楊期江, 李偉光, 趙學(xué)智, 郭明軍
(1. 廣州航海學(xué)院 輪機(jī)工程學(xué)院,廣州 510725; 2. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州 510640)
傳統(tǒng)機(jī)械支點(diǎn)可傾瓦軸承通過軸瓦搖動(dòng)或滑動(dòng),實(shí)現(xiàn)軸承剛度與阻尼系數(shù)低交叉耦合。撓性支承可傾瓦軸承(Flexure Pivot Tilt Pad Bearing,F(xiàn)PB)通過撓性支承(如圖1所示),實(shí)現(xiàn)軸瓦支承點(diǎn)的彎扭耦合,達(dá)到相同的低交叉耦合和高穩(wěn)定性,同時(shí)消除了傳統(tǒng)機(jī)械支點(diǎn)的磨損和高接觸應(yīng)力。

圖1 傳統(tǒng)機(jī)械支點(diǎn)與撓性支點(diǎn)Fig.1 Traditional mechanical pivot and flexible pivot
軸承間隙是滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的重要參數(shù),影響軸承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性,臨界轉(zhuǎn)速和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。撓性支承可傾瓦軸承采用電火花技術(shù)加工軸瓦,瓦塊與殼體之間通過撓性梁連接,使其成為一個(gè)整體。這種設(shè)計(jì)消除了瓦塊與殼體的裝配誤差(如圖2所示),支點(diǎn)疲勞,瓦塊卸載的顫振問題等傳統(tǒng)可傾瓦軸承的缺陷。

圖2 傳統(tǒng)機(jī)械支承與撓性支承可傾瓦軸承公差帶Fig.2 Traditional mechanical pivot and flexible pivottilting pad bearing tolerance
國外Armentrout等[1]推出了全新的一體式可傾瓦軸承的設(shè)計(jì),即撓性支點(diǎn)可傾瓦軸承(FPB),相對(duì)與傳統(tǒng)可傾瓦滑動(dòng)軸承(Tilting Pad Journal Bearing, TPJB),它在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方面更具有優(yōu)勢。利用電火花加工(Electrical Discharge Machining, EDM)工藝整體線切割出 FPB撓性支點(diǎn)、軸瓦基體和瓦座。Kepple等[2]報(bào)道第一個(gè)FPB已安裝于1994年,討論了可傾瓦軸承的缺點(diǎn),如支點(diǎn)磨損,設(shè)計(jì),生產(chǎn),安裝和維護(hù)的復(fù)雜性,并將傳統(tǒng)可傾瓦軸承與新的軸承設(shè)計(jì)“撓性支承可傾瓦軸承(FPB)”進(jìn)行比較,提供了FPB應(yīng)用在高速渦輪壓縮機(jī)上所測得的軸承-轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)撓性支承與傳統(tǒng)可傾瓦軸承在穩(wěn)定性方面基本一致。Zeidan[3]討論了存在于所有的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中油膜軸承交叉耦合特性及其對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。接著介紹了之前所廣泛使用可傾瓦軸承的一些問題和缺點(diǎn),并討論用FPB來解決這些問題。Chen等[4]在高速一體齒輪壓縮機(jī)將其與傳統(tǒng)的軸承進(jìn)行比較,并闡述了優(yōu)化設(shè)計(jì)之后FPB的效果,即降低了摩擦損失并具有更寬的工作溫度范圍。De Choudhury等[5]研究了在高速離心壓縮機(jī)上,具有一個(gè)新的徑向和推力軸承撓性支承5瓦可傾瓦軸承和推力軸承系統(tǒng)中的效果。他們的測試顯示出較低的油溫上升,較少的摩擦功率損失。目前該領(lǐng)域發(fā)展的方向:①與擠壓油膜阻尼器串聯(lián)組成全新的阻尼減振滑動(dòng)軸承[6-7];②將該類型結(jié)構(gòu)的軸承應(yīng)用于無油透平機(jī)械-如微型燃?xì)廨啓C(jī),改用空氣作為潤滑劑,大大拓寬了其工作轉(zhuǎn)速與溫度[8];③引入流體靜壓,發(fā)展成為動(dòng)靜壓混合潤滑軸承[9-10]。
國內(nèi)Feng等[11]提出了一種撓性支撐可傾瓦與金屬橡膠串聯(lián)的空氣軸承,建立了理論計(jì)算模型,并對(duì)其阻尼特性進(jìn)行了研究。但目前國內(nèi)在這一領(lǐng)域處于起步時(shí)期,本文從撓性支承可傾瓦軸承的瓦塊與軸頸的動(dòng)力學(xué)特性出發(fā),研究撓性支承可傾瓦軸承頻率縮減動(dòng)力學(xué)模型,提出一種基于PDE工具箱快速求解軸承靜態(tài)以及頻率擾動(dòng)壓力Reynolds方程,考慮可傾瓦軸承的瓦塊自由度,采用Newton-Raphson 迭代法可計(jì)算得到給定載荷和轉(zhuǎn)速工況下的軸承的靜平衡位置的數(shù)值計(jì)算方法。并與國外的最新試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證本文的動(dòng)力學(xué)模型及仿真計(jì)算方法。為該類型軸承在透平渦輪上的應(yīng)用做好理論工作準(zhǔn)備。
潤滑油膜的慣性力,以及熱效應(yīng)影響油膜動(dòng)力及減振特性。本文引入帶慣性項(xiàng)的不可壓縮非定常工況Reynolds 方程[12]
(1)
滑動(dòng)軸承油膜二維偏微分能量方程為[13]

