滑動(dòng)軸承橢圓度對轉(zhuǎn)子加速過程振動(dòng)響應(yīng)的影響

張磊,徐華,2,裴世源

(1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,830047,烏魯木齊)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于存在不平衡,在加速過程中振動(dòng)幅值會發(fā)生變化,表現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性,當(dāng)達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)其轉(zhuǎn)子為柔性系統(tǒng),振動(dòng)幅值非常大,如果沒有采取有效的抑振措施,會對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生極大的危害。傳統(tǒng)的固定瓦軸承是基于某種特定工作狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)的,當(dāng)轉(zhuǎn)速等工況條件改變時(shí),固定瓦軸承無法根據(jù)實(shí)際工況調(diào)節(jié)軸承參數(shù),可能造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)過大、軸承損傷等安全性問題,嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此,為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減小轉(zhuǎn)子的振動(dòng),很有必要提出一種合理有效的抑振方法。

變工況下轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn),為了使旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全穩(wěn)定運(yùn)行,國內(nèi)外學(xué)者提出了很多抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)的方法。例如:Kirk等將動(dòng)力減振器理論應(yīng)用于彈性支承轉(zhuǎn)子,研究了支承彈性和阻尼對單質(zhì)量柔性轉(zhuǎn)子同步響應(yīng)的影響[1];Iwada等采用軸承支撐座的自優(yōu)化理論,研究了基于自優(yōu)化支撐系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制[2];Ishida等提出了不連續(xù)彈簧的概念,利用不連續(xù)彈簧特性抑制旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)[3];Nonami等采用最優(yōu)調(diào)節(jié)器理論,利用主動(dòng)式軸承研究了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的彎曲振動(dòng)控制[4];Reinig等利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的擾動(dòng)調(diào)節(jié)控制器來抑制旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)[5];Nonami等通過變速度反饋法研究了柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性[6];Han等研究了在周期性擺角運(yùn)動(dòng)下柔性轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定性[7];Rohit等基于橢圓軸承研究了其轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特征,指出在牛頓流體潤滑條件下,橢圓軸承具有更好的使用性能[8];劉樹鵬研究了艦船縱橫傾作用下轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,得到了搖擺參數(shù)對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響[9];張宏獻(xiàn)等研究了橢圓度對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[10]。

目前,學(xué)術(shù)界主要通過優(yōu)化的彈性支撐系統(tǒng)和主動(dòng)振動(dòng)控制算法來抑制轉(zhuǎn)子的振動(dòng),這些抑振方法一般是基于液壓系統(tǒng)或者電磁系統(tǒng),并且已經(jīng)取得了一定的成效。本文提出一種基于機(jī)械傳動(dòng)原理的橢圓度可調(diào)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng),將主動(dòng)控制應(yīng)用于流體軸承,可以在不同轉(zhuǎn)速下根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際振動(dòng)情況調(diào)節(jié)軸承橢圓度,通過改變油膜厚度來抑制轉(zhuǎn)子的振動(dòng),使轉(zhuǎn)子加速過程中的振動(dòng)幅值始終在安全范圍內(nèi)。

1 橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)會產(chǎn)生很大的振動(dòng),若振動(dòng)過大將會對機(jī)械結(jié)構(gòu)造成破壞,因此減小臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全運(yùn)行十分重要。

圖1所示是本課題組提出的一種橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裝置。該裝置的軸瓦分為上下兩部分,上軸瓦固定在軸承座上,下軸瓦通過絲杠滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下滑動(dòng)。當(dāng)根據(jù)位移傳感器采集的信號發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的振幅過大時(shí),調(diào)節(jié)絲杠,通過轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠2帶動(dòng)斜鐵8移動(dòng),斜鐵8的移動(dòng)帶動(dòng)軸承下瓦6上下滑動(dòng),從而改變軸承的油膜間隙;軸承下瓦的垂直運(yùn)動(dòng)使油膜的剛度和阻尼特性發(fā)生變化,從而改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,減小轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。

1:支撐座;2:梯形絲杠;3:絲杠軸承;4:支撐座上蓋;5:軸承上瓦;6:軸承下瓦;7:轉(zhuǎn)子;8:斜鐵圖1 橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裝置圖

橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)如圖2所示,軸承上瓦固定,下瓦可以沿著導(dǎo)軌上下滑動(dòng)。當(dāng)軸頸的振動(dòng)情況發(fā)生變化時(shí),通過可移動(dòng)斜鐵的水平滑動(dòng),帶動(dòng)軸承下瓦垂直滑動(dòng),從而改變油膜間隙,影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的標(biāo)高,同時(shí)使軸承的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)發(fā)生變化,最終導(dǎo)致軸承支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生變化。

