參數(shù)可調(diào)橢圓滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究及抑振機(jī)理*

張 磊，裴世源?，徐 華,

(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， 西安 710049； 2 新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)(2017年8月31日收稿； 2018年1月22日收修改稿)

轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件，在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械向高速、重載和自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子軸承在設(shè)計(jì)或使用上都會(huì)存在局限性，因?yàn)槔碚撋瞎潭ㄍ咻S承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是基于某種特定工作狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)的，然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，其工作狀況可能有所變化，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)可能不同：如發(fā)電機(jī)組會(huì)根據(jù)用電量的不同，調(diào)整其工作載荷；內(nèi)燃機(jī)、壓縮機(jī)等工作轉(zhuǎn)速可能隨時(shí)發(fā)生變化，對(duì)于某一特定參數(shù)的固定瓦軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)無(wú)法適應(yīng)這種時(shí)變的工作狀態(tài)，也不能根據(jù)軸承的實(shí)際工作要求調(diào)整其工作參數(shù)。由此可能會(huì)造成軸承的磨損、軸系的振動(dòng)，縮短軸承的使用壽命，影響轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)抱軸、燒瓦、油膜失穩(wěn)等安全事故。而這些核心設(shè)備一旦損壞，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

對(duì)時(shí)變工況下轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者投入其中并在理論和實(shí)驗(yàn)研究方面取得了一系列成果。Lee等[1]用狀態(tài)空間Newmark有限元瞬態(tài)響應(yīng)分析方法，研究沖擊激勵(lì)作用下轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的響應(yīng)，并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證；Han和Chu[2]研究在周期性擺角運(yùn)動(dòng)下，對(duì)柔性轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定性的影響；劉樹(shù)鵬[3]研究艦船縱橫傾作用下轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，得到搖擺參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響。Dhawan和Verma[4]基于橢圓軸承研究其轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特征，并指出在牛頓流體潤(rùn)滑條件下橢圓軸承擁有更好的使用性能。Schweizer[5-7]研究潤(rùn)滑油溫度、供油壓力和不平衡量對(duì)渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明適當(dāng)?shù)钠臅?huì)提高系統(tǒng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，另外不平衡量引起的同步振動(dòng)和內(nèi)外油膜渦動(dòng)在轉(zhuǎn)速達(dá)到一定范圍相互轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)振幅大幅增加。Prabhakaran等[8]研究在供油量偏少的情況下，橢圓軸承轉(zhuǎn)子的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。Rahmatabadi等[9]在此的基礎(chǔ)上，分析力偶流體對(duì)橢圓軸承動(dòng)特性的影響。陳紅霞等[10]分析偏載條件下橢圓軸承的動(dòng)靜特性。張宏獻(xiàn)等[11]研究橢圓度對(duì)橢圓滑動(dòng)軸承穩(wěn)定性的影響。目前學(xué)術(shù)界對(duì)不同工況下橢圓軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性有了初步的認(rèn)識(shí)，但是針對(duì)利用軸承控制技術(shù)維持轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定的研究工作非常少，還存在很多問(wèn)題。因此，為提高轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)在時(shí)變工況下的穩(wěn)定性和安全性，很有必要針對(duì)參數(shù)可調(diào)橢圓瓦軸承支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行深入分析和研究。

為適應(yīng)時(shí)變工況，維持轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性，經(jīng)研究提出一種參數(shù)可調(diào)橢圓軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裝置，如圖1所示。該裝置包括幾何尺寸可調(diào)的滑動(dòng)軸承支撐結(jié)構(gòu)和檢測(cè)控制系統(tǒng)兩部分。其中幾何尺寸可調(diào)的滑動(dòng)軸承支撐結(jié)構(gòu)分為滑動(dòng)軸承和支撐結(jié)構(gòu)，支撐分為支撐座1和支撐蓋3，二者相對(duì)安裝；軸承安裝在支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部，軸承又分為上下兩瓦，二者相對(duì)安裝，上瓦4固定，下瓦5可以在支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部上下滑動(dòng)。在檢測(cè)控制系統(tǒng)中，位移傳感器7、8安裝在軸承支撐軸頸處，并與狀態(tài)監(jiān)測(cè)控制器相連，控制器可以控制伺服電機(jī)11轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)11帶動(dòng)絲杠2轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠2帶動(dòng)斜鐵9移動(dòng)，斜鐵9的移動(dòng)使軸承下瓦上下滑動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子6的運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)位移傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子6的運(yùn)行信號(hào)，然后將信號(hào)傳遞給智能控制器10，智能控制器10根據(jù)轉(zhuǎn)子信號(hào)做出判斷，控制伺服電機(jī)11轉(zhuǎn)動(dòng)使下瓦5上下滑動(dòng)，從而改變軸承的幾何尺寸來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。該裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀況，通過(guò)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)軸承下瓦的上下滑動(dòng)的距離，對(duì)變化的工況做出判斷，調(diào)整軸承的幾何尺寸，使轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。

