正压力。
精确的系统模型。本课题组设计了转速区间开关控 在电磁铁和推力盘之间安装有复位弹簧，复位弹簧
制策略 [11] 和无模型自适应控制策略 [12] ，经试验验证 始终处于压缩状态，使得动、静摩擦片有分开的趋
均能够有效抑制转子系统的振动。 势。通过调节线圈中通入的电流，即可调节电磁铁
目前对 AESDFD 的研究主要在于转子本身的振 的吸力，当吸力大于复位弹簧的弹力时，动、静摩擦
动抑制，鲜少关注 AESDFD 对转子支承结构外传振 片之间的正压力增大，反之则减小，从而实现了静、
动的抑制能力。本文利用一种电磁型主控式干摩 动摩擦片之间正压力的调节。为了提高响应速度并
擦阻尼器（active magnetic dry friction damper, AMDFD） 减小执行机构轴向运动带来的冲击，在电磁铁外侧
来改变转子支承的阻尼，以实现对转子支承结构外 安装有调节螺栓，初始时刻调节螺栓使摩擦副处于
传振动的有效控制。首先，建立了一种能够考虑支 刚好接触的状态，此时摩擦副之间没有摩擦力，当通
承结构外传振动的 AMDFD-双转子-轴承座系统动力 入电流后，摩擦副之间能够迅速产生正压力。为了
学模型。然后，采用转速区间开关控制器及无模型 防止轴承滑油进入摩擦副污染干摩擦环境，设计挡
自适应控制器，对转子通过多阶临界转速时，AMDFD 油管对滑油进行封严，使滑油只能沿着挡油管的进
抑制支承外传振动的有效性进行了仿真分析。最 油口和出油口进出 AMDFD。
后，在搭建的 AMDFD-双转子系统试验台上，对支承 将图 1 所示的 AMDFD 安装于双转子系统，形成
结构外传振动抑制的有效性进行了试验验证。 图 2 所示的 AMDFD -双转子系统。