圖2 橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

為了使橢圓滑動(dòng)軸承具有明顯的抑振作用,設(shè)計(jì)橢圓軸承的油膜間隙有較大的調(diào)節(jié)范圍。軸承下軸瓦可上下移動(dòng)的距離Cmin=48～144 μm,側(cè)隙Cmax=160 μm,根據(jù)橢圓度計(jì)算公式

得到軸承橢圓度的調(diào)節(jié)范圍為0.1～0.7(詳細(xì)設(shè)計(jì)過程將另行撰文)。下面將以橢圓度為調(diào)節(jié)參數(shù),通過調(diào)節(jié)軸承下瓦的移動(dòng)距離,分別在不同的橢圓度下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,最終得到橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。

為了找出合理的調(diào)節(jié)方案來減小轉(zhuǎn)子在加速過程中的振幅,需要研究不同橢圓度下軸承的動(dòng)力學(xué)特性。使用西安交通大學(xué)潤滑理論與軸承研究所研發(fā)的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件DLAP(dynamic lubrication analysis program),計(jì)算不同橢圓度下油膜的剛度和阻尼系數(shù)。該軟件通過小擾動(dòng)法求解非定常工況的雷諾方程得到軸承的動(dòng)力學(xué)特性,并且已經(jīng)經(jīng)過多次驗(yàn)證[11-12],計(jì)算結(jié)果可靠。圖3顯示了橢圓度對剛度系數(shù)的影響,圖4則顯示了橢圓度對阻尼系數(shù)的影響。圖中:Kxx代表水平方向的剛度系數(shù),Kyy代表垂直方向的剛度系數(shù);Dxx代表水平方向的阻尼系數(shù),Dyy代表垂直方向的阻尼系數(shù)。因?yàn)橛?jì)算出來的交叉剛度和阻尼系數(shù)的數(shù)值很小,比垂直剛度和阻尼系數(shù)的值小2個(gè)數(shù)量級,對動(dòng)力學(xué)計(jì)算幾乎不產(chǎn)生影響,所以忽略不計(jì)。

圖3 橢圓度對油膜剛度系數(shù)的影響

圖4 橢圓度對油膜阻尼系數(shù)的影響

由圖3、圖4發(fā)現(xiàn),隨著橢圓度的增大,垂直方向的剛度和阻尼系數(shù)變化明顯,而水平方向的剛度和阻尼系數(shù)變化比較小。這是因?yàn)闄E圓度增大時(shí),軸承下瓦向上移動(dòng),頂隙減小而側(cè)隙不變,必然造成垂直方向的剛度和阻尼系數(shù)有很大變化,而水平方向的剛度和阻尼系數(shù)基本不變。當(dāng)橢圓度增大到0.7時(shí),垂直方向的剛度系數(shù)增大到初始值的2.5倍,水平方向的剛度系數(shù)增大了0.3倍;垂直方向的阻尼系數(shù)增大到初始值的2倍,水平方向的阻尼系數(shù)增大了0.7倍。通過計(jì)算得到不同橢圓度下軸承剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的變化規(guī)律,可以為隨后的動(dòng)力學(xué)研究提供參考。

2 橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析

2.1 轉(zhuǎn)子加速過程的動(dòng)力學(xué)模型

轉(zhuǎn)子加速過程中系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性會發(fā)生很大變化,當(dāng)接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子的振幅會急劇增大,而過大的振動(dòng)會威脅到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的安全運(yùn)行。下面將利用本文提出的橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承,研究在振幅過大時(shí),通過調(diào)節(jié)橢圓度改變油膜間隙來抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)的方法,以提高轉(zhuǎn)子運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖5 圓軸承支撐時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)加速過程的振動(dòng)響應(yīng)

圖5所示是圓軸承支撐時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)加速過程的振動(dòng)響應(yīng),可以看出隨著轉(zhuǎn)速n的增加轉(zhuǎn)子垂直方向的振幅Ay增大,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速附近時(shí)振幅急劇增大,這時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在安全隱患。為了減小振幅,使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行,可以在達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速前通過調(diào)節(jié)油膜間隙來減小振幅。圖5中的虛線表示振動(dòng)的安全閾值,當(dāng)振幅超過虛線后轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可能無法正常運(yùn)行;2條豎實(shí)線中間的區(qū)域就是需要調(diào)整橢圓度以減小振幅的轉(zhuǎn)速區(qū)域。

