油膜軸承－轉子系統動力學可視化研究綜述

吳超，尹雪梅，崔曉康，羅國富

(鄭州輕工業學院機電工程學院，河南鄭州450002)

隨著工業技術的發展，對旋轉機械的要求越來越高，高速、高精度、高負荷一直是旋轉機械技術發展追求的目標，而油膜軸承－轉子系統作為大型旋轉機械的“心臟”，其性能參數的計算、設計至關重要。經典的研究方法是: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，傳統的油膜軸承－轉子系統計算設計多用Fortran 語言編寫程序，已經積累了大量成熟的計算滑動軸承－轉子系統性能參數的程序[2－3]。由于Fortran 語言的DOS 字符界面與現有的開發工具兼容性不好，因而需要對Fortran油膜軸承計算程序加以升級改造以滿足現代程序開發的要求。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展，對其進行了可視化研究。作者對油膜軸承－轉子系統動力學及其可視化進行綜述并展望其發展。

1 油膜軸承－轉子系統動力學計算綜述

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。經典的計算方法是對Reynolds 方程、油膜厚度方程和熱力學方程聯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。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]的研究中發現了大量的非線性現象，并注意到對油膜進行線性化處理的結果不能解釋這些現象，二者之間存在著本質的差別。針對油膜的非線性問題，國內外研究者提出了短軸承理論[8－10]、油膜力數據庫[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，油膜力數據庫方法應為優先采用的模型。

把油膜力模型納入到軸承－轉子系統的非線性動力學計算中，一些學者發展了計算油膜軸承－轉子系統非線性動力學的方法。求解油膜軸承－轉子系統動力學方程最直接的方法是數值積分。但直接積分不便于研究系統動力學內部的分岔及穩定性規律。為方便研究軸承－轉子系統行為規律，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－轉子系統的穩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據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于多自由度的轉子－軸承系統的非線性動力學仿真計算方法，詳細考察了撓性轉子－軸承系統不平衡質量大小和分布對轉子系統穩定性的影響。文獻[17－19]是在非線性油膜力數據庫的基礎上，提出了轉子系統動力學的計算新方法。以上計算方法的出現為研究油膜軸承－轉子系統的可視化提供了強有力的技術支持。

2 油膜軸承－轉子系統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 語言與現有的開發工具兼容性不好，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展，發揮其長期理論指導意義，因而有必要對原有和現有Fortran 計算程序加以升級改造以滿足現代程序開發的需要，可視化的開發手段無疑是延續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 調用Fortran程序的3種方法，說明了使用Fortran 動態鏈接庫的優點，并使用MDI 窗體優化了VB 界面，實現了油膜軸承可視化的系統性能計算的應用程序。陽旭等人[22]開發了基于OpenGL 交互控制的滑動軸承油膜壓力動態分布三維可視化仿真系統，能實時顯示任意轉速、潤滑油黏度、寬徑比等參數下的油膜壓力動態分布三維模型。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技術實現了油膜特性可視化系統的開發過程，包括油膜厚度、油膜壓力、油膜溫度的分布規律。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，可以更深入地研究軸承運行過程中油膜的動態變化和傳熱機理。王丹丹等[26]基于VC/MFC，采用面向對象技術，開發了常見結構動靜壓滑動軸承設計計算軟件包，可以方便地計算不同結構參數滑動軸承的靜、動特性系數并進行結果分析。這些可視化軟件包的開發，提高了油膜軸承的設計效率和設計質量，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的應用領域。

3 油膜軸承－轉子系統動力學可視化研究展望

目前，油膜軸承－轉子系統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，可以方便地進行軸承結構參數的設計，但一直沒有涉及到轉子系統的設計。隨著旋轉機械向著高速高精度的方向發展，要想提高旋轉機械的精度，必須考慮油膜軸承的非線性，并把油膜軸承－轉子系統作為整體來進行研究，也更符合轉子－軸承系統的實際運行情況。因此，油膜軸承－轉子系統可視化研究，尤其在工業現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－轉子系統的非線性模型，開發適合于轉子－軸承系統設計計算的三維可視化軟件系統，使軸承特性參數和轉子的振動、運行軌跡等計算結果在可視化界面顯示，便于現場人員時時了解轉子的運行狀態;

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

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

4 結束語

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

【1】張直明.滑動軸承的流體動力潤滑理論[M].北京:高等教育出版社，1986.