(2)
式中:x為軸承周向坐標(biāo);y為徑向坐標(biāo)(膜厚方向);z為軸承間隙軸向坐標(biāo);h為油膜厚度;μ為滑油動(dòng)力黏度, Pa·s;P為油膜壓力,Pa;t為時(shí)間,s;Θ為周向位置角。
可傾瓦軸承幾何及坐標(biāo)系如圖3所示,x方向?yàn)檩S瓦圓周方向,z方向?yàn)檩S線方向。 全局坐標(biāo)系(X,Y,Z)以軸承中心為原點(diǎn),eX,eY為軸心在X,Y方向上的位移。 瓦塊位置角θ=x/R。

圖3 撓性支承瓦塊坐標(biāo)關(guān)系及支點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移Fig.3 Flexure pivot tilting pad geometry and pivot displacement
圖3中Θl為軸瓦起始邊角度,Θt為軸瓦終止邊角度,Θp為軸瓦支點(diǎn)位置角; 撓性支承可傾瓦軸承支承位置具有柔性,軸頸在旋轉(zhuǎn)過程中,瓦塊在支點(diǎn)處具有擺角(δk), 徑向(ξk)以及切向(ηk)位移。
所有瓦塊油膜力的矢量和必須與軸頸外部載荷(WX,WY)平衡:
(3)
第kth塊瓦運(yùn)動(dòng)方程為
(4)