為了研究橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)加速過程的動(dòng)力學(xué)特性,建立對應(yīng)的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)模型,如圖6所示。在轉(zhuǎn)子的兩端安裝軸承,中間安裝質(zhì)量盤,然后通過調(diào)節(jié)橢圓度來改變軸承的油膜間隙,研究不同橢圓度下轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的參數(shù)如下:最大轉(zhuǎn)速3 000 r/min;轉(zhuǎn)子長度1 350 mm;轉(zhuǎn)子直徑40 mm;質(zhì)量盤直徑230 mm;質(zhì)量盤厚度90 mm;楊氏模量206 GPa;密度7 850 kg/m3。

圖6 橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型

根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立兩端軸承支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型,整個(gè)有限元模型離散為9個(gè)節(jié)點(diǎn),共8個(gè)單元、18個(gè)自由度,如圖7所示,其中M、K、C分別為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣,Q為系統(tǒng)的自由度,F為系統(tǒng)所受的載荷。軸承矩陣分布在第2和第8個(gè)節(jié)點(diǎn)位置,質(zhì)量盤矩陣在第5個(gè)節(jié)點(diǎn)位置。當(dāng)系統(tǒng)的橢圓度改變時(shí),只需要把相應(yīng)橢圓度下的剛度和阻尼代入軸承節(jié)點(diǎn)的矩陣中,然后建立對應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程來求解響應(yīng)。

圖7 動(dòng)力學(xué)矩陣的組裝

轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為

Mq″+Cq′+Kq=F

位移響應(yīng)計(jì)算公式為

q=[-Ω2M+jΩ(ΩG+C)+K]-1·

式中:M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣;q為位移向量;F為載荷矩陣;G為陀螺矩陣;m為轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量;ε為偏心距;Ω為轉(zhuǎn)子的角速度;δ為相位角;Id為轉(zhuǎn)子的慣性矩;Ip為轉(zhuǎn)子的極慣性矩;γ=Ip/Id。阻尼矩陣C考慮了陀螺效應(yīng)和Rayleigh阻尼矩陣,其中Rayleigh阻尼矩陣為M和K的線性組合,即αM+βK,其中α和β是不依賴于頻率的常數(shù),它們與系統(tǒng)的阻尼系數(shù)和前2階固有頻率有關(guān)。F由不平衡力和重力組成。

2.2 不同橢圓度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

利用圖6所示橢圓度可調(diào)軸承-轉(zhuǎn)子模型,研究了不同橢圓度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)圖3、圖4可得到不同橢圓度下軸承的剛度和阻尼值,再把剛度和阻尼值分別代入動(dòng)力學(xué)方程中,然后利用Runge-Kutta變步長積分求解動(dòng)力學(xué)方程,得到轉(zhuǎn)子加速過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

設(shè)轉(zhuǎn)子以1.5 rad/s2的恒定加速度經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速,分別設(shè)置軸承橢圓度為0.1、0.3、0.5和0.7,計(jì)算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)加速過程的振動(dòng)響應(yīng)。圖8、圖9分別是不同橢圓度下轉(zhuǎn)子在中間位置和軸承位置的振動(dòng)響應(yīng)圖,其中Am,x、Am,y分別代表質(zhì)量盤處轉(zhuǎn)子水平方向和垂直方向的振幅,Ab,x、Ab,y分別代表軸承位置轉(zhuǎn)子水平方向和垂直方向的振幅。

(a)水平方向的響應(yīng)

(b)垂直方向的響應(yīng)圖8 轉(zhuǎn)子在質(zhì)量盤處的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

(a)水平方向的響應(yīng)

(b)垂直方向的響應(yīng)圖9 轉(zhuǎn)子在軸承支撐處的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

從圖8可以看出:轉(zhuǎn)子振幅的減小程度與軸承橢圓度有緊密聯(lián)系,經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)橢圓度越小抑振效果越明顯;通過引入橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承,轉(zhuǎn)子經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子盤處的振幅最多可降低36%。

由圖3、圖4可知,橢圓度越小則對應(yīng)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)也越小,因此可以得出結(jié)論:在臨界轉(zhuǎn)速時(shí),較小的剛度和阻尼系數(shù)可以導(dǎo)致更強(qiáng)的振動(dòng)抑制效果。當(dāng)橢圓度從0.7調(diào)到0.1后,垂直方向的振幅從2.25 mm減小到1.45 mm,水平方向的振幅從1.35 mm減小到0.85 mm,水平方向和垂直方向有幾乎相同的抑振效果。