1支撐座；2絲杠；3支撐座上蓋；4軸承上瓦；5軸承下瓦；6轉(zhuǎn)子；7和8高精度位移傳感器；9斜鐵；10控制器；11伺服電機(jī)。圖1 一種參數(shù)可調(diào)橢圓軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)裝置Fig.1 Structure of an adjustable elliptical bearing rotor system

在本裝置中，當(dāng)轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)發(fā)生變化，通過(guò)位移傳感器采集信號(hào)，智能控制器對(duì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，如果軸承的工作狀態(tài)和設(shè)計(jì)的狀態(tài)不同，或者轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值過(guò)大時(shí)，控制器就會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，通過(guò)改變軸承的油膜間隙調(diào)整轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)在調(diào)整后將繼續(xù)由傳感器進(jìn)行測(cè)量，若仍未達(dá)到工作要求，控制器將對(duì)軸承參數(shù)做進(jìn)一步的修正，直至滿足工作要求為止。參數(shù)可調(diào)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)運(yùn)用主動(dòng)控制的方法對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在一定程度上減少由于轉(zhuǎn)速、載荷等變化的工況所造成的安全事故隱患。

1 橢圓軸承的設(shè)計(jì)

1.1 橢圓軸承的幾何關(guān)系

“橢圓軸承”中的橢圓不是數(shù)學(xué)上定義的橢圓，它是由圓心不重合的兩個(gè)圓弧組成的，如圖2所示。圖中，O′為軸頸的軸心，O為橢圓軸承的幾何中心，O1O2分別為軸瓦1、2的瓦中心，e為橢圓軸承的偏心距，θ為橢圓軸承的偏位角，e1、e2分別為軸瓦1、軸瓦2的偏心距，e′為預(yù)置偏心距。軸瓦1和軸瓦2的膜厚為：

式中

各軸瓦最小潤(rùn)滑膜厚度

h1min=C-e1,

h2min=C-e2.

橢圓軸承的最小油膜厚度在兩軸瓦最小潤(rùn)滑膜厚度中取較小的一個(gè)。

當(dāng)軸頸中心與軸承幾何中心重合時(shí)，橢圓軸承的半徑間隙最大值(通常也稱為側(cè)隙)為Cmax=Cr(Cr=R-r)；半徑間隙最小值(通常也稱頂隙)為Cmin=C-e′。

定義橢圓度δ為δ=e′/C，頂隙比為ψmin=Cmin/R，側(cè)隙比為ψmax=C/R，則軸承的橢圓度為δ=1-ψmin/ψmax。

1.2 橢圓軸承橢圓度的設(shè)計(jì)

軸承的設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的一環(huán)。設(shè)計(jì)要求橢圓軸承的橢圓度能在盡可能大的范圍內(nèi)變化，本文涉及的下軸瓦可上下活動(dòng)的距離為96 μm，如果軸瓦的上下運(yùn)動(dòng)全部用于軸承橢圓度的調(diào)節(jié)且軸承橢圓度在0.1～0.7之間變化，由于軸承頂隙的變化范圍為96 μm，由以上條件列出如下3個(gè)方程：

Cmin1-Cmin2=96.

聯(lián)立解得Cmax=160 μm，即加工時(shí)孔與軸的配合間隙為160 μm。

由上述方案，頂隙和側(cè)隙分別為：

Cmax=160 μm；Cmin=48～144 μm.