(5)
油膜力與力矩可分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)部分

(6)
其中靜態(tài)平衡位置(0階)油膜力與力矩為

(7)
式中: {Zαβ}為油膜力動(dòng)剛度系數(shù), 油膜力動(dòng)剛度系數(shù)是可以根據(jù)軸心平衡位置(eX0,eY0)得到

(8)
式中:hx=cosθ,hy=sinθ。

當(dāng)軸頸中心在靜態(tài)平衡(eX0,eY0)處做頻率為ω, 幅值為(ΔeX,ΔeY)的小擾動(dòng)。瓦塊也做同頻小擾動(dòng)。因此軸頸、瓦塊的擾動(dòng)方程可表示為:
eX(t)=eX0+ΔeXeiωt,eY(t)=eY0+ΔeYeiωt,
式中:k表示瓦塊數(shù), 即為:k=1, 2, …,Npad軸瓦油膜厚度與油膜壓力分布都由靜態(tài)域(0階)與擾動(dòng)域(1階)組成,即為
(9)
式中: Δhk=ΔeXcosθ+ΔeYsinθ+Δξkcos(θ-Θp)+(Δηk-RΔδk)sin(θ-Θ), ΔPk=PXΔeX+PYΔeY+PξΔξk+PηΔηk+PδΔδk。
可傾瓦軸承動(dòng)力系數(shù)取決于軸頸與軸瓦平衡位置,以及特定的激振頻率(ω),通常認(rèn)為同步激振頻率(ω=Ω),或者不同步激振頻率(ω<Ω)。軸承的總自由度為2+3Npads即軸頸中心位移沿{X,Y}軸線,為2自由度,另一方面,每塊瓦有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和2個(gè)徑向及切向位移自由度。由此可知,可傾瓦軸承包含了軸頸及軸瓦的耦合運(yùn)動(dòng)。
假設(shè)軸瓦與軸頸做頻率為(ω)的簡諧運(yùn)動(dòng),將式(6)代入式(3)、式(4)中得到頻率縮減的動(dòng)剛度系數(shù)。

(10)





對(duì)于撓性支承軸瓦,將撓性支承軸瓦視作一端固定,一端自由的懸臂梁,而軸瓦本身被視為集中慣量[14],具體如圖4所示。

圖4 撓性支點(diǎn)簡化懸臂梁Fig.4 Cantilever bearm model of a tilting pad with flexural web
(11)
(12)
式中:mp是瓦塊質(zhì)量;ro,p和rr,p是內(nèi)、外瓦塊半徑;ρ為軸承材料的密度;l為瓦塊軸向長度;Larc,p為墊的弧長。
忽略撓性支承的圓角,同理可得撓性支點(diǎn)的壓縮與切向剛度為[14]

(13)
式中:E為材料彈性模量;w為撓性支承寬度;L為軸瓦寬度;h為撓性支承高度。
可傾瓦軸承動(dòng)態(tài)特性的傳統(tǒng)差分法仿真思路多是在給定偏心率的條件下進(jìn)行編程計(jì)算,需經(jīng)過插值方法,曲線擬合出實(shí)際軸承工作轉(zhuǎn)速與載荷下的油膜力以及平衡位置,再調(diào)用擾動(dòng)壓力Reynolds方程計(jì)算程序,進(jìn)而積分得到實(shí)際軸承工作轉(zhuǎn)速與載荷下的動(dòng)力系數(shù)。但此方法過于繁瑣。本文提出采用Newton-Raphson 迭代法可直接計(jì)算得到給定載荷和轉(zhuǎn)速工況下的軸承的靜平衡位置。聯(lián)合Matlab以及Comsol PDE工具包,設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)和循環(huán)迭代算法。最終可獲得平衡狀態(tài)下靜態(tài)特性、縮減動(dòng)力學(xué)系數(shù)。其靜態(tài)平衡位置迭代計(jì)算的基本流程如圖5所示,具體過程如下:

圖5 撓性支承可傾瓦軸承的瓦塊及軸頸中心靜平衡位置迭代算法Fig.5 Flow chart of an algorithm to find the equilibriumposition of the the pads and journal in the flexible-pivottilting pad bearing

(14)
瓦塊擺角平衡位置計(jì)算迭代公式為
(15)

