滑動(dòng)軸承油膜的振動(dòng)傳遞特性

孫 謙，錢大帥，陳 明

(1.海軍裝備部，北京 100071;2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

艦船旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，除了要保證轉(zhuǎn)軸本身的振動(dòng)合格外，軸承座、支承結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)以及管路等連接設(shè)備的振動(dòng)也必須符合要求。因此，必須充分考慮轉(zhuǎn)動(dòng)部件振動(dòng)向外部的傳遞作用。

滑動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵支承部件，依靠動(dòng)壓油膜對(duì)旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行支承。動(dòng)壓油膜連接了轉(zhuǎn)動(dòng)部件與軸承座，除提供支承所需的剛度和阻尼外，還直接參與軸承內(nèi)部小間隙流動(dòng)的耦合振動(dòng)，是振動(dòng)傳遞的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，由轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的低頻和高頻振動(dòng)均通過軸承油膜向軸承座和基礎(chǔ)傳遞。因此，若滑動(dòng)軸承油膜的振動(dòng)傳遞能力較強(qiáng)，就必須在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備與基礎(chǔ)之間采用嚴(yán)格的隔振措施進(jìn)行振動(dòng)隔離，同時(shí)對(duì)不同工況下滑動(dòng)軸承油膜振動(dòng)傳遞能力的變化進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。

滑動(dòng)軸承振動(dòng)傳遞與油膜的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。滑動(dòng)軸承小間隙流動(dòng)和復(fù)雜流固耦合的動(dòng)力學(xué)性能已經(jīng)得到較多的研究［1－2］，研究?jī)?nèi)容主要涵蓋油膜渦動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)油膜自激振動(dòng)響應(yīng)和非線性動(dòng)力學(xué)特性等。本文基于轉(zhuǎn)子－滑動(dòng)軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)值分析，對(duì)艦船動(dòng)力機(jī)械中滑動(dòng)軸承油膜的振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行研究，并考察轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)參數(shù)的影響。

1 轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

用圖1中的雙盤轉(zhuǎn)子－滑動(dòng)軸承系統(tǒng)，可以對(duì)滑動(dòng)軸承的激勵(lì)特性和振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行研究。轉(zhuǎn)子用1個(gè)滾珠軸承和1個(gè)圓柱瓦滑動(dòng)軸承支承。滾珠軸承的主支承剛度為1.5×107N/m，滑動(dòng)軸承長(zhǎng)度為25 mm，軸頸直徑為25 mm，軸承半徑間隙為140 μm，潤滑油牌號(hào)L－TSA32，室溫下該型潤滑油粘度為0.03 Pa·s。

圖1 Bently RK4轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)Fig.1 Bently RK4 rotor－bearing system

應(yīng)用有限元方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，采用歐拉梁?jiǎn)卧獙?duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行離散化，轉(zhuǎn)子劃分為10段共11個(gè)節(jié)點(diǎn)，每1個(gè)軸段包括2個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮平動(dòng)和轉(zhuǎn)角共4個(gè)自由度。滑動(dòng)軸承和滾珠軸承位置、輪盤中心位置分別被選為節(jié)點(diǎn)。建立系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、陀螺力矩矩陣和剛度矩陣分別為M，C，J和K，系統(tǒng)不平衡力、滑動(dòng)軸承油膜力和重力向量分別為 Fun，F(xiàn)b，G，其中油膜力采用Capone修正短軸承模型［3－4］描述。Capone短軸承模型中油膜力的無量綱表達(dá)式為:

設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為ω，針對(duì)系統(tǒng)位移向量u建立軸系動(dòng)力學(xué)方程為:

2 油膜的振動(dòng)傳遞特性和參數(shù)影響

應(yīng)用Newmark直接積分法求解動(dòng)力學(xué)方程(2)，到系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果，給出滑動(dòng)軸承處的振動(dòng)三維譜圖如圖2所示。轉(zhuǎn)子－滑動(dòng)軸承系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速位于2150 r/min，在4300 r/min時(shí)出現(xiàn)油膜渦動(dòng)現(xiàn)象，軸系周期運(yùn)動(dòng)發(fā)生失穩(wěn)，渦動(dòng)低頻為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的0.46875倍。

