柔性支承結(jié)構(gòu)對可傾瓦軸承穩(wěn)定性的影響*

秦 鑫 王小靜 黃光耀 邱正茂

(上海大學機電工程與自動化學院 上海 200444)

傳統(tǒng)剛性支撐的可傾瓦軸承雖具有高穩(wěn)定性的優(yōu)點[1-2]，但也存在著支點處應力集中、阻尼低等缺陷[3]。近幾年來隨著技術的快速進步，實現(xiàn)高速、高載荷、高穩(wěn)定性成為旋轉(zhuǎn)設備的發(fā)展目標，對可傾瓦軸承的阻尼減振能力也提出了更高的要求。

針對上述問題，ZHANG等[4]實驗研究了彈性支點支承可傾瓦軸承的軸瓦溫度和油膜厚度的變化。 SUH等[5]采用有限元法分析了柔性支承可傾瓦軸承的動態(tài)行為以及油膜力。KIM等[6]分析預測了柔性梁式鉸鏈支點可傾瓦軸承轉(zhuǎn)子動力學性能。陳淑江等[7]采用有限差分法及牛頓迭代法，研究了柔性鉸鏈可傾瓦軸承中柔性鉸鏈的旋轉(zhuǎn)剛度對軸承的動靜態(tài)性能的影響規(guī)律。陳朱杰、劉思涌等[8-9]設計制備了支點彈性、阻尼特性可傾瓦軸承，并通過理論計算模擬與試驗分析對新型軸承的動力特性進行了研究，證明可以有效提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性。熊文濤[10]設計了柔性鉸鏈可傾瓦軸承并進行了動靜態(tài)特性的研究。DANG等[11]研究了支點剛度對搖臂支點和球面支點可傾瓦軸承的影響，結(jié)果表明支點剛度對軸心軌跡和軸承動特性參數(shù)影響顯著。JIN、SHI等[12-13]提出了一種可以實現(xiàn)自適應預緊的可調(diào)支點可傾瓦軸承并分析了支點剛度對非線性動態(tài)性能的影響。SHI等[14]提出了一種基于近場聲懸浮的新型柔性支點可傾瓦空氣軸承，理論和實驗結(jié)果證明此軸承可以調(diào)節(jié)軸心軌跡以及降低振動幅值。ABBASI等[15]應用自適應剛度的懸架系統(tǒng)實現(xiàn)了高速剛性轉(zhuǎn)子-可傾瓦軸承的振動控制。

上述研究表明，柔性鉸鏈可傾瓦軸承雖保證了軸瓦在圓周方向上的柔性擺動，但在徑向方向上阻尼仍然較低；而液壓、支點剛度可調(diào)等可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)復雜，需要外接設備，具有一定的安裝誤差。本文作者基于以上研究，將普通可傾瓦軸承傳統(tǒng)的剛性支點改進為由彈簧支承的柔性支點，在自適應調(diào)節(jié)軸瓦擺角的同時提高了軸承的徑向阻尼特性。相較于其他柔性支承結(jié)構(gòu)，彈簧支承可傾瓦軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、一體化程度高、無需額外的輔助設備等優(yōu)點。文中通過線切割工藝設計制備了一體式的單層彈簧結(jié)構(gòu)以及雙層彈簧結(jié)構(gòu)支承的可傾瓦軸承，并開展了實驗研究，以驗證2種新型彈簧支承可傾瓦軸承在提高轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的作用。

1 實驗部分

1.1 實驗軸承

為了驗證柔性可傾瓦軸承的減振性能，制備了3種不同類型的可傾瓦軸承，分別是普通可傾瓦軸承，單層彈簧以及雙層彈簧柔性支承可傾瓦軸承，如圖1所示。3種軸承均采用線切割工藝加工成一體化的結(jié)構(gòu)，大大降低了結(jié)構(gòu)的復雜性，同時彈簧支承的柔性支承結(jié)構(gòu)可以自適應地調(diào)節(jié)軸瓦的徑向浮動以及周向擺動，從而達到提高穩(wěn)定性的目的。軸承的一些重要參數(shù)如表1所示。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Bearing structure：(a)ordinary bearing；(b)single- layer spring bearing；(c)double-layer spring bearing