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)計(jì)算得到橢圓軸承的基本參數(shù)，對(duì)于軸承的其他參數(shù)，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)其他部件(如基座、軸等)進(jìn)行初步確定。表1為橢圓軸承的參數(shù)。

表1 橢圓軸承的參數(shù)Table 1 Parameters of elliptical bearing

2 參數(shù)可調(diào)橢圓滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究

2.1 不同橢圓度下滑動(dòng)軸承的動(dòng)力特性

如圖3所示，首先建立轉(zhuǎn)子軸承模型，在轉(zhuǎn)子的兩端安裝參數(shù)可調(diào)橢圓軸承，中間安裝質(zhì)量盤；然后通過(guò)調(diào)節(jié)橢圓度，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)如表2。需要指出的是，模型采用轉(zhuǎn)子自重作為靜載荷計(jì)算轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。

圖3 參數(shù)可調(diào)橢圓滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型Fig.3 Model of an adjustable elliptical bearing rotor system

參數(shù)軸承剛度最大轉(zhuǎn)速/rpm轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度/mm轉(zhuǎn)子直徑/mm質(zhì)量盤直徑/mm質(zhì)量盤厚度/mm楊氏模量/GPa密度/(kg/m3)數(shù)值可變5400135040140302067850

根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2)，建立兩端軸承支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型，有限元模型有8個(gè)梁?jiǎn)卧?個(gè)節(jié)點(diǎn)，18個(gè)自由度(如圖4所示)。軸承分布在第2和第8個(gè)節(jié)點(diǎn)，質(zhì)量盤在第5個(gè)節(jié)點(diǎn)位置。當(dāng)系統(tǒng)的橢圓度改變時(shí)，只需把相應(yīng)橢圓度下的剛度和阻尼矩陣代入到軸承節(jié)點(diǎn)的矩陣中，然后建立對(duì)應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程求解響應(yīng)。

圖4 轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)有限元模型Fig.4 Finite element model of rotor-bearing system

轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程

，

位移響應(yīng)計(jì)算公式

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為位移矩陣；F為載荷矩陣。阻尼矩陣C考慮陀螺效應(yīng)和Rayleigh阻尼矩陣，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)和前兩階固有頻率有關(guān)。F由不平衡力和重力組成。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。

轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近的振動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響，所以很有必要研究轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性。圖5所示是圓軸承支撐時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)加速過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)，隨著轉(zhuǎn)速的增加轉(zhuǎn)子的振幅增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速(約3 200 rpm)附近時(shí)振幅急劇增加，這時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在安全隱患。為減小振動(dòng)幅值，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以在達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速前調(diào)節(jié)油膜間隙，減小振幅。

圖5 轉(zhuǎn)子加速過(guò)程的振幅響應(yīng)Fig.5 Vibration response from rotor system during acceleration process

為減小經(jīng)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子的振幅，需要研究不同橢圓度軸承的動(dòng)力學(xué)特性。下面分別是對(duì)不同橢圓度下，通過(guò)求解非定常工況的雷諾方程得到軸承的靜特性，用小擾動(dòng)法來(lái)求解線性化的剛度和阻尼。根據(jù)第1節(jié)橢圓軸承的設(shè)計(jì)過(guò)程可以得到，當(dāng)軸瓦向上移動(dòng)0.2倍的半徑間隙時(shí)對(duì)應(yīng)的橢圓度為0.2，軸瓦向上移動(dòng)0.7倍的半徑間隙時(shí)對(duì)應(yīng)的橢圓度為0.7，所以軸瓦的位移除以半徑間隙(&/C)，就是橢圓度的數(shù)值。圖6是利用西安交通大學(xué)潤(rùn)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)算的數(shù)據(jù)繪制，該軟件已經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果可靠[12-14]。圖6(a)是橢圓度對(duì)剛度系數(shù)的影響，圖6(b)是橢圓度對(duì)阻尼系數(shù)的影響。其中KXX代表水平方向的剛度，KYY代表垂直方向的剛度；DXX代表水平方向的阻尼，DYY代表垂直方向的阻尼。因?yàn)榻徊鎰偠茸枘嵊?jì)算出來(lái)的數(shù)值很小，比垂直剛度阻尼小2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)動(dòng)力學(xué)計(jì)算幾乎不產(chǎn)生影響，所以忽略不計(jì)。

圖6 橢圓度對(duì)剛度和阻尼系數(shù)的影響Fig.6 Influence of ellipticity on stiffness and damping coefficient

