油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學可視化研究綜述

吳超，尹雪梅，崔曉康，羅國富

(鄭州輕工業(yè)學院機電工程學院，河南鄭州450002)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對旋轉(zhuǎn)機械的要求越來越高，高速、高精度、高負荷一直是旋轉(zhuǎn)機械技術(shù)發(fā)展追求的目標，而油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為大型旋轉(zhuǎn)機械的“心臟”，其性能參數(shù)的計算、設計至關(guān)重要。經(jīng)典的研究方法是:通過對軸承油膜進行線性化處理，用油膜剛度和阻尼來表達油膜的動力特性[1]。由于油膜軸承的動力特性求解比較復雜，很難得到其解析解，常利用計算機編程計算得到其離散值[2]。因Fortran 語言具有強大的計算功能，傳統(tǒng)的油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)計算設計多用Fortran 語言編寫程序，已經(jīng)積累了大量成熟的計算滑動軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能參數(shù)的程序[2－3]。由于Fortran 語言的DOS 字符界面與現(xiàn)有的開發(fā)工具兼容性不好，因而需要對Fortran油膜軸承計算程序加以升級改造以滿足現(xiàn)代程序開發(fā)的要求。一些學者為使Fortran 油膜軸承性能計算程序能夠適應時代的發(fā)展，對其進行了可視化研究。作者對油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學及其可視化進行綜述并展望其發(fā)展。

1 油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學計算綜述

油膜軸承是靠一層薄的油膜來減少軸和軸承之間的摩擦和磨損的，其承載性能和油膜的特性息息相關(guān)。經(jīng)典的計算方法是對Reynolds 方程、油膜厚度方程和熱力學方程聯(lián)合求解得到壓力場和溫度場，然后進行積分得到軸承的線性動、靜特性系數(shù)。幾十年前，研究者在對擠壓油膜阻尼器[4]、可控油膜軸承[5－7]的研究中發(fā)現(xiàn)了大量的非線性現(xiàn)象，并注意到對油膜進行線性化處理的結(jié)果不能解釋這些現(xiàn)象，二者之間存在著本質(zhì)的差別。針對油膜的非線性問題，國內(nèi)外研究者提出了短軸承理論[8－10]、油膜力數(shù)據(jù)庫[11]等計算模型，能很好地解決軸承油膜的非線性問題。焦映厚等[12]分析了各種非線性油膜力模型后指出，當綜合考慮動力學特性、計算精度和計算速度等方面的因素時，油膜力數(shù)據(jù)庫方法應為優(yōu)先采用的模型。

把油膜力模型納入到軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學計算中，一些學者發(fā)展了計算油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學的方法。求解油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學方程最直接的方法是數(shù)值積分。但直接積分不便于研究系統(tǒng)動力學內(nèi)部的分岔及穩(wěn)定性規(guī)律。為方便研究軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)行為規(guī)律，提高計算效率，ADILETTA 等[10]、袁 小 陽 等[13]、SUNDARARAJAN等[14]、李立等人[15]提出了改進的算法，并把這些算法運用到對軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和非線性動力學特性的研究中。這些算法在進行時間積分獲得軸心軌跡時，必須計算多次非線性油膜力，消耗大量的時間。李志剛等[16]提出利用非線性油膜力數(shù)據(jù)庫方法來求解滑動軸承的油膜力，解決了耗時問題。并在此基礎上提出了一套新的關(guān)于多自由度的轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的非線性動力學仿真計算方法，詳細考察了撓性轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)不平衡質(zhì)量大小和分布對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。文獻[17－19]是在非線性油膜力數(shù)據(jù)庫的基礎上，提出了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學的計算新方法。以上計算方法的出現(xiàn)為研究油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可視化提供了強有力的技術(shù)支持。