表1 軸承參數(shù)Table 1 The parameters of bearings

1.2 轉(zhuǎn)子試驗臺

為了測試轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的振動水平和穩(wěn)定性，搭建了可傾瓦轉(zhuǎn)子-軸承實驗臺，如圖2所示。雙盤轉(zhuǎn)子由電主軸通過柔性聯(lián)軸器驅(qū)動，并對稱布置于2個實驗軸承上，其重要參數(shù)如表2所示。潤滑油由供油系統(tǒng)以穩(wěn)定的流量和壓力供給測試系統(tǒng)，供油系統(tǒng)由油站和供油管路組成。當轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)時，在軸瓦內(nèi)表面與軸頸表面會形成一層動壓油膜，產(chǎn)生油膜力與負載平衡。2個電渦流位移傳感器(型號：TR81 810503；靈敏度：5 V/mm)呈90°分別安裝于轉(zhuǎn)盤的豎直方向和水平方向，實時檢測轉(zhuǎn)盤的位移，位移信號由信號采集卡B&K采集。3種測試軸承均采用ISO-VG32級透平潤滑油潤滑，供油壓力0.1 MPa，通過供油管路將潤滑油從軸承座的頂部供給軸承。

圖2 轉(zhuǎn)子-軸承實驗臺Fig.2 Bearing-rotor test rig

表2 雙盤轉(zhuǎn)子參數(shù)Table 2 The parameters of double disk rotor

2 結(jié)果和分析

2.1 升速響應分析

計算得到的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速約為5 000 r/min，因此，升速實驗將轉(zhuǎn)子在32 s內(nèi)升速到6 000 r/min，可以比較全面地觀察到轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的振動響應。3種軸承支承時轉(zhuǎn)盤處的實驗升速響應的結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)盤位移幅值隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，在轉(zhuǎn)速升速到臨界轉(zhuǎn)速(共振區(qū))時達到最大值，越過臨界轉(zhuǎn)速后又呈下降趨勢；柔性支承可傾瓦軸承的穩(wěn)定性相對于剛性支承軸承有所提高。其中，單層彈簧結(jié)構(gòu)在共振區(qū)以及共振區(qū)之上，能夠有效地降低振幅；雙層彈簧結(jié)構(gòu)的減振效果最為明顯，大大提高了臨界轉(zhuǎn)速處的穩(wěn)定性。這是由于轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)中會將振動通過油膜傳遞到軸瓦，而彈簧結(jié)構(gòu)通過自身的伸縮消耗了傳遞到軸瓦的振動能量，削弱了傳遞力，導致了振幅的下降。在低速階段轉(zhuǎn)子的振動較低，彈簧結(jié)構(gòu)吸振減振效果不明顯，但在臨界轉(zhuǎn)速附近達到了轉(zhuǎn)子的共振區(qū)，彈簧結(jié)構(gòu)在受到強迫振動后會自適應地調(diào)節(jié)軸瓦的徑向位置，以提高穩(wěn)定性。其中，由于雙層彈簧結(jié)構(gòu)伸縮的裕度較大，通過兩層彈簧的串聯(lián)作用削弱傳遞力的效率較高，大大削弱了共振區(qū)以及高轉(zhuǎn)速處的振動。

圖3 不同結(jié)構(gòu)軸承的升速響應Fig.3 The acceleration process of the bearings with different structures：(a)ordinary bearing；(b)single-layer spring bearing；(c)double-layer spring bearing

連續(xù)小波變換(CWT)具有構(gòu)建信號時頻表示的能力，提供了很好的時頻局部化[16]，其中譜圖的顏色表示振動信號在時頻域的能量分布。圖4顯示了3種軸承升速信號的連續(xù)小波變換，可以看出，柔性支承可傾瓦軸承除了能夠降低一倍頻振動，還能夠降低由聯(lián)軸器、軸承不對中等故障引起的三倍頻分量，由于普通可傾瓦軸承為剛性支承，對不平衡、不對中故障的容許度較低，當發(fā)生這些故障時會出現(xiàn)倍頻的振動分量。而彈簧結(jié)構(gòu)能夠自適應地調(diào)節(jié)軸瓦的徑向位移，即使發(fā)生不對中等故障也能通過彈簧的伸縮保證轉(zhuǎn)子的正常運行。其中雙層彈簧結(jié)構(gòu)在徑向方向上允許變形的裕度大大增加，對不平衡不對中等故障的容許度較高，幾乎消除了三倍頻的振動分量和非線性流體膜力產(chǎn)生的影響，減振的效果最為明顯。

圖4 不同結(jié)構(gòu)軸承升速信號的連續(xù)小波變換Fig.4 Continuous wavelet transform of acceleration signal of the bearings with different structures： (a)ordinary bearing；(b)single-layer spring bearing；(c)double-layer spring bearing

