表面織構對轉子軸承系統穩定性影響的實驗研究

王琳,裴世源,徐華

(西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室, 710049, 西安)

表面織構對轉子軸承系統穩定性影響的實驗研究

王琳,裴世源,徐華

(西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室, 710049, 西安)

為了研究表面織構對高速精密機床支撐滑動軸承系統振動的影響,利用一種在軸頸表面大規模加工表面織構的低成本、高效率的方法,設計并制備了帶有表面織構的轉子。采用無織構和有織構兩種轉子,在供水壓力分別為0.16 MPa、 0.30 MPa及工作轉速分別為2 400 r/min、 4 200 r/min和6 000 r/min的工況下,采用在主軸上附加不平衡質量的方法施加同頻激振力,分別對無織構轉子和有織構轉子的振動進行測試分析。實驗結果表明:在一定供水壓力和轉速條件下,表面織構抑制轉子軸承系統振動的作用變得非常明顯,有織構轉子較無織構轉子的相對振動量下降幅度超過60%,即使在發生水膜振蕩的情況下,表面織構依然可以顯著減小轉子的振動幅值。因此,合理的表面織構設計,可以有效提高徑向滑動軸承支撐的轉子系統的穩定性。

表面織構;轉子軸承系統;振動;穩定性

表面織構是通過一定的加工手段在摩擦副表面制備出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等圖案的點陣[1],它可以改變潤滑表面之間的摩擦學性能。Hamilton等指出,單個凸起的織構,其作用相當于一個小的動壓軸承,可以提高承載力[2]。Etsion等在研究活塞/氣缸系統時發現,具有織構的表面相對于光滑表面可以降低約40%的摩擦力,而在流體靜壓密封中具有織構的表面則可以降低90%的摩擦力[3-4]。

表面織構可以改善摩擦學性能的優點得到了廣泛重視,許多學者投入其中并在理論和實驗研究方面取得了一系列成果。Ronen等發現,在內燃機活塞系統中的織構可以有效提高兩平行平面之間的動壓效果[5]。Wang等研究了水潤滑條件下,不同織構密度的SiC陶瓷表面從動壓潤滑轉換到混合潤滑的極限載荷,發現具有特定形貌織構的表面較光滑表面的極限轉變載荷可以提高20%[6]。Etsion等通過Disk/Disk實驗發現,相對于光滑表面,具有部分織構的表面其摩擦學性能可以得到極大改善,摩擦系數至少降低50%[7]。Dong等分別從理論和實驗兩個方面研究了矩形織構對超高分子量聚乙烯髖臼的摩擦學性能和溫度場分布的影響[8]。Borghi等利用Pin-on-Disk實驗臺在干摩擦和低度潤滑條件下對織構表面和非織構表面進行了對比實驗,發現在低度潤滑條件下,織構表面的摩擦系數可以降低75%,即使在干摩擦條件下,也可以降低10%[9]。也有研究表明,在某些條件下織構化表面的減摩效果并不理想,甚至出現增大摩擦系數的情況[10-11]。

表面織構在軸承方面的應用也受到了關注,Pei等針對大規模多尺度表面織構的流體潤滑問題提出了一種有限細胞算法[12],通過計算對比,驗證了算法的準確性和高效性,顯示了該算法對于求解大規模多尺度問題具有良好的快速求解能力。Brizmer等使用有限差分法求解了全域織構和部分織構表面的Reynolds方程,發現全域織構產生的承載力較小,而部分織構由于累計效應則可以產生較大的承載力[13]。Yu等使用有限差分法研究了織構面積對徑向滑動軸承性能的影響,發現織構可以顯著提高軸承的各項性能指標[14]。張金煜等人在推力滑動軸承表面設計了軸對稱分布的扇形直槽織構[15],考察了軸承的內外徑、轉速、潤滑油黏度、軸承間隙以及扇形直槽的參數對承載力的影響,針對不同約束條件及目標,對扇形直槽進行了優化設計。林起崟等采用速度滑移邊界條件施加在具有微織構的軸承表面[16],分析了織構位置分布、面積大小等參數對軸承摩擦學性能的影響規律。