由圖6發(fā)現(xiàn)軸承瓦的位移對(duì)動(dòng)力學(xué)系數(shù)產(chǎn)生很大影響。轉(zhuǎn)速在1 000～5 000 rpm范圍內(nèi)，當(dāng)軸瓦移動(dòng)0.7倍半徑間隙時(shí)，垂直方向剛度幾乎為初始值的2倍，水平方向剛度幾乎不變；垂直方向阻尼增大為初始值的1.5倍，水平方向阻尼增大0.2倍。通過(guò)計(jì)算得到不同橢圓度下軸承剛度和阻尼的變化，為下面的動(dòng)力學(xué)研究提供參考。

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3所示參數(shù)可調(diào)橢圓軸承轉(zhuǎn)子模型，研究不同橢圓度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)圖6軸承剛度阻尼隨橢圓度的變化，把不同橢圓度的剛度和阻尼值分別代入到動(dòng)力學(xué)方程中，利用Runge-Kutta變步長(zhǎng)積分求解動(dòng)力學(xué)方程，得到轉(zhuǎn)子加速過(guò)程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

下面是轉(zhuǎn)子以3 rad/s2的加速度越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)子中間位置和軸承位置加速過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)。圖7,圖8分別是在軸承位置和轉(zhuǎn)子中間位置，不同橢圓度下的振動(dòng)響應(yīng)。

由圖7加速過(guò)程轉(zhuǎn)子響應(yīng)的峰峰值曲線可以得出，轉(zhuǎn)子加速到3 200 rpm左右時(shí)達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速，這時(shí)轉(zhuǎn)子的振幅最大，與圖5圓軸承支撐時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)加速過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)曲線一致。然后由不同橢圓度下計(jì)算的振幅峰峰值曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著橢圓度的增大，轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的振幅減小。在垂直方向，橢圓度為0.1時(shí)，軸頸的振幅為11 μm；隨著橢圓度的增加軸頸的振幅減??；當(dāng)橢圓度為0.7時(shí)，振幅減小到5 μm。在水平方向橢圓度為0.1時(shí)，軸頸的振幅為40 μm；當(dāng)橢圓度為0.7時(shí)，振幅減小到30 μm。軸瓦向上位移越大時(shí)，垂直方向抑制振動(dòng)效果就越明顯，這是由于軸瓦位移越大，油膜壓力變化就越大，導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)系數(shù)變化越大。由于軸瓦是向上移動(dòng)，垂直方向油膜間隙減小，油膜力變化明顯，對(duì)軸頸的抑振作用可以達(dá)到70%以上，水平方向油膜間隙基本不變，所以抑振效果較小。

圖7 轉(zhuǎn)子加速過(guò)程軸承支撐處軸頸的響應(yīng)Fig.7 The response from the journal during acceleration process at different ellipticity values

圖8為轉(zhuǎn)子加速過(guò)程質(zhì)量盤處軸頸的振動(dòng)響應(yīng)，由于質(zhì)量盤安裝在轉(zhuǎn)子中間位置，并且轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速范圍，激發(fā)轉(zhuǎn)子的第一節(jié)陣型，質(zhì)量盤處軸頸振幅最大。從分析結(jié)果可以看出，當(dāng)橢圓度為0.2時(shí)，垂直方向的振幅為2 mm，水平方向的振幅為2.7 mm；橢圓度為0.7時(shí)，垂直方向振幅為0.5 mm，水平方向的振幅為0.47 mm。說(shuō)明通過(guò)調(diào)節(jié)橢圓度可以使轉(zhuǎn)子垂直方向、水平方向的響應(yīng)都明顯減小，并且抑振程度基本相同，都達(dá)到70%以上。

2.3 不同橢圓度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

轉(zhuǎn)速固定為2 000 rpm時(shí)，在不同橢圓度下對(duì)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行全瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到軸承支撐處x，y方向的時(shí)域與頻域響應(yīng)，如圖9所示。