【2】楊沛然.流體潤滑數值分析[M].北京:國防工業出版社，1998.

【3】吳超，王文，陳曉陽，等.推力軸承支承方式及間隙影響研究[J].潤滑與密封，2006，31(5):130－131.

【4】RABINOWITZ M D，HAHN E J.Steady State Performance of Squeeze Film Damper Supported Flexible Rotor[J].Trans ASME，Journal of Engineering Power，1977，99(4):552－558.

【5】高小沖，李運華.基于電液可控擠壓油膜阻尼器的轉子系統振動的主動控制研究[J].機床與液壓，2002(5):11－13.

【6】SUN L，KRODKIEWSKI J M.Experimental Investigation of Dynamic Properties of an Active Journal Bearing[J].Journal of Sound and Vibration，2000，230(5):1103－1117.

【7】吳超，楊春燕，吳溢華，等.主動可控的徑向油膜軸承研究綜述[J].潤滑與密封，2009，34(8):111－113.

【8】TAYLOR R I.Inclusion of Lubricant Shear Thinning in the Short Bearing Approximation [J].Journal of Engineering Tribology，1999，213(1):35－46.

【9】HATTORI H.Dynamic Analysis of a Rotor-journal Bearing System with Large Dynamic Loads (Stiffness and Damping Coefficient Variations in Bearing Oil Film)[J].JSME International，1993，36(2):251－257.

【10】ADILETTA G，GUIDO A R，ROSSI C.Chaotic Motions of a Rigid Rotor in Short Journal Bearings[J].Nonlinear Dynamics，1996，10(3):251－269.

【11】王文，張直明.油葉型軸承非線性油膜力數據庫[J].上海工業大學學報，1993(4):299－305.

【12】焦映厚，李明章，陳照波.不同油膜模型下轉子－圓柱軸承系統的動力學分析[J].哈爾濱大學學報，2007，39(1):46－50.

【13】袁小陽，朱均.多圓盤轉子滑動軸承系統自激振動的計算與分析[J].西安交通大學學報，1997，31(8):80－86.

【14】SUNDARARAJAN P，NOAH S T.Dynamics of Forced Nonlinear Systems Using Shooting/Arc-length Continuation Method-application to Rotor Systems[J].ASME Journal of Vibration and Acoustics，1997，119:9－20.

【15】李立，許慶余，鄭鐵生.非線性轉子－軸承系統瞬態響應求解的分塊直接積分法[J].振動工程學報，1996，9(l):64－68.

【16】李志剛，張直明.多跨轉子－滑支軸承系統非線性動力學仿真[J].自然雜志，l997，l9(A10):76－82.

【17】CHEN Z，JIAO Y，XIA S，et al.An Efficient Calculation Method of Nonlinear Fluid Film Forces in Journal Bearing[J].Tribology Transactions，2002，45(3):324－329.

【18】秦平，沈鉞，徐華，等.考慮進油壓力的滑動軸承非線性油膜力數據庫[J].摩擦學學報，2004，24(3):258－262.

【19】呂延軍，張永芳，于楊冰，等.固定瓦－可傾瓦組合徑向軸承－柔性轉子系統非線性運動分析[J].振動與沖擊，2011，30(5):257－262.

【20】崔曉康，吳超，吳溢華，等.基于VB 和Fortran 語言混合編程的滑動軸承性能分析的可視化研究[J].機床與液壓，2011，39(21):91－93.

【21】王建梅，趙春江，姚建斌，等.油膜軸承可視化性能計算系統的設計及實現[J].太原科技大學學報，2006，27(S1):17－19.

【22】陽旭，王培俊，楊利明，等.滑動軸承三維油膜壓力動態分布可視化研究[J].機械工程與自動化，2010(2):14－16.

【23】吳剛，李濤生，嚴新平.滑動徑向軸承軸心軌跡的可視化及其應用[J].機械科學與技術，2004，23(1):117－119.

【24】范紅紅，張小棟，李單龍.基于OpenGL技術的滑動軸承油膜特性的可視化研究[J].潤滑與密封，2008，33(11):81－83.

【25】郅剛鎖，朱均.油膜流場可視化的實時性研究[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2004，16(1):116－120.

【26】王丹丹，岑少起，郭紅.基于VC/MFC的滑動軸承設計軟件開發[J].煤礦機械，2010，31(4):217－219.