(2) 采用的Newton-Raphson方法對(duì)作用于軸心位置的加載力進(jìn)行平衡迭代計(jì)算,即
F0-W0 (16) 軸心位置的迭代計(jì)算公式為 (17) (18) 徑向位移迭代公式為 (19) 撓性支承可傾瓦軸承動(dòng)力特性仿真計(jì)算流程具體如圖6所示。首先根據(jù)撓性支承可傾瓦的動(dòng)力學(xué)模型,采用PDE數(shù)值計(jì)算非定常工況Reynolds方程及能量方程,根據(jù)圖5所示的平衡位置計(jì)算及本文第5部分的縮減動(dòng)剛度系數(shù)計(jì)算方法,獲得給定工況下的軸心及瓦塊平衡位置與頻率縮減動(dòng)剛度系數(shù),再根據(jù)最小二乘法曲線擬合得到剛度Kij、阻尼Cij和附加質(zhì)量Mij。 圖6 撓性支承可傾瓦軸承動(dòng)力特性仿真計(jì)算流程Fig.6 The flexuret ilting pad bearing support dynamiccharacteristics simulation process 本章采用文獻(xiàn)[16]中的四瓦撓性支承可傾瓦軸承進(jìn)行仿真計(jì)算對(duì)比,具體軸承工況條件如表1所示。 表1 軸承工況條件 其中四瓦撓性支承可傾瓦軸承的參數(shù)具體如表2所示。 表2 軸承參數(shù)表 撓性支承可傾瓦軸承潤滑油牌號(hào)為ISO VG32-透平油,其溫黏方程為 μ(T)=0.045 3e-0.030 07(T-21.11) (20) 軸承動(dòng)力參數(shù)實(shí)驗(yàn)采用倒置式試驗(yàn)臺(tái), 軸承安裝在軸承座內(nèi)部。圖7描繪了軸承油膜八個(gè)線性化剛度和阻尼矩陣模型。 圖7 線性化剛度與阻尼系數(shù)Fig.7 Linearized bearing coefficients 軸承座(質(zhì)量為Ms)運(yùn)動(dòng)方程可以寫為 (21) (22) 式(22)是軸承油膜線性力-位移模型, 動(dòng)力系數(shù)包括剛度Kij、 阻尼Cij和附加質(zhì)量Mij。 Δx、 Δy表示軸頸和軸承座之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移。 將式(21)代入式(22)中,并進(jìn)行傅里葉變換可得 (23) 式(23)左邊為已知測量量, 式中Fx,Fy為輸入激勵(lì)力頻域值;Ax、Ay為軸承座加速度頻域值。因此4個(gè)軸承油膜動(dòng)剛度未知量Hxx、Hxy、Hyx、Hyy可通過式(23)求出。 而軸承油膜動(dòng)剛度與動(dòng)力參數(shù)之間的關(guān)系為: Hij=(Kij-Ω2Mij)+j(ΩCij) Re(Hij)=Kij-Ω2Mij, Im(Hij)=ΩCij 式中: 下標(biāo)i,j表示x,y方向,Ω是激振頻率。因此動(dòng)力參數(shù)(剛度Kij、 阻尼Cij和附加質(zhì)量Mij)可采用最小二乘法對(duì)軸承油膜動(dòng)剛度的實(shí)部與虛部進(jìn)行曲線擬合得出[17]。 根據(jù)圖6的撓性支承可傾瓦軸承動(dòng)力特性仿真計(jì)算流程,采用考慮流體慣性的Reynolds方程,通過建立撓性支承可傾瓦軸承的頻率-縮減動(dòng)力學(xué)模型,得到在不同轉(zhuǎn)速,載荷的工況條件下動(dòng)剛度系數(shù)實(shí)部與虛部的動(dòng)剛度系數(shù)計(jì)算結(jié)果,具體如圖8所示。 轉(zhuǎn)速為10 000 r/min,輕載(348.8 kPa)與重載(1 038.2 kPa)情況下,四瓦撓性支承可傾瓦軸承動(dòng)剛度系數(shù)理論計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比分析如圖7所示。隨著激振頻率的增加,動(dòng)剛度實(shí)部直接項(xiàng)(Re(Hxx)與Re(Hyy))呈二次方下降趨勢,輕載時(shí)曲線下降斜率比重載時(shí)要小,說明重載時(shí)油膜剛性大。隨著激振頻率的增加,動(dòng)剛度實(shí)部交叉項(xiàng)(Re(Hxy)與Re(Hyx))逐漸降低,但降幅較小。隨著激振頻率的增加,動(dòng)剛度虛部直接項(xiàng)(Im(Hxx)與Im(Hyy))呈一次方上升趨勢。