通過(guò)圖9瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，可以得到不同橢圓度下軸頸處的時(shí)域和頻域響應(yīng)。以軸承支撐處軸頸的振動(dòng)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，橢圓度為0.2時(shí)軸頸最大振幅約為6 μm；橢圓度為0.7時(shí)最大振幅約為1 μm;隨著橢圓度的增大，軸頸的振動(dòng)明顯減小，說(shuō)明調(diào)節(jié)橢圓度可以有效地抑制振動(dòng)。并且在不同橢圓度下，軸頸振動(dòng)都較小，軸頸最大振幅6 μm遠(yuǎn)小于間隙圓半徑40 μm，說(shuō)明轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 轉(zhuǎn)子加速過(guò)程質(zhì)量盤處軸頸的響應(yīng)Fig.8 The response from the rotor disk during acceleration process at different ellipticity values

圖9 橢圓瓦軸承支撐轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.9 Transient dynamic response from the rotor supported by elliptical bearing

3 參數(shù)可調(diào)橢圓滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建

下面是具體試驗(yàn)工作，圖10是自主搭建的轉(zhuǎn)子軸承試驗(yàn)臺(tái)。如圖所示，自主搭建的轉(zhuǎn)子軸承試驗(yàn)臺(tái)由轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和其他輔助零部件組成。本試驗(yàn)臺(tái)的全部組成部分都是由課題組自主設(shè)計(jì)并加工安裝，對(duì)每一部分都有足夠了解，有絕對(duì)的控制權(quán)，這樣有助于試驗(yàn)的進(jìn)行，能采集到需要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中位移傳感器分別安裝在軸承支撐處和轉(zhuǎn)子中間位置，測(cè)量軸頸的振動(dòng)，這樣的數(shù)據(jù)采集方案可以測(cè)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(cè)整個(gè)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖10 自主搭建的轉(zhuǎn)子軸承試驗(yàn)臺(tái)Fig.10 View of the experimental layout

3.2 參數(shù)可調(diào)橢圓軸承結(jié)構(gòu)及橢圓度調(diào)節(jié)方法

圖11為參數(shù)可調(diào)橢圓軸承的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和加工后的結(jié)構(gòu)，軸承的上瓦固定，下瓦可以隨著絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)上下滑動(dòng)。絲杠與下瓦之間通過(guò)楔形滑塊連接，通過(guò)楔形滑塊把絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為下瓦的上下滑動(dòng)。楔形滑塊與下瓦接觸的平面的斜度為1∶125，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，帶動(dòng)滑塊移動(dòng)2 mm，并帶動(dòng)軸瓦上下滑動(dòng)16 μm。根據(jù)前面介紹的橢圓度計(jì)算公式可以得到，絲桿每轉(zhuǎn)2圈，對(duì)應(yīng)橢圓度變化0.1。絲杠在原始位置時(shí)，軸承為圓軸承，隨著絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，橢圓度增大，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈時(shí)，橢圓度為0.1，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)14圈時(shí)，橢圓度調(diào)節(jié)到0.7。下面實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程就是按照這種設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)橢圓度的調(diào)節(jié)。

圖11 參數(shù)可調(diào)橢圓軸承結(jié)構(gòu)Fig.11 View and descriptions of the adjustable elliptical bearing

參數(shù)可調(diào)軸承采用渦輪機(jī)油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油從頂端進(jìn)油口注入，先流經(jīng)上瓦，上瓦與下瓦的分割面加工油槽，通過(guò)油槽可以順利流到下瓦，當(dāng)潤(rùn)滑油充滿軸承間隙后從側(cè)面溢出，最后流到軸承座下端的油腔，通過(guò)抽油泵從出油口帶走潤(rùn)滑油。軸承座側(cè)面安裝帶密封環(huán)的端蓋(圖11未安裝)，可調(diào)軸承被封裝在油腔內(nèi)，既可以為軸承提供充足的油量，也不會(huì)讓潤(rùn)滑油溢出。

3.3 試驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)的目的是研究軸承橢圓度和轉(zhuǎn)速等因素對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)際情況，設(shè)定實(shí)驗(yàn)工況，列于表3中。由于轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速附近轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)行造成很大影響，所以試驗(yàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定在臨界轉(zhuǎn)速以外的安全區(qū)域，此時(shí)轉(zhuǎn)子表現(xiàn)為剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

試驗(yàn)步驟

1)將測(cè)量好重量的螺柱和螺母旋入加載圓盤的螺孔中，并記下螺柱和螺母的質(zhì)量和旋入的深度。

2)打開(kāi)計(jì)算機(jī)，連接傳感器，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常運(yùn)行。

