油膜轴承－转子系统动力学可视化研究综述

吴超，尹雪梅，崔晓康，罗国富

(郑州轻工业学院机电工程学院，河南郑州450002)

随着工业技术的发展，对旋转机械的要求越来越高，高速、高精度、高负荷一直是旋转机械技术发展追求的目标，而油膜轴承－转子系统作为大型旋转机械的“心脏”，其性能参数的计算、设计至关重要。经典的研究方法是:通过对轴承油膜进行线性化处理，用油膜刚度和阻尼来表达油膜的动力特性[1]。由于油膜轴承的动力特性求解比较复杂，很难得到其解析解，常利用计算机编程计算得到其离散值[2]。因Fortran 语言具有强大的计算功能，传统的油膜轴承－转子系统计算设计多用Fortran 语言编写程序，已经积累了大量成熟的计算滑动轴承－转子系统性能参数的程序[2－3]。由于Fortran 语言的DOS 字符界面与现有的开发工具兼容性不好，因而需要对Fortran油膜轴承计算程序加以升级改造以满足现代程序开发的要求。一些学者为使Fortran 油膜轴承性能计算程序能够适应时代的发展，对其进行了可视化研究。作者对油膜轴承－转子系统动力学及其可视化进行综述并展望其发展。

1 油膜轴承－转子系统动力学计算综述

油膜轴承是靠一层薄的油膜来减少轴和轴承之间的摩擦和磨损的，其承载性能和油膜的特性息息相关。经典的计算方法是对Reynolds 方程、油膜厚度方程和热力学方程联合求解得到压力场和温度场，然后进行积分得到轴承的线性动、静特性系数。几十年前，研究者在对挤压油膜阻尼器[4]、可控油膜轴承[5－7]的研究中发现了大量的非线性现象，并注意到对油膜进行线性化处理的结果不能解释这些现象，二者之间存在着本质的差别。针对油膜的非线性问题，国内外研究者提出了短轴承理论[8－10]、油膜力数据库[11]等计算模型，能很好地解决轴承油膜的非线性问题。焦映厚等[12]分析了各种非线性油膜力模型后指出，当综合考虑动力学特性、计算精度和计算速度等方面的因素时，油膜力数据库方法应为优先采用的模型。

把油膜力模型纳入到轴承－转子系统的非线性动力学计算中，一些学者发展了计算油膜轴承－转子系统非线性动力学的方法。求解油膜轴承－转子系统动力学方程最直接的方法是数值积分。但直接积分不便于研究系统动力学内部的分岔及稳定性规律。为方便研究轴承－转子系统行为规律，提高计算效率，ADILETTA 等[10]、袁 小 阳 等[13]、SUNDARARAJAN等[14]、李立等人[15]提出了改进的算法，并把这些算法运用到对轴承－转子系统的稳定性和非线性动力学特性的研究中。这些算法在进行时间积分获得轴心轨迹时，必须计算多次非线性油膜力，消耗大量的时间。李志刚等[16]提出利用非线性油膜力数据库方法来求解滑动轴承的油膜力，解决了耗时问题。并在此基础上提出了一套新的关于多自由度的转子－轴承系统的非线性动力学仿真计算方法，详细考察了挠性转子－轴承系统不平衡质量大小和分布对转子系统稳定性的影响。文献[17－19]是在非线性油膜力数据库的基础上，提出了转子系统动力学的计算新方法。以上计算方法的出现为研究油膜轴承－转子系统的可视化提供了强有力的技术支持。

2 油膜轴承－转子系统动力学可视化研究综述

在进行油膜轴承工程计算的过程中，积累了大量Fortran 语言程序，由于Fortran 语言与现有的开发工具兼容性不好，使用很不方便。为使Fortran 油膜轴承计算程序能够适应时代的发展，发挥其长期理论指导意义，因而有必要对原有和现有Fortran 计算程序加以升级改造以满足现代程序开发的需要，可视化的开发手段无疑是延续油膜轴承性能计算程序生命力的唯一途径。

崔晓康等[20]基于VB 和Fortran 语言混合编程的方法，研究滑动轴承的压力分布和温度分布。王建梅等[21]对比了VB 调用Fortran程序的3种方法，说明了使用Fortran 动态链接库的优点，并使用MDI 窗体优化了VB 界面，实现了油膜轴承可视化的系统性能计算的应用程序。阳旭等人[22]开发了基于OpenGL 交互控制的滑动轴承油膜压力动态分布三维可视化仿真系统，能实时显示任意转速、润滑油黏度、宽径比等参数下的油膜压力动态分布三维模型。吴刚等人[23]基于短轴承理论，对滑动轴承轴心轨迹的可视化进行了研究。范红红等[24]基于OpenGL技术实现了油膜特性可视化系统的开发过程，包括油膜厚度、油膜压力、油膜温度的分布规律。郅刚锁等[25]基于粒子纹理映射的方法，建立了虚拟轴承流场分析系统，可以更深入地研究轴承运行过程中油膜的动态变化和传热机理。王丹丹等[26]基于VC/MFC，采用面向对象技术，开发了常见结构动静压滑动轴承设计计算软件包，可以方便地计算不同结构参数滑动轴承的静、动特性系数并进行结果分析。这些可视化软件包的开发，提高了油膜轴承的设计效率和设计质量，为油膜轴承特性的研究提供了新的手段，同时丰富了可视化技术的应用领域。

