《Lubricants》：Dynamic Characteristics and Vibration Suppression of Aerostatic Tilting Pad Bearings Enhanced by Constrained Layer Damping
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静压可倾瓦轴承（aerostatic tilting pad bearings）因其低摩擦和高转速能力，在高速应用中备受关注。然而，其固有的低阻尼可能导致振动抑制不足和动态不稳定。本研究将约束层阻尼（constrained layer damping, CLD
静压可倾瓦轴承（aerostatic tilting pad bearings）因其低摩擦和高转速能力，在高速应用中备受关注。然而，其固有的低阻尼可能导致振动抑制不足和动态不稳定。本研究将约束层阻尼（constrained layer damping, CLD）结构引入静压可倾瓦轴承，以改善其动态特性和振动抑制能力。研究人员开发了具有不同CLD配置的柔性铰链可倾瓦轴承，并研究了约束层厚度和外圈连接对轴承刚度及阻尼特性的影响。通过动态激励试验识别等效动态刚度和阻尼系数，随后进行转子-轴承系统实验以评估不同工况下的振动响应。结果揭示了CLD结构参数对刚度-阻尼特性的影响。振动试验进一步验证了不同CLD配置在调节轴承动态响应方面的有效性。研究结果为CLD增强型静压可倾瓦轴承的结构设计与振动控制提供了依据。
气体润滑轴承凭借低摩擦、无油污染和高速适应性，被广泛应用于高精密机床和高速电主轴等高端旋转机械。然而，气体介质黏度极低，导致气膜刚度和承载能力较弱，系统在外部冲击或振动扰动下容易发生气膜失稳，影响轴承-转子系统的正常服役。可倾瓦轴承虽能通过瓦块自适应倾斜改善气膜承载状态，但系统阻尼仍主要源于气体润滑膜本身，抑制次同步振动和跨临界转速的能力不足。已有阻尼增强技术如挤压油膜阻尼器、金属网阻尼器等虽然有效，但往往增加结构复杂度、依赖外部能量输入或改变原有支撑刚度。约束层阻尼（CLD）通过在金属约束层与基层之间引入粘弹性材料，利用剪切变形耗散振动能量，为在不改变气体润滑机理的前提下提升轴承阻尼提供了新途径。然而，CLD在气体轴承尤其是静压可倾瓦轴承中的应用鲜有报道，其结构参数与约束方式对轴承动态特性的影响尚不清楚。因此，本研究将CLD结构集成到柔性铰链可倾瓦轴承中，系统考察约束层厚度和外圈连接配置对刚度、阻尼及振动抑制性能的作用规律。
研究人员设计并制备了三种不同构型的约束层阻尼柔性铰链可倾瓦轴承：约束层厚度为0.7 mm的CLDB1、0.9 mm的CLDB2，以及0.9 mm厚度但带有外圈连接的CLDB3。结合有限元静力学与模态分析、动态激励试验和转子-轴承系统振动试验，识别了轴承的等效动态刚度与阻尼系数，评估了不同载荷和转速下的振动响应。结果表明，CLD结构参数显著影响刚度-阻尼配比；较薄约束层或外圈连接构型能够更大程度激活粘弹性材料的耗能潜力，有效抑制轴振位移和加速度振动。该研究为CLD增强型静压可倾瓦轴承的结构优化和振动控制提供了理论与实验依据。
关键技术方法包括：采用Ansys有限元静力学和模态分析，通过施加100 N径向集中载荷和循环对称边界条件，计算不同约束层厚度和构型的等效刚度并筛选实验方案；基于单频双激振法的动态激励试验，利用电磁激振器施加可控激振力，结合正交位移探头识别轴承径向平面内的等效刚度矩阵和阻尼矩阵；搭建高速转子-轴承振动试验台，通过电涡流位移传感器和加速度传感器采集轴心轨迹与壳体振动信号，并利用小波分析提取位移信号的主频能量特征。此外，通过气体润滑膜与CLD结构的刚度、阻尼耦合模型，对理论预测与实验测量进行对比验证。