表3 試驗(yàn)工況參數(shù)Table 3 Operating parameters of the test

3)打開(kāi)供油泵，開(kāi)始供油，觀察流量計(jì)，當(dāng)供油量達(dá)到要求時(shí)再進(jìn)行下一步操作。

4)調(diào)節(jié)軸承座絲杠，使軸承的初始橢圓度為0.1。

5)打開(kāi)電機(jī)開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)可控硅直流電機(jī)調(diào)速控制裝置，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至1 000 rpm，轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)用非接觸式轉(zhuǎn)速表實(shí)現(xiàn)。

6)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間持續(xù)2 min。

7)再將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至2 000 rpm，采集數(shù)據(jù)。

8)實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉所有電源，注意在關(guān)閉供油泵之前先關(guān)閉電機(jī)電源。

9)將軸承橢圓度分別調(diào)整為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，分別重復(fù)步驟5)、6)、7)、8)。

采樣頻率3 000 Hz，每隔10 s測(cè)一次，每次測(cè)1 s，每個(gè)工況測(cè)2 min，取典型的軸心軌跡分析。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上面介紹的試驗(yàn)步驟，采集不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào)，并繪制出對(duì)應(yīng)的時(shí)域頻域信號(hào)圖(圖12)。從圖中可以觀察到時(shí)域信號(hào)有規(guī)律變化，頻域信號(hào)除轉(zhuǎn)頻外，其他信號(hào)的賦值很小，采集的信號(hào)沒(méi)有雜質(zhì)信號(hào)干擾，可以繪制出清晰的軸心振動(dòng)軌跡。圖13是轉(zhuǎn)速為1 000 rpm時(shí)，不同橢圓度下采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制的軸心軌跡。

圖12 不同橢圓度下采集數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜圖(轉(zhuǎn)速為1 000 rpm)Fig.12 Frequency spectra of acquisitive data signals at different ellipticity values at 1 000 rpm

圖13 不同橢圓度下的軸心軌跡(轉(zhuǎn)速為1 000 rpm)Fig.13 Axis orbits of journal at different ellipticity values at 1 000 rpm

從圖13的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡呈橢圓形，在相同的轉(zhuǎn)速工況下，轉(zhuǎn)子振動(dòng)的振幅隨軸承橢圓度的增加而減?。粓A軸承支撐時(shí)轉(zhuǎn)子的振幅最大，橢圓軸承支撐時(shí)振幅小于圓軸承。當(dāng)橢圓度從0.1，調(diào)節(jié)到0.7時(shí)，軸心軌跡有層次的逐漸減??；當(dāng)橢圓度調(diào)節(jié)到最大值時(shí)，振幅最小，減小程度可以達(dá)到70%以上。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究可以觀察到，對(duì)于剛性轉(zhuǎn)子，通過(guò)調(diào)節(jié)軸承橢圓度，改變油膜間隙，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)明顯減小，說(shuō)明改變橢圓軸承的橢圓度能夠有效地抑制振動(dòng)。并且通過(guò)不同橢圓度下試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比得出抑陣作用可以達(dá)到70%以上，這與前面的理論研究一致，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論

1)軸承橢圓度對(duì)剛度阻尼動(dòng)力學(xué)系數(shù)產(chǎn)生很大影響。參數(shù)可調(diào)橢圓軸承具有調(diào)節(jié)橢圓度特性，通過(guò)調(diào)節(jié)橢圓度改變油膜間隙，可以有效地改變軸承的剛度和阻尼系數(shù)。

2)參數(shù)可調(diào)軸承能有效抑制轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，調(diào)節(jié)橢圓度可以使臨界轉(zhuǎn)速的振幅減小70%，并且水平和垂直方向振幅的減小程度幾乎相同。通過(guò)調(diào)節(jié)軸承橢圓度，改變油膜間隙，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)明顯減小，說(shuō)明改變橢圓軸承的橢圓度能夠有效地抑制振動(dòng)。

3)由于試驗(yàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定在臨界轉(zhuǎn)速以外的區(qū)域，轉(zhuǎn)子表現(xiàn)為剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。當(dāng)橢圓度從0.1調(diào)節(jié)到0.7時(shí)，軸心軌跡有層次的逐漸減小，橢圓度調(diào)節(jié)到最大值時(shí)，振幅最小，減小程度可以達(dá)到70%以上。這與前面的理論計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性。