轉(zhuǎn)子受到的動(dòng)態(tài)激振力是不平衡簡(jiǎn)諧力，激振作用通過油膜以油膜力的形式傳遞到支承結(jié)構(gòu)。圖3給出了油膜的力傳遞率曲線。在低轉(zhuǎn)速區(qū)域 (低于1500 r/min)，不平衡力比較小，振動(dòng)傳遞率相對(duì)較大。隨著轉(zhuǎn)速增加，力傳遞率有所降低，但在一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域出現(xiàn)局部峰值。當(dāng)油膜渦動(dòng)發(fā)生時(shí) (4300～7500 r/min)，轉(zhuǎn)子響應(yīng)和油膜力增大，油膜的力傳遞率顯著增大。在油膜渦動(dòng)/振蕩區(qū)，油膜的力傳遞率大于1，甚至大于共振響應(yīng)區(qū)的力傳遞率。由此可見，油膜渦動(dòng)在引起轉(zhuǎn)子低頻振動(dòng)迅速增大的同時(shí)，還導(dǎo)致轉(zhuǎn)子－支承－基礎(chǔ)系統(tǒng)的力傳遞能力增加。此時(shí)，在軸承座、支承以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)中，除了對(duì)應(yīng)油膜渦動(dòng)的低頻振動(dòng)成分迅速增大外，轉(zhuǎn)動(dòng)部件中存在的其他高頻振動(dòng)如齒輪嚙合、聯(lián)軸器耦合等振動(dòng)向支承和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的傳遞也可能增大，這對(duì)于隔振和降噪是不利的。

圖2 滑動(dòng)軸承處軸頸的三維振動(dòng)譜Fig.2 Waterfall graph of rotor journal at the journal bearing

圖3 滑動(dòng)軸承油膜的力傳遞率曲線Fig.3 Force transmission curve of oil film

軸系結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滑動(dòng)軸承的特性也具有顯著的影響。軸承長(zhǎng)徑比 (λ=L/D)和半徑間隙c是滑動(dòng)軸承的2個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，而潤滑油粘度υ和轉(zhuǎn)子不平衡量Ub也是影響滑動(dòng)軸承自激振動(dòng)特性的重要外界條件，對(duì)上述4個(gè)參數(shù)的影響進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 軸承長(zhǎng)徑比力傳遞率的影響Fig.4 Effects of bearing L/D rate on force transmission

圖5 軸承半徑間隙對(duì)力傳遞率的影響Fig.5 Effects of bearing clearance on force transmission

圖6 潤滑油粘度對(duì)力傳遞率的影響Fig.6 Effects of oil viscosity on force transmission

計(jì)算結(jié)果表明，軸承長(zhǎng)徑比越大，渦動(dòng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速越低，但失穩(wěn)區(qū)變窄，渦動(dòng)區(qū)域的力傳遞率變小(見圖4);而軸承半徑間隙增大會(huì)導(dǎo)致渦動(dòng)失穩(wěn)區(qū)變寬，渦動(dòng)區(qū)內(nèi)力傳遞率增大 (見圖5);潤滑油粘度越大，失穩(wěn)區(qū)越窄，但失穩(wěn)區(qū)內(nèi)油膜力傳遞率大小變化不大 (見圖6);不平衡量增大會(huì)導(dǎo)致不平衡激勵(lì)力和轉(zhuǎn)子振動(dòng)增大，但對(duì)滑動(dòng)軸承油膜力幅值影響較小，因此力傳遞率減小 (見圖7)。

圖7 轉(zhuǎn)子不平衡量對(duì)力傳遞率的影響Fig.7 Effects of rotor unbalance on force transmission

3 結(jié)語

降低旋轉(zhuǎn)部件振動(dòng)向設(shè)備其他部分的傳遞是艦船動(dòng)力機(jī)械設(shè)備減振降噪的基本內(nèi)容之一?；瑒?dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)性能尤其是油膜渦動(dòng)現(xiàn)象對(duì)其振動(dòng)傳遞特性具有顯著影響，因而也會(huì)影響整個(gè)動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)傳遞。在轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，一般會(huì)對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)，即對(duì)油膜渦動(dòng)和振蕩提出限制和要求。但由于軸承加工安裝誤差、負(fù)載甚至隔振系統(tǒng)等諸多因素的影響，機(jī)組在設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速下也常出現(xiàn)油膜渦動(dòng)甚至振蕩現(xiàn)象。因此，必須充分考慮軸系工作狀態(tài)及滑動(dòng)軸承的傳遞特性，以獲得更全面的減振降噪效果。

［1］孫寶蒼，周傳榮.轉(zhuǎn)子－滑動(dòng)軸承非線性行為研究綜述［J］.潤滑與密封，2002，(4):6 －10.

［2］崔穎.非線性多自由度轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)動(dòng)力穩(wěn)定性研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］COPONE G.Descrizione analitica del campo di forze fluidodinamico nei cuscinetti cilindrici lubrificati［J］.L’Energia Elettrica，1991，68(3):105 －110.

［4］LIU Z S，QIAN D S，SUN L Q，et al.Stability analyses of inclined rotor bearing system based on nonlinear oil film force models［J］.Journal of Mechanical Engineering Science，2012，226(2):511 －525.