雖然以上學者的研究都取得了有意義的成果,但是目前關于表面織構摩擦學特性的實驗研究多局限于使用銷(球)盤實驗機和活塞氣缸實驗機等[7,9]進行實驗,線速度較低,潤滑狀態也多集中在邊界潤滑和混合潤滑。現有理論分析多集中于對織構的動壓效應研究,而關于織構對徑向滑動軸承-轉子系統穩定性影響的實驗研究在國內外則尚屬空白。另一方面,為了從實驗方面探索表面織構對徑向轉子軸承系統穩定性的影響,需要將織構加工于軸承或軸頸表面,這屬于曲面加工領域,軸承的潤滑面積大,需要加工的織構數目龐大,同時一套軸承(或轉子)只能加工一種形貌的織構,導致不僅加工難度大,而且成本很高。

本文從織構加工的角度,提出了一種可用于徑向軸承實驗研究的低成本、高效率、可替換的軸頸表面織構制備方法;在不同轉速和供水壓力下,分別使用無織構轉子和有織構轉子進行了一系列實驗,通過對比實驗結果研究了表面織構對徑向轉子軸承系統穩定性的影響。

1 實驗臺

1.1 織構制備

本文設計的織構試樣是由一系列分別在水平和豎直方向上均勻排列的圓形微織構組成,如圖1所示。表面織構的排布通過Protel軟件設計并設置好加工路徑,然后使用電路板雕刻機在銅箔膠帶表面打孔,形成圓形的織構,最后貼于軸頸表面。織構圓坑深度為55μm,微織構直徑d=1 mm,水平方向的間距a和豎直方向的間距b均為3.963 mm,面積率為5%,B和L分別為織構試樣的軸向寬度和周向長度。制備完成的帶有織構的軸頸如圖2所示。

圖1 本文設計的織構幾何參數示意圖

圖2 本文制備的軸頸織構實物圖

1.2 實驗臺結構

圖3為水潤滑徑向轉子軸承系統實驗臺的結構示意圖。實驗臺主要由轉子軸承系統、供水系統、驅動電機系統和數據采集系統等組成。

圖3 實驗臺結構示意圖

實驗臺轉子直徑為50 mm,由2個相同的水潤滑徑向滑動軸承支撐。徑向滑動軸承的內徑為50.213 mm,其結構如圖4所示。軸承安裝在套筒內部并通過軸承座固定在減振基座上,軸承以水作為潤滑介質,高壓水進入實驗臺后分為兩路分別進入前后軸承。實驗臺使用氣浮軸承支撐的驅動電機,電機與實驗主軸之間采用柔性聯軸器。轉子后端通過柔性聯軸器與氣浮直流驅動電機的輸出端相連,通過調節變頻器來控制電機轉速。安裝在夾具上的2個電容式位移傳感器用于測量轉子自由端水平和豎直方向上的振動位移。

圖4 徑向滑動軸承結構示意圖

2 實驗步驟與數據處理

使用無織構和有織構轉子,分別在2種供水壓力p(0.16和0.30 MPa)及3種工作轉速v(2 400、4 200和6 000 r/min)下分別進行實驗。實驗中采用在主軸上附加不平衡質量的方法進行同頻加載。實驗中選取的不平衡質量大小為2.01 g,固定位置的半徑為25mm。當轉速v分別為2 400、4 200和6 000 r/min時,求得施加于軸端的偏心力分別為3.18、9.73和19.86 N。