輕載時(shí)曲線上升斜率比重載時(shí)要大,說明重載時(shí)油膜阻尼大。隨著激振頻率的增加,動(dòng)剛度虛部交叉項(xiàng)(Im(Hxy)與Im(Hyx))先上升后逐漸降低,但升降幅度十分微小。由此可知?jiǎng)觿偠葘?shí)部直接項(xiàng)(Re(Hxx)與Re(Hyy))理論計(jì)算與試驗(yàn)分析比較接近,但動(dòng)剛度實(shí)部交叉項(xiàng)(Re(Hxy)與Re(Hyx))理論計(jì)算與試驗(yàn)分析結(jié)果有一定的差異。且動(dòng)剛度虛部直接項(xiàng)(Im(Hxy)與Im(Hyx))理論計(jì)算與試驗(yàn)分析理論計(jì)算與試驗(yàn)分析結(jié)果的較吻合,但動(dòng)剛度虛部交叉項(xiàng)(Im(Hxy)與Im(Hyx))理論計(jì)算與試驗(yàn)分析結(jié)果的差異比較明顯。總體上10 000 r/min重載時(shí),四瓦撓性支承可傾瓦軸承動(dòng)剛度實(shí)部直接項(xiàng)(Re(Hxx), Re(Hyy))與虛部直接項(xiàng)(Im(Hxx), Im(Hyy))理論計(jì)算與試驗(yàn)分析結(jié)果更加吻合,主要原因是重載時(shí)油膜厚度比輕載時(shí)油膜厚度小,油膜慣性力影響減小,因此理論計(jì)算更接近于試驗(yàn)結(jié)果。 圖8 10 000 r/min輕載與重載情況下理論動(dòng)剛度與試驗(yàn)動(dòng)剛度隨頻率變化曲線Fig.8 Theoretical and Experimental dynamic stiffnesses versus the excitation frequency at 10 000 r/min and light, high unit load 應(yīng)用本文算法(如圖6所示),采用最小二乘法擬合得到在不同轉(zhuǎn)速,載荷的工況條件下油膜剛度、阻尼與附加質(zhì)量系數(shù)。對(duì)不同轉(zhuǎn)速下剛度、阻尼、附加質(zhì)量系數(shù)隨載荷變化的理論計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[16]中試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比分析具體如圖9、圖10、圖11所示。 (1) 油膜剛度系數(shù) 直接剛度項(xiàng)Kxx與Kyy理論計(jì)算結(jié)果是相等的,隨著載荷(>3.1 kN)增大, 直接剛度項(xiàng)Kxx與Kyy理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果都呈線性增大趨勢;當(dāng)高轉(zhuǎn)速(10 000 r/min與12 000 r/min)與低載荷(<6.16 kN)下理論計(jì)算數(shù)值比試驗(yàn)結(jié)果要低,高轉(zhuǎn)速(10 000 r/min與12 000 r/min)與重載荷(≥6.16 kN)下理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果更加接近,說明高速重載下的直接剛度項(xiàng)Kxx、Kyy本文理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果較吻合; 交叉剛度項(xiàng)Kxy與Kyx在上述工況載荷下理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)分析結(jié)果也都較吻合。 圖9 不同轉(zhuǎn)速下剛度系數(shù)隨載荷變化Fig.9 Stiffness coefficients vs. static loads fordifferent rotor speeds (2) 油膜阻尼系數(shù) 直接阻尼項(xiàng)Cxx與Cyy理論計(jì)算結(jié)果是相等的。隨著載荷(>3.1 kN)增大, 直接阻尼項(xiàng)Cxx與Cyy理論計(jì)算呈線性緩慢增大趨勢。