由圖9可知,在橢圓度的調(diào)節(jié)過程中,轉(zhuǎn)子在軸承位置的響應(yīng)幅值沒有出現(xiàn)劇烈的變化,說明在臨界轉(zhuǎn)速時(shí),調(diào)節(jié)橢圓度對軸承位置的振動(dòng)不會產(chǎn)生很大影響,但是在2 000～2 500 r/min范圍內(nèi),轉(zhuǎn)子的振幅有增大的趨勢,大約增大了20 μm,這是因?yàn)檫@個(gè)轉(zhuǎn)速范圍遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子表現(xiàn)為剛性轉(zhuǎn)子,這時(shí)橢圓度減小會增大轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。由此可以得出結(jié)論:在遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速時(shí),可以通過增大滑動(dòng)軸承的橢圓度來抑制轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。

上面的計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子表現(xiàn)為柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng),這時(shí)較小的橢圓度對應(yīng)較小的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù),可產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)抑制作用;當(dāng)轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子表現(xiàn)為剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng),這時(shí)較大的橢圓度對應(yīng)較大的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù),也可產(chǎn)生較好的振動(dòng)抑制效果。

3 橢圓度可調(diào)滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

3.1 設(shè)計(jì)并搭建轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)試驗(yàn)臺

為了驗(yàn)證前面的理論計(jì)算,自主設(shè)計(jì)并搭建了與數(shù)值分析模型完全一致的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)試驗(yàn)臺,圖10是試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)方案及數(shù)據(jù)采集方案。2對位移傳感器成90°分別安裝在軸承支撐處和轉(zhuǎn)子中間位置,采集轉(zhuǎn)子在這2個(gè)位置的水平和垂直方向振動(dòng),這樣的數(shù)據(jù)采集方案可以測量軸承位置的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和轉(zhuǎn)子的最大振幅,實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3.2 軸承結(jié)構(gòu)及橢圓度調(diào)節(jié)方法

圖10 試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)方案及數(shù)據(jù)采集方案

3.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)的目的是研究軸承橢圓度和轉(zhuǎn)速等因素對轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?結(jié)合試驗(yàn)臺的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)試驗(yàn)步驟如下。

首先把橢圓度調(diào)節(jié)為0.1,在30 s內(nèi)轉(zhuǎn)速從0直線加速到2 700 r/min,測量軸承和質(zhì)量盤位置處轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移;然后將橢圓度分別調(diào)至0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7,重復(fù)采集軸頸的振動(dòng)位移;最后在20 s內(nèi)從2 700 r/min直線減速停機(jī)。采樣頻率為3 124 Hz,每隔1 s采集一次,每次采集時(shí)間為1 s,每個(gè)工況采集60 s。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照試驗(yàn)步驟采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),并繪制加速過程中轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移曲線,如圖11、圖12所示。

(a)水平方向的響應(yīng)

(b)垂直方向的響應(yīng)圖11 不同橢圓度下轉(zhuǎn)子在質(zhì)量盤處的振動(dòng)響應(yīng)

由圖11可知,較小的橢圓度具有較強(qiáng)的抑振作用。隨著橢圓度從0.7調(diào)整到0.1,轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)質(zhì)量盤處的振幅顯著減小,在水平方向上從1.4 mm減小到0.96 mm,在垂直方向上從2.2 mm減小到1.5 mm,減幅高達(dá)31.8%,說明轉(zhuǎn)子在經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí),通過調(diào)節(jié)橢圓度可以有效抑制振動(dòng),并且水平方向和垂直方向的抑振效果相同。由圖12可知,通過調(diào)節(jié)橢圓度,軸承支撐處轉(zhuǎn)子的振幅不會出現(xiàn)劇烈變化,隨橢圓度從0.7調(diào)整到0.1,轉(zhuǎn)子經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振幅略有增大。

(a)水平方向的響應(yīng)

(b)垂直方向的響應(yīng)圖12 不同橢圓度下轉(zhuǎn)子在軸承支撐處的振動(dòng)響應(yīng)

試驗(yàn)得到的結(jié)果與前面理論計(jì)算的結(jié)果非常吻合,即當(dāng)轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子表現(xiàn)為柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng),這時(shí)較小的橢圓度可導(dǎo)致較強(qiáng)的抑制振動(dòng)效果,抑振效果可以達(dá)到30%以上,并且水平方向和垂直方向的抑振效果幾乎相同。

理論計(jì)算結(jié)果顯示,在2 000～3 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),減小橢圓度會在軸承位置出現(xiàn)振幅增大的趨勢,與臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的結(jié)果截然相反,說明在遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速的區(qū)域,增大橢圓度可能出現(xiàn)振幅減小的情況。因此,分別在1 000和2 000 r/min固定轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)橢圓度,研究轉(zhuǎn)子的振動(dòng)變化。