先對轉子進行無織構實驗:將表面沒有加工圓形微織構的銅箔膠帶貼在轉子軸頸位置處,連接轉子和電機、固定位移傳感器并打開數據采集系統,把不平衡質量塊附加于轉子自由端,在指定供水壓力和轉速下進行一系列實驗并采集轉子的振動位移信號。然后,將無織構的銅箔膠帶替換為有織構的,按照前面的操作順序,對轉子進行有織構實驗。

因實驗環境中電力設備的存在,位移傳感器采集到的轉子振動信號不可避免地會受到電磁干擾,因此在對實驗結果進行分析之前,必須對振動位移信號進行消噪處理。

數據采集系統得到的振動位移信號為

(1)

(2)

式中:x、y分別表示水平和豎直方向上的振動信號;A0、B0分別表示水平和豎直方向上的位移初始值,Ai、Bi為振動幅值;n為采樣數;Δt為采樣時間間隔;ωi為轉動頻率;φi為相位角。

為了消除位移信號中的趨勢項,采用快速傅里葉變換(FFT)進行時頻轉換,由于轉子的振動往往與工作頻率相關,取半頻、同頻和倍頻信號對時域信號進行重構,重構后的信號如下

A2sin(ωnΔt+φ2)+A3sin(2ωωnnΔt+φ3)

(3)

B2sin(ωnΔt+φ2)+B3sin(2ωωnnΔt+φ3)

(4)

3 實驗結果與分析

當供水壓力為0.16 MPa時,在3種轉速(2 400、4 200 和6 000 r/min)條件下,無織構轉子和有織構轉子的實驗結果對比如圖5～圖7所示。

圖5 v=2 400 r/min、p=0.16 MPa時無織構和有織構轉子的軸心軌跡對比圖

從圖5中可以看出,有織構轉子的軸心軌跡只比無織構的略小,說明較低轉速下織構對轉子軸承系統振動的影響有限。這是因為測量的振動位移主要由聯軸器所傳遞的振動和不平衡質量塊所引起的強迫振動組成,在低轉速下,聯軸器所傳遞的振動占主導地位,所以織構對轉子振動影響的效果不明顯。

如圖6所示,在轉速為4 200 r/min、供水壓力為0.16 MPa的工況下,無織構轉子在x、y方向的振動幅值Ax、Ay分別約為7 μm左右,而有織構轉子在x、y方向振動幅值不到2.5μm,相對振動量下降了約64%。這是因為隨著轉速的升高,聯軸器傳遞的振動所占比例減小,不平衡質量引發的振動占主導。實驗結果表明:表面織構對轉子軸承系統具有穩定性提高和抑制振動的作用;雖然全織構表面降低了軸承的承載力[16-17],但也相應增加了偏心率和等效剛度,因此轉子的振動幅值顯著減小。

圖6 v=4 200 r/min、p=0.16 MPa時無織構和有織構轉子的軸心軌跡對比圖

從圖7中可以看到,在轉速為6 000 r/min、供水壓力為0.16 MPa的工況下,無織構轉子在x、y方向的振動幅值分別約為8 μm左右,而有織構轉子在x、y方向振動幅值不超過3 μm,相對振動量下降了約63%。此時,無織構轉子的軸心軌跡已經不是一個橢圓,而變成了大小2個圈疊連的形狀,這說明無織構轉子已經出現了半頻渦動,而有織構轉子的軸心軌跡依然為較規則的橢圓,并沒有明顯的水膜渦動現象出現,說明在表面織構的作用下,轉子軸承系統的穩定性提高了。

圖7 v=6 000 r/min、p=0.16 MPa時無織構和有織構轉子的軸心軌跡對比圖

圖8～圖10為供水壓力在0.3 MPa時,轉速分別為2 400 、4 200 和6 000 r/min工況下的無織構和有織構轉子的軸心軌跡對比圖。從圖中可以看出,3個工況下有織構轉子的振動幅值均明顯比無織構轉子的小,體現了表面織構在抑制振動、提高轉子穩定性方面的優勢。

