滑动轴承支承下转子系统动力学行为研究

2021-05-18李川江兰鸽王晓亮崔河朱辰哲

中国设备工程 2021年9期

李川江，兰鸽，王晓亮，崔河，朱辰哲

（新疆工程学院，新疆乌鲁木齐 830091）

旋转机械被广泛应用在机械、航空航天、材料等相关领域，国内外研究者对有关旋转机械及其支承做了大量的研究。王永亮等基于滑动轴承对转子系统的动力学行为进行了研究；袁鸿铭等对复杂转子-轴承-汽封的耦合系统做了非线性振动分析；周生通等采用有限元方法，对嵌入式谱系统做了随机不平衡振动分析；梁明轩等对滚动轴承-偏置转子系统涡摆耦合动力学特性研究；文献[6]-[11]以燃气轮机作为研究对象，对其热工况进行了分析；邓晗等对RSS机座做了拓扑优化，对径向结构和稳定性做了相关的研究。研究都是基于转子模型、非线性动力学行为进行研究，本文主要就滚滑动轴承支承的转子系统动力学参数匹配进行研究。

1 动力学模型

对于轴承转子系统而言，可以将其质量简化为一个圆盘居中的Jeffcott转子，轴两端采用滑动轴承支承，滑动轴承又由一个柔性支座来支承，从而构成了一个支承柔性RSS机座轴承转子系统如图1所示）

图1 圆盘对称轴承转子系统简图

其中，xs,ys为柔性支承沿x、y方向位移，ζ,η为轴颈沿x、y方向位移

2 振幅比求解

将转盘视为刚性转盘，有

将转轴视为无质量弹性轴，则对于转轴与滑动轴承，有：

对于柔性RSS支承座有：

运用复数矢量法，令：

上式中，m、k分别为转盘质量和为转轴刚度；ms, ks, ds分别为左边柔性RSS支承座的质量、刚度和阻尼；ρ为质量偏心距；∆Fx、∆Fy分别表示在x、y方向的油膜力增量。

求解得出圆盘振幅比公式：

其中

圆盘最大振幅比为：

3 动力学参数匹配下振幅比研究

3.1 最大振幅比变化规律研究

用参数相同的柔性支承和轴承，在系统动力学参数（转子质量、柔性RSS机座和轴承质量、刚度、阻尼和偏心率）耦合作用下，理论上只有一个最佳匹配点。对于对称转子轴承系统而言，系统中转子的质量、刚度以及柔性RSS机座拓扑优化后的质量、刚度和阻尼可以根据拓扑优化计算而得，如表1所示。

表1 转子和柔性RSS机座参数

根据上述参数，计算动力学参数匹配下圆盘最大振幅比的变化规律，其中图2揭示的是在不同转速下，最大振幅比出现的位置，图3为不同刚度和阻尼参数匹配点的云图轨迹。

图2 动力学参数匹配前后振幅比

图3 刚度和阻尼匹配后系统振幅比云图

图4为在不同的偏心率（偏心率分别为0.1、0.3、0.5）下求最大振幅比的值，可以看出，在四个偏心率值下，随着转速增加，最大振幅比值都经历了从小到大，再从大到小最后达到一个稳定值的过程，偏心率越大，最大振幅比值峰值点变化越明显。

图4 不同偏心率下最大振幅比变化规律

在偏心率为0.1时，最大振幅比的峰值点为1.267,对应的转速值为1666.7r/min；偏心率为0.3时，最大振幅比峰值点和对应的转速值为2.052和1266.7r/min，偏心率为0.5时，最大振幅比峰值点和对应的转速值为8.904和1366.7r/min，随着偏心率增加，最大振幅比值峰值点数值也在增加。

表2 系统最大振幅比峰值点及对应转速

3.2 支承参数匹配轨迹研究

根据图3，在不同的刚度和阻尼互相作用下，会产生不同的最大振幅比值点，在这些最大振幅比值点中选择最小的值，即为最优匹配点，此时对应的支承刚度和阻尼值即为最优匹配支承参数。图5显示的是在最优支承参数匹配下，最佳匹配点轨迹图，从图中可以看出，偏心率小于0.436时，偏心率从0开始增大时，阻尼参数和刚度参数减少，最优匹配点值也随着减少；当偏心率大于0.436时，匹配点发生一次跳跃，然后随着偏心率增大，最优匹配刚度系数和阻尼系数值增大，其所在匹配点也处于跳跃状态，但总体趋势变大。