4.1 静态激励下不同激励频率对轴承-转子系统的影响。在转子静止、激振力20 N、供气压力分别为0.05/0.1 MPa的条件下，对三种轴承进行20–60 Hz扫频激励。结果表明，所有轴承的直接动刚度随频率增大而单调增加，刚度大小依次为0.9 mm约束层厚度、外圈连接0.9 mm约束层厚度、0.7 mm约束层厚度；直接阻尼系数则随频率增大快速下降，阻尼耗能能力依次为0.7 mm约束层厚度、外圈连接0.9 mm约束层厚度、0.9 mm约束层厚度。实验刚度值与有限元模拟的偏差在3%–7%范围内，验证了仿真结果。这说明薄约束层和阻尼层互连设计可为橡胶提供更大剪切变形空间，从而增强能量耗散。
4.2 动态激励下不同激励频率对轴承-转子系统的影响。在转速3000 r/min、激振力20 N的旋转工况下，重复同样的扫频测试，得到与静态激励高度相似的频率依赖规律，即动刚度随频率增大而上升，阻尼系数随频率增大而下降。将气膜刚度、阻尼与约束阻尼结构实验测得的刚度、阻尼通过耦合公式计算理论动态系数，并与实测值比较，二者趋势一致，但存在一定偏差。偏差主要归因于气膜动态特性随激励频率的变化、橡胶材料恒定损耗因子假设，以及理想化有限元边界条件与真实装配状态之间的差异。
4.3 不同约束层厚度和配置对振动特性的影响。在6000 r/min转速下，分别施加20 N和60 N载荷，采集垂直方向加速度信号和轴心轨迹。加速度时域分析显示，CLDB1的峰值加速度和均方根值最低，峭度接近3，运行最平稳；CLDB2振动幅值最大，60 N下载荷峭度升至3.2185，波动明显；CLDB3介于二者之间，但其增幅远小于CLDB2，表现出更强的抗载荷波动能力。位移小波分析表明，CLDB2在基频处的位移能量最大，CLDB1最小，CLDB3显著低于CLDB2。轴心轨迹比较显示，CLDB2的径向位移幅值明显大于CLDB1和CLDB3，后两者的轨迹包络面积更小，当载荷增至60 N时轨迹面积增幅仍较小；所有轨迹均为规则椭圆，未出现分叉或混沌，表明三种构型均能在高负荷下保持稳定运行。综合三类信号结果，0.7 mm薄约束层因充分剪切变形获得最佳振动抑制效果，外圈连接则通过释放约束刚度改善了0.9 mm厚约束层的阻尼性能，二者均优于未连接的厚约束层构型。
讨论部分指出，CLD结构的刚度与阻尼之间存在权衡：较薄的约束层有利于粘弹性层剪切变形，从而提升阻尼耗能，但需保证足够的静刚度；外圈连续连接将局部约束转变为全局约束，虽略微降低静刚度，但显著改善了剪切应变分布的均匀性和全局耗能效率。数值模型中采用的恒定损耗因子以及理想化边界条件，导致理论计算与实验存在偏差，因此关于轴承阻尼和振动抑制的结论主要由实验测量支撑。研究结论翻译如下：在20–60 Hz测试频段内，所有轴承的直接动刚度随激励频率增大而增加，阻尼系数随频率增大而减小；在确保强度与疲劳性能的前提下，较薄的金属约束层能够为阻尼材料提供更大的剪切变形空间，充分激发粘弹性材料的能量耗散能力，从而在20–60 N实验载荷范围内持续表现出最优的振动抑制性能；外圈连接式约束层阻尼构型能够通过局部释放约束刚度来补偿厚约束层导致的阻尼下降，表现出较强的抗载荷波动能力，并实现高承载刚度与高频减振效率的平衡。该构型在实际工况下的长期可靠性仍需验证，未来需关注橡胶老化与蠕变对阻尼衰减的影响，以及薄壁金属约束层在机械与热循环载荷下的高周疲劳行为，这些对于CLD增强轴承的工程化应用至关重要。