圖8 v=2 400 r/min、p=0.3 MPa時無織構和有織構轉子的軸心軌跡對比圖

圖9 v=4 200 r/min、p=0.3 MPa時無織構和有織構轉子的軸心軌跡對比圖

圖10 v=6 000 r/min、p=0.3 MPa時無織構和有織構轉子的軸心軌跡對比圖

對比圖5和圖8可以看出,在低供水壓力和低轉速條件下,織構對轉子軸承系統的振幅影響不大。圖7與圖10相比發現,增加供水壓力后,無織構轉子沒有發生半頻渦動,這說明供水壓力是影響實驗轉子軸承系統穩定性的重要因素。

在相同轉速、未發生水膜振蕩的條件下,從不同供水壓力下的結果圖對比中可以發現,高供水壓力下轉子的振幅更大。本文實驗所用軸承為4個方向進水但沒有靜壓腔的徑向軸承,由于水的黏度很低,動壓效果相對較小,因此現有工況下靜壓起主導作用。由于實驗用的徑向軸承沒有靜壓腔,水膜壓力分布在進水孔附近呈尖峰狀分布,梯度變化很大,軸承的穩定性不好,轉子容易發生擾動,因此供水壓力越大,壓力分布的尖峰狀就越明顯,壓力梯度變化也越大,軸承的穩定性也隨之降低,導致轉子振動幅度增大。

4 結 論

本文通過將加工有圓形微織構的銅箔膠帶貼于軸頸表面的方法,得到了帶有表面織構的轉子,從實驗方面研究了表面織構對轉子軸承系統穩定性的影響,得到的結論如下。

(1)在低供水壓力、低轉速條件下,表面織構對轉子軸承系統的振幅影響不大;隨著轉速的增加,織構對轉子軸承系統的振幅影響逐漸增大,表面織構可以顯著提高轉子軸承系統的穩定性,可降低轉子的振幅超過60%,具有明顯的抑振作用。

(2)供水壓力是影響轉子軸承系統穩定性的重要因素。對于本文實驗中使用的徑向軸承而言,相同的轉速條件,高供水壓力下轉子的振幅比低供水壓力下轉子的振幅更大。

(3)在發生水膜振蕩的情況下,表面織構同樣可以顯著減小轉子軸承系統的振動幅值。由于水膜振蕩現象具有突發性,而表面織構可以顯著減小水膜振蕩情況下的振動幅值,因此表面織構在徑向滑動轉子軸承系統中具有重要的應用前景。

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(編輯 管詠梅)

SurfaceTextureInfluenceonRotor-BearingSystemStability

WANG Lin,PEI Shiyuan,XU Hua

(Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System,Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China)

Aiming at engineering application of surface texture in high speed and high precision machine tool bearings, an effective and simple process was conducted to make texture on the journal surface.The surface texture influence on rotor-journal bearing system stability was experimentally investigated.The rotor was excited by the unbalance mass, and the vibration displacements of journals with and without texture were measured and compared under supplied pressures of 0.16 MPa and 0.30 MPa, and at rotating speeds of 2 400 r/min, 4 200 r/min and 6 000 r/min.The experiments reveal that the surface texture slightly affects vibration amplitude in the case of lower supplied pressure and rotating speed, but the surface texture is able to reduce vibration significantly at certain rotating speeds.The supply pressure becomes important for the bearing stability, and the vibration amplitude under higher supplied pressure gets greater than that under lower supplied pressure.However, surface texture restrains rotor-bearing system vibration effectively even if oil whirl arises, and the relative vibration amplitude reduces by 60% in the rotor with surface texture.

surface texture; rotor-bearing system; vibration; stability

10.7652/xjtuxb201403016

2013-07-31。

王琳(1987—),男,博士生;裴世源(通信作者),男,博士,講師。

國家重點基礎研究發展規劃資助項目(2009CB724404,2011CB706601)。

TH117.2

:A

:0253-987X(2014)01-0084-05