滑動軸承油膜的振動傳遞特性

孫 謙，錢大帥，陳 明

(1.海軍裝備部，北京 100071;2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

艦船旋轉機械設備在實際運行時，除了要保證轉軸本身的振動合格外，軸承座、支承結構、基礎以及管路等連接設備的振動也必須符合要求。因此，必須充分考慮轉動部件振動向外部的傳遞作用。

滑動軸承是旋轉機械設備的關鍵支承部件，依靠動壓油膜對旋轉部件進行支承。動壓油膜連接了轉動部件與軸承座，除提供支承所需的剛度和阻尼外，還直接參與軸承內部小間隙流動的耦合振動，是振動傳遞的重要環節。當設備運行時，由轉動部件運轉產生的低頻和高頻振動均通過軸承油膜向軸承座和基礎傳遞。因此，若滑動軸承油膜的振動傳遞能力較強，就必須在旋轉機械設備與基礎之間采用嚴格的隔振措施進行振動隔離，同時對不同工況下滑動軸承油膜振動傳遞能力的變化進行評估和預測。

滑動軸承振動傳遞與油膜的動力學特性密切相關。滑動軸承小間隙流動和復雜流固耦合的動力學性能已經得到較多的研究［1－2］，研究內容主要涵蓋油膜渦動引起的轉子－軸承系統油膜自激振動響應和非線性動力學特性等。本文基于轉子－滑動軸承系統動力學特性的數值分析，對艦船動力機械中滑動軸承油膜的振動傳遞特性進行研究，并考察轉子－軸承系統參數的影響。

1 轉子－軸承系統動力學模型

用圖1中的雙盤轉子－滑動軸承系統，可以對滑動軸承的激勵特性和振動傳遞特性進行研究。轉子用1個滾珠軸承和1個圓柱瓦滑動軸承支承。滾珠軸承的主支承剛度為1.5×107N/m，滑動軸承長度為25 mm，軸頸直徑為25 mm，軸承半徑間隙為140 μm，潤滑油牌號L－TSA32，室溫下該型潤滑油粘度為0.03 Pa·s。

圖1 Bently RK4轉子軸承系統Fig.1 Bently RK4 rotor－bearing system

應用有限元方法進行動力學建模，采用歐拉梁單元對轉子進行離散化，轉子劃分為10段共11個節點，每1個軸段包括2個節點，每個節點考慮平動和轉角共4個自由度。滑動軸承和滾珠軸承位置、輪盤中心位置分別被選為節點。建立系統的質量矩陣、阻尼矩陣、陀螺力矩矩陣和剛度矩陣分別為M，C，J和K，系統不平衡力、滑動軸承油膜力和重力向量分別為 Fun，Fb，G，其中油膜力采用Capone修正短軸承模型［3－4］描述。Capone短軸承模型中油膜力的無量綱表達式為:

設轉子轉速為ω，針對系統位移向量u建立軸系動力學方程為:

2 油膜的振動傳遞特性和參數影響

應用Newmark直接積分法求解動力學方程(2)，到系統響應結果，給出滑動軸承處的振動三維譜圖如圖2所示。轉子－滑動軸承系統的一階臨界轉速位于2150 r/min，在4300 r/min時出現油膜渦動現象，軸系周期運動發生失穩，渦動低頻為轉動頻率的0.46875倍。

轉子受到的動態激振力是不平衡簡諧力，激振作用通過油膜以油膜力的形式傳遞到支承結構。圖3給出了油膜的力傳遞率曲線。在低轉速區域 (低于1500 r/min)，不平衡力比較小，振動傳遞率相對較大。隨著轉速增加，力傳遞率有所降低，但在一階臨界轉速區域出現局部峰值。當油膜渦動發生時 (4300～7500 r/min)，轉子響應和油膜力增大，油膜的力傳遞率顯著增大。在油膜渦動/振蕩區，油膜的力傳遞率大于1，甚至大于共振響應區的力傳遞率。由此可見，油膜渦動在引起轉子低頻振動迅速增大的同時，還導致轉子－支承－基礎系統的力傳遞能力增加。此時，在軸承座、支承以及基礎結構的振動中，除了對應油膜渦動的低頻振動成分迅速增大外，轉動部件中存在的其他高頻振動如齒輪嚙合、聯軸器耦合等振動向支承和基礎結構的傳遞也可能增大，這對于隔振和降噪是不利的。

圖2 滑動軸承處軸頸的三維振動譜Fig.2 Waterfall graph of rotor journal at the journal bearing

圖3 滑動軸承油膜的力傳遞率曲線Fig.3 Force transmission curve of oil film

軸系結構參數對滑動軸承的特性也具有顯著的影響。軸承長徑比 (λ=L/D)和半徑間隙c是滑動軸承的2個關鍵結構參數，而潤滑油粘度υ和轉子不平衡量Ub也是影響滑動軸承自激振動特性的重要外界條件，對上述4個參數的影響進行數值計算，結果如圖4～圖7所示。

圖4 軸承長徑比力傳遞率的影響Fig.4 Effects of bearing L/D rate on force transmission

圖5 軸承半徑間隙對力傳遞率的影響Fig.5 Effects of bearing clearance on force transmission

圖6 潤滑油粘度對力傳遞率的影響Fig.6 Effects of oil viscosity on force transmission

計算結果表明，軸承長徑比越大，渦動失穩轉速越低，但失穩區變窄，渦動區域的力傳遞率變小(見圖4);而軸承半徑間隙增大會導致渦動失穩區變寬，渦動區內力傳遞率增大 (見圖5);潤滑油粘度越大，失穩區越窄，但失穩區內油膜力傳遞率大小變化不大 (見圖6);不平衡量增大會導致不平衡激勵力和轉子振動增大，但對滑動軸承油膜力幅值影響較小，因此力傳遞率減小 (見圖7)。

圖7 轉子不平衡量對力傳遞率的影響Fig.7 Effects of rotor unbalance on force transmission

3 結語

降低旋轉部件振動向設備其他部分的傳遞是艦船動力機械設備減振降噪的基本內容之一。滑動軸承的動力學性能尤其是油膜渦動現象對其振動傳遞特性具有顯著影響，因而也會影響整個動力設備的振動傳遞。在轉子－軸承系統設計過程中，一般會對穩定性進行設計，即對油膜渦動和振蕩提出限制和要求。但由于軸承加工安裝誤差、負載甚至隔振系統等諸多因素的影響，機組在設計工作轉速下也常出現油膜渦動甚至振蕩現象。因此，必須充分考慮軸系工作狀態及滑動軸承的傳遞特性，以獲得更全面的減振降噪效果。

［1］孫寶蒼，周傳榮.轉子－滑動軸承非線性行為研究綜述［J］.潤滑與密封，2002，(4):6 －10.

［2］崔穎.非線性多自由度轉子一軸承系統動力穩定性研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2007.

［3］COPONE G.Descrizione analitica del campo di forze fluidodinamico nei cuscinetti cilindrici lubrificati［J］.L’Energia Elettrica，1991，68(3):105 －110.

［4］LIU Z S，QIAN D S，SUN L Q，et al.Stability analyses of inclined rotor bearing system based on nonlinear oil film force models［J］.Journal of Mechanical Engineering Science，2012，226(2):511 －525.