2 油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學可視化研究綜述

在進行油膜軸承工程計算的過程中，積累了大量Fortran 語言程序，由于Fortran 語言與現(xiàn)有的開發(fā)工具兼容性不好，使用很不方便。為使Fortran 油膜軸承計算程序能夠適應時代的發(fā)展，發(fā)揮其長期理論指導意義，因而有必要對原有和現(xiàn)有Fortran 計算程序加以升級改造以滿足現(xiàn)代程序開發(fā)的需要，可視化的開發(fā)手段無疑是延續(xù)油膜軸承性能計算程序生命力的唯一途徑。

崔曉康等[20]基于VB 和Fortran 語言混合編程的方法，研究滑動軸承的壓力分布和溫度分布。王建梅等[21]對比了VB 調(diào)用Fortran程序的3種方法，說明了使用Fortran 動態(tài)鏈接庫的優(yōu)點，并使用MDI 窗體優(yōu)化了VB 界面，實現(xiàn)了油膜軸承可視化的系統(tǒng)性能計算的應用程序。陽旭等人[22]開發(fā)了基于OpenGL 交互控制的滑動軸承油膜壓力動態(tài)分布三維可視化仿真系統(tǒng)，能實時顯示任意轉(zhuǎn)速、潤滑油黏度、寬徑比等參數(shù)下的油膜壓力動態(tài)分布三維模型。吳剛等人[23]基于短軸承理論，對滑動軸承軸心軌跡的可視化進行了研究。范紅紅等[24]基于OpenGL技術(shù)實現(xiàn)了油膜特性可視化系統(tǒng)的開發(fā)過程，包括油膜厚度、油膜壓力、油膜溫度的分布規(guī)律。郅剛鎖等[25]基于粒子紋理映射的方法，建立了虛擬軸承流場分析系統(tǒng)，可以更深入地研究軸承運行過程中油膜的動態(tài)變化和傳熱機理。王丹丹等[26]基于VC/MFC，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，開發(fā)了常見結(jié)構(gòu)動靜壓滑動軸承設計計算軟件包，可以方便地計算不同結(jié)構(gòu)參數(shù)滑動軸承的靜、動特性系數(shù)并進行結(jié)果分析。這些可視化軟件包的開發(fā)，提高了油膜軸承的設計效率和設計質(zhì)量，為油膜軸承特性的研究提供了新的手段，同時豐富了可視化技術(shù)的應用領(lǐng)域。

3 油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學可視化研究展望

目前，油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可視化研究以油膜軸承的性能研究居多，通過這些可視化軟件能夠得到軸承的壓力場、溫度場以及軸承的動、靜特性參數(shù)，可以方便地進行軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)的設計，但一直沒有涉及到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設計。隨著旋轉(zhuǎn)機械向著高速高精度的方向發(fā)展，要想提高旋轉(zhuǎn)機械的精度，必須考慮油膜軸承的非線性，并把油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為整體來進行研究，也更符合轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的實際運行情況。因此，油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可視化研究，尤其在工業(yè)現(xiàn)場要想有很好的應用，仍需做如下幾個方面的工作:

(1)納入油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性模型，開發(fā)適合于轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)設計計算的三維可視化軟件系統(tǒng)，使軸承特性參數(shù)和轉(zhuǎn)子的振動、運行軌跡等計算結(jié)果在可視化界面顯示，便于現(xiàn)場人員時時了解轉(zhuǎn)子的運行狀態(tài);

(2)基于全局的優(yōu)化設計，除了讓軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)滿足相應的機械要求之外，還應從系統(tǒng)的角度考慮油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，給出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度;

(3)考慮擾動等外界因素對轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性和振動的影響，開發(fā)更人性化的可視化界面，便于操作和交流。

4 結(jié)束語

油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可視化軟件能夠以圖形的方式顯示油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的壓力場、溫度場、軸心軌跡、穩(wěn)定裕度以及其他特性參數(shù)，能指導設計人員預先了解軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，使軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設計過程可視化、智能化、程序化，也方便對轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的設計、改進，從而提高滑動軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及機械產(chǎn)品的設計質(zhì)量和效率，具有很強的實用性。同時也可以為專業(yè)和非專業(yè)用戶提供簡便的滑動軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能分析結(jié)果。

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