高轉(zhuǎn)速(10 000 r/min與12 000 r/min)與低載荷下(<6.16 kN)理論計(jì)算數(shù)值比試驗(yàn)結(jié)果要低,高轉(zhuǎn)速(10 000 r/min與12 000 r/min)與重載荷下(≥6.16 kN)理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果更接近,如說明高速時(shí), 重載下的直接阻尼項(xiàng)Cxx與Cyy本文理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。 交叉剛度項(xiàng)Cxy與Cyx理論計(jì)算結(jié)果變化不明顯,且在上述工況條件下理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)分析結(jié)果也都較吻合。 (3) 油膜附加質(zhì)量系數(shù) 直接附加質(zhì)量項(xiàng)Mxx與Myy理論計(jì)算結(jié)果是相等的。 直接附加質(zhì)量項(xiàng)Mxx與Myy理論值隨著載荷的增大呈線性增大趨勢,而試驗(yàn)結(jié)果在高轉(zhuǎn)速(10 000 r/min與12 000 r/min)與低載荷(<6.16 kN)下理論計(jì)算數(shù)值比試驗(yàn)結(jié)果要低,高轉(zhuǎn)速(10 000 r/min與12 000 r/min)與重載荷下(≥6.16 kN)理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果更接近,如工況(轉(zhuǎn)速12 000 r/min,輕載3.1 kN)下, 直接質(zhì)量Mxx理論值為21.24 kg, 試驗(yàn)值為25.5 kg, 誤差為16.7%; 工況(轉(zhuǎn)速12 000 r/min,重載荷9.24 kN)下, 直接阻尼Mxx理論值為29.01 kN·s/m,試驗(yàn)值為27.94 kN·s/m,誤差為3.82% ,說明高速時(shí),重載下的直接質(zhì)量項(xiàng)Mxx與Myy本文理論計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。 交叉質(zhì)量項(xiàng)Mxy與Myx理論計(jì)算結(jié)果變化不明顯,且在上述工況條件下理論計(jì)算與試驗(yàn)分析結(jié)果也都較吻合。 圖10 不同轉(zhuǎn)速下阻尼系數(shù)隨載荷變化Fig.10 Damping coefficients vs. static loads in fordifferent rotor speeds 圖11 不同轉(zhuǎn)速下質(zhì)量系數(shù)隨載荷變化Fig.11 Added-mass coefficients vs. static loads in fordifferent rotor speeds (1) 引入帶慣性項(xiàng)的Reynolds方程,考慮動(dòng)壓潤滑油膜溫黏效應(yīng);首先在軸瓦與軸頸作同頻振動(dòng)的假設(shè)的基礎(chǔ)上,根據(jù)瓦塊支點(diǎn)受力的平衡方程,靜平衡位置瓦塊運(yùn)動(dòng)的微分方程等,建立了柔性阻尼支承可傾瓦軸承頻率-縮減動(dòng)力學(xué)模型。 (2) 提出一種撓性支承可傾瓦軸承的靜平衡位置迭代計(jì)算方法,即采用PDE工具箱有限元數(shù)值方法可快速求解軸承非定常工況Reynolds 方程及二維能量方程,將軸承工作載荷和轉(zhuǎn)速作為初始條件,并考慮可傾瓦軸承的瓦塊擺角自由度,通過Newton-Raphson 迭代法可直接計(jì)算得到給定載荷和轉(zhuǎn)速工況下的軸承的靜平衡位置。最終可獲得平衡狀態(tài)動(dòng)力學(xué)系數(shù)。 (3) 采用本文提出的動(dòng)力學(xué)模型及平衡位置迭代計(jì)算方法對(duì)撓性支承可傾瓦軸承進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分析研究,并與相關(guān)文獻(xiàn)的理論及試驗(yàn)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了本文提出的動(dòng)力學(xué)模型,平衡位置迭代算法。


5 算例分析

5.1 撓性支承可傾瓦軸承參數(shù)


5.2 撓性支承可傾瓦軸承動(dòng)力參數(shù)識(shí)別


5.3 油膜動(dòng)剛度系數(shù)

5.4 油膜剛度、阻尼與附加質(zhì)量系數(shù)



6 結(jié) 論