在1 000 r/min轉(zhuǎn)速下采集不同橢圓度時(shí)的試驗(yàn)信號,并繪制出對應(yīng)的時(shí)域頻域信號圖,如圖13、圖14所示,其中Ax、Ay分別為轉(zhuǎn)子水平方向和垂直方向的振動(dòng)幅值,A為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)幅值,f為轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻率。從這2個(gè)圖中可以觀察到,時(shí)域信號的變化比較有規(guī)律,頻域信號除了轉(zhuǎn)頻外,其他信號的值很小,采集的信號中沒有干擾信號。

圖15是用轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、不同橢圓度下采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的軸心軌跡。由于篇幅限制,文中只繪制了橢圓度從0.1調(diào)節(jié)到0.7過程的軸心軌跡,但依然可以有效表明橢圓度調(diào)節(jié)過程中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的變化情況。

(a)δ=0.1

(b)δ=0.3

(c)δ=0.5

(d)δ=0.7圖13 不同橢圓度下采集數(shù)據(jù)的時(shí)域信號(轉(zhuǎn)速為1 000 r/min)

(a)δ=0.1 (b)δ=0.3

(c)δ=0.5 (d)δ=0.7圖14 不同橢圓度下采集數(shù)據(jù)的頻域信號(轉(zhuǎn)速為1 000 r/min)

(a)δ=0.1 (b)δ=0.3

(c)δ=0.5 (d)δ=0.7圖15 不同橢圓度下的轉(zhuǎn)子軸心軌跡(轉(zhuǎn)速為2 000 r/min)

從圖15可以看出:轉(zhuǎn)子的軸心軌跡呈橢圓形;在固定轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)子振動(dòng)的幅值隨軸承橢圓度的增大而減小;隨橢圓度從0.1調(diào)節(jié)到0.7,軸心軌跡逐漸減小,減小程度達(dá)到50%以上。

由圖15還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)橢圓度為0.3時(shí),軸心軌跡出現(xiàn)了大圈套小圈的現(xiàn)象。由圖16所示的頻譜分析結(jié)果可以看出,當(dāng)橢圓度調(diào)到0.3時(shí),系統(tǒng)除了因?yàn)橘|(zhì)量不平衡導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子同頻振動(dòng)外,還出現(xiàn)了一個(gè)新的振動(dòng)分量,頻率為轉(zhuǎn)頻的一半。這個(gè)振動(dòng)分量是由滑動(dòng)軸承的油膜渦動(dòng)造成的,圖15中出現(xiàn)的軸心軌跡大圈套小圈即是由于發(fā)生了油膜渦動(dòng)。油膜渦動(dòng)一般不會破壞軸承的正常潤滑,對轉(zhuǎn)子的正常運(yùn)行影響不大,但是它是轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)開始出現(xiàn)失穩(wěn)的前兆。

(a)δ=0.1 (b)δ=0.3

(c)δ=0.5 (d)δ=0.7圖16 不同橢圓度下的轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜分析結(jié)果(轉(zhuǎn)速為2 000 r/min)

由圖16還可以發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)油膜渦動(dòng)后再繼續(xù)增大橢圓度,則同頻振動(dòng)分量和半頻分量都減小,這說明即使出現(xiàn)了油膜渦動(dòng),通過調(diào)節(jié)橢圓度仍然可以有效抑制轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。

4 結(jié) 論

(1)滑動(dòng)軸承的橢圓度對剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)影響很大。轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)在升速過程中,通過調(diào)節(jié)橢圓度改變油膜間隙,可以有效地改變轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性;合理地調(diào)節(jié)橢圓度,能夠提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)減小滑動(dòng)軸承的橢圓度可以抑制臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的振動(dòng)。在經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí),轉(zhuǎn)子屬性表現(xiàn)為柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng),這時(shí)通過減小橢圓度來增大油膜間隙,能有效地抑制轉(zhuǎn)子的振動(dòng),抑振效果可以達(dá)到30%以上,并且水平和垂直方向的抑振作用幾乎相同。

(3)增大滑動(dòng)軸承的橢圓度可以抑制臨界轉(zhuǎn)速以外區(qū)域的振動(dòng)。在遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速的區(qū)域,轉(zhuǎn)子屬性表現(xiàn)為剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng),這時(shí)通過增大橢圓度來減小油膜間隙,同樣能有效地抑制轉(zhuǎn)子的振動(dòng),抑振效果可以達(dá)到50%以上,并且即使出現(xiàn)油膜渦動(dòng),增大橢圓度仍然可以有效減小轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。