2.2 瀑布圖分析

為了分析轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的響應，對3種軸承0～6 000 r/min下每隔500 r/min進行了穩(wěn)態(tài)實驗研究，并繪制了轉(zhuǎn)盤處位移信號的瀑布圖(如圖5所示)，從而可以比較快捷地分析整個頻譜以及全轉(zhuǎn)速下的幅值響應?？梢钥闯觯啾扔趧傂灾С休S承，單層彈簧軸承在一定程度上降低了一倍頻的峰值振幅，尤其在高速時最為明顯。在此基礎上，雙層彈簧軸承進一步降低了振動幅值，在全轉(zhuǎn)速下均能有效地提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。另外，由圖5可以看出，普通可傾瓦軸承的一階臨界轉(zhuǎn)速約為5 000 r/min，單層彈簧支承可傾瓦軸承的一階臨界轉(zhuǎn)速約為4 300 r/min，雙層彈簧支承可傾瓦軸承的一階臨界轉(zhuǎn)速約為4 000 r/min，這是由于彈簧結(jié)構(gòu)降低了綜合支承剛度，導致系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速有所下降。

圖5 不同結(jié)構(gòu)軸承位移信號的瀑布圖Fig.5 The waterfall figure of displacement signals of the bearings with different structures： (a)ordinary bearing；(b)single-layer spring bearing；(c)double-layer spring bearing

為了驗證臨界轉(zhuǎn)速的實驗結(jié)果，采用MADYN 2000轉(zhuǎn)子動力學計算軟件對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)進行模態(tài)分析，轉(zhuǎn)子模型如圖6所示。對普通可傾瓦軸承進行分析，得到坎貝爾圖的計算結(jié)果如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型Fig.6 Rotor system model

圖7 普通可傾瓦軸承坎貝爾圖Fig.7 Campbell diagram of ordinary bearing

由圖7可以看出，一階臨界轉(zhuǎn)速為5 040.5 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為30 055.8 r/min。同樣可計算得另外2種柔性支承下轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，如表3所示?？梢钥闯?，計算結(jié)果和實驗結(jié)果相近，誤差均在3%以內(nèi)。理論和實驗結(jié)果表明，彈簧結(jié)構(gòu)可以在一定程度上調(diào)節(jié)系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，使其遠離工作轉(zhuǎn)速，有利于工程應用。

表3 不同結(jié)構(gòu)軸承一階臨界轉(zhuǎn)速的計算值和實驗值比較Table 3 Comparison between calculated and experimental values of the first critical speed of bearings with different structures

2.3 軸心軌跡分析

為了進一步研究不同軸承結(jié)構(gòu)在特定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定性，繪制了3種軸承臨界轉(zhuǎn)速時的軸心軌跡(如圖8所示)，以分析振動最大時轉(zhuǎn)子在各個方向上的運行狀態(tài)。可以看出，在臨界轉(zhuǎn)速附近，彈簧支承柔性可傾瓦軸承的軸心軌跡面積有不同程度的降低，同樣是由于彈簧結(jié)構(gòu)通過伸縮自適應調(diào)節(jié)軸瓦徑向位移的能力大大削弱了轉(zhuǎn)子的振動能量，其中，雙層彈簧支承的可傾瓦軸承在內(nèi)外兩層彈簧的串聯(lián)作用下削弱臨界處強迫振動的效果最好，大大減小了軸心軌跡面積，提高了臨界轉(zhuǎn)速處的穩(wěn)定性，有利于降低由于振動產(chǎn)生的各種故障，提高使用壽命。

圖8 不同結(jié)構(gòu)軸承臨界轉(zhuǎn)速處軸心軌跡Fig.8 Axis center trajectory at critical speed of the bearings with different structures

3 結(jié)論

(1)升速響應信號分析表明，相比普通可傾瓦軸承，單層彈簧軸承在共振區(qū)以及共振區(qū)以上轉(zhuǎn)速能夠較好地降低轉(zhuǎn)子振動幅值，雙層彈簧軸承在升速過程中運行平穩(wěn)，穩(wěn)定性最好。升速信號的希爾伯特黃變換結(jié)果表明，彈簧結(jié)構(gòu)除了可以降低軸系的基頻振動，對三倍頻的振動也有較好的抑制作用，可以有效地消除非線性流體膜力產(chǎn)生的影響，降低聯(lián)軸器、軸承不對中等故障帶來的影響。

(2)0～6 000 r/min的瀑布圖分析表明，柔性支承軸承能夠有效降低轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的振動水平，并且由于支承剛度的下降，降低了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，通過合理的設計可以調(diào)節(jié)臨界轉(zhuǎn)速遠離工作轉(zhuǎn)速，有利于工程應用。

(3)臨界轉(zhuǎn)速處的軸心軌跡分析表明，彈簧結(jié)構(gòu)大大減小了系統(tǒng)在共振區(qū)的軌跡面積，有利于降低由于振動產(chǎn)生的各種故障，提高使用壽命。