3 油膜轴承－转子系统动力学可视化研究展望

目前，油膜轴承－转子系统的可视化研究以油膜轴承的性能研究居多，通过这些可视化软件能够得到轴承的压力场、温度场以及轴承的动、静特性参数，可以方便地进行轴承结构参数的设计，但一直没有涉及到转子系统的设计。随着旋转机械向着高速高精度的方向发展，要想提高旋转机械的精度，必须考虑油膜轴承的非线性，并把油膜轴承－转子系统作为整体来进行研究，也更符合转子－轴承系统的实际运行情况。因此，油膜轴承－转子系统可视化研究，尤其在工业现场要想有很好的应用，仍需做如下几个方面的工作:

(1)纳入油膜轴承－转子系统的非线性模型，开发适合于转子－轴承系统设计计算的三维可视化软件系统，使轴承特性参数和转子的振动、运行轨迹等计算结果在可视化界面显示，便于现场人员时时了解转子的运行状态;

(2)基于全局的优化设计，除了让轴承－转子系统满足相应的机械要求之外，还应从系统的角度考虑油膜轴承－转子系统的稳定性和可靠性，给出系统的稳定裕度;

(3)考虑扰动等外界因素对转子－轴承系统稳定性和振动的影响，开发更人性化的可视化界面，便于操作和交流。

4 结束语

油膜轴承－转子系统可视化软件能够以图形的方式显示油膜轴承－转子系统的压力场、温度场、轴心轨迹、稳定裕度以及其他特性参数，能指导设计人员预先了解轴承－转子系统的运行状态，使轴承－转子系统的设计过程可视化、智能化、程序化，也方便对转子－轴承系统的设计、改进，从而提高滑动轴承－转子系统以及机械产品的设计质量和效率，具有很强的实用性。同时也可以为专业和非专业用户提供简便的滑动轴承－转子系统性能分析结果。

【1】张直明.滑动轴承的流体动力润滑理论[M].北京:高等教育出版社，1986.

【2】杨沛然.流体润滑数值分析[M].北京:国防工业出版社，1998.

【3】吴超，王文，陈晓阳，等.推力轴承支承方式及间隙影响研究[J].润滑与密封，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】高小冲，李运华.基于电液可控挤压油膜阻尼器的转子系统振动的主动控制研究[J].机床与液压，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】吴超，杨春燕，吴溢华，等.主动可控的径向油膜轴承研究综述[J].润滑与密封，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，张直明.油叶型轴承非线性油膜力数据库[J].上海工业大学学报，1993(4):299－305.

【12】焦映厚，李明章，陈照波.不同油膜模型下转子－圆柱轴承系统的动力学分析[J].哈尔滨大学学报，2007，39(1):46－50.

【13】袁小阳，朱均.多圆盘转子滑动轴承系统自激振动的计算与分析[J].西安交通大学学报，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，许庆余，郑铁生.非线性转子－轴承系统瞬态响应求解的分块直接积分法[J].振动工程学报，1996，9(l):64－68.

【16】李志刚，张直明.多跨转子－滑支轴承系统非线性动力学仿真[J].自然杂志，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，沈钺，徐华，等.考虑进油压力的滑动轴承非线性油膜力数据库[J].摩擦学学报，2004，24(3):258－262.

【19】吕延军，张永芳，于杨冰，等.固定瓦－可倾瓦组合径向轴承－柔性转子系统非线性运动分析[J].振动与冲击，2011，30(5):257－262.

【20】崔晓康，吴超，吴溢华，等.基于VB 和Fortran 语言混合编程的滑动轴承性能分析的可视化研究[J].机床与液压，2011，39(21):91－93.

【21】王建梅，赵春江，姚建斌，等.油膜轴承可视化性能计算系统的设计及实现[J].太原科技大学学报，2006，27(S1):17－19.

【22】阳旭，王培俊，杨利明，等.滑动轴承三维油膜压力动态分布可视化研究[J].机械工程与自动化，2010(2):14－16.

【23】吴刚，李涛生，严新平.滑动径向轴承轴心轨迹的可视化及其应用[J].机械科学与技术，2004，23(1):117－119.

【24】范红红，张小栋，李单龙.基于OpenGL技术的滑动轴承油膜特性的可视化研究[J].润滑与密封，2008，33(11):81－83.

【25】郅刚锁，朱均.油膜流场可视化的实时性研究[J].计算机辅助设计与图形学学报，2004，16(1):116－120.

【26】王丹丹，岑少起，郭红.基于VC/MFC的滑动轴承设计软件开发[J].煤矿机械，2010，31(4):217－219.