油膜轴承-转子系统动力学可视化研究综述

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Visualization Investigation Review of an Oil Film Bearing-rotor System DynamicsWU Chao，YIN Xuemei，CUI Xiaokang，LU0 Guofu(Mechanical and Electrical Engineering Institute，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou Henan 450002.China)Abstract：Calculation methods of an oil film bearing-rotor system dynamics and its visualization investigation were reviewed。

Visualization research directions of the hydrodynamic beating-rotor dynamics were also pointed out.Visualization software of the rotorsystem can instruct the designer to advance the running status of a bearing-rotor system，and make the designing process of the bear-ing-rotor system visualization，intelligence and routinization，which enhan ces design quality and eficiency of a hydrodynamic bearing- rotor system and mechanical products.Thereby it is highly practica1。

Keywords：Oil film beating-rotor system；Visualization；Dynamics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-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 。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 。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 。 。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。-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-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惩温度场，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 、可控油膜轴承 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 、油膜力数据库 等计算模型，能很好地解决轴承油膜的非线性问题」映厚等 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，-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，收稿日期：2012-01-06基金项目：河南势技攻关计划项目 (122102210122)；郑州轻工业学院博士基金资助项目作者简介：吴超 (1978-)，男，博士，副教授，研究方向为转子 -轴承系统动力学。E-mail：wuchao7379###163.corn。

· 146· 机床与液压 第 41卷ADILETFA等 、袁 小 阳等” 、SUNDARARAJAN等 、李立等人” 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 钊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-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型分布对转子系统稳定性的影响。文献 [17-l9]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-途径。

崔晓康等 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 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 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 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 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 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尝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-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-转子系统的压力尝温度尝轴心轨迹、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，医便对转子-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。