两种油叶布置方式对四油叶滑动轴承动特性的影响

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第31卷 第5期2013年 l0月轻工机械Light Industry M achineryVol 31 No．50ct．2013[研究 ·设计] DOI：10．3969／j．issn．1005—2895．2013．05．007两种油叶布置方式对四油叶滑动轴承动特性的影响杨晓锋 ，徐静霞 ，钱小东 ，盛颂恩(1．浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014；2．杭州中能汽轮动力有限公司，浙江 杭州 310018)摘 要：为了研究油叶布置方式对四油叶滑动轴承动特性及转子动力性能的影响，文中运用有限差分法，分别计算 了不同参数下四油叶滑动轴承采用两种不同油叶布置方式时的 8个动特性 系数，并将两种方式下的动特性进行了比较．、结果表明，两种方式下的轴承动特性系数在偏心率较小时非常接近，在偏心率较大时相差较大。

关 键 词：四油叶滑动轴承；油叶布置方式；动特性 ；有限差分法中图分类号：TH133．31 文献标志码：A 文章编号：1005—2895(2013)05—0026-05Effects of Two M ethods of Lobe Arrangement on the DynamicCharacteristics of Four Lobe Journal BearingYANG Xiaofeng ，XU Jingxia ，QIAN Xiaodong ，SHENG Songen(1．Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；2．Hangzhou Zhongneng Turbine Power Co．，Ltd．，Hangzhou 310018，China)Abstract：By means of finite difference method，eight dynamic characteristic coeficients were ca~ied out by using twodiferent methods of lobe arangement of four lobe journal bearing under diferent kinds of bearing parameters，and theinfluences of different lobe arrangement over the dynamic characteristics of four lobe hearing and rotor system werestudied．The results show that dynamic characteristic coeficients in the two methods are very close in smal eccentricity，hut in large eccentricity the differences of the dynamic characteristic coeficients in the two methods are large.

Key words：four lobe journal bearing；lobe arrangement；dynamic performance；finite difference method四油叶滑动轴承因其运转精度较高而被广泛应用于高速轻载及对于精度要求高的场合，是工业汽轮机等高速旋转机械上普遍使用的轴承。四油叶滑动轴承的油叶布置方式有 2种，但是关于这 2种方式对轴承动特性的影响方面的研究却很少。以往的文献多是研究其他因素对轴承动特性的影响，秦瑶等研究了油沟结构参数对滑动轴承性能的影响 ¨；颜勇明等研究了预负荷系数对三油叶滑动轴承性能的影响 ；王黎宏研究了轴承弹性变形对其性能的影响 ；文献[4—5]分析了轴颈倾斜对滑动轴承动特性的影响；阎庆华等研究了三油楔滑动轴承空间安装方位对其性能的影响 。鉴于这一情况，文中以四油叶滑动轴承为研究对象，分析了2种油叶布置方式对轴承动特性的影响。

1 油叶布置方式工程实践中，四油叶轴承常见的一种油叶布置方式是油叶安排在水平和竖直方向上，如图 1所示，此种方式下，载荷主要作用在油叶上；另一种不常见的油叶布置方式是与水平方向成45。角，如图2所示，此时载荷主要作用在油叶之间。为方便表述，称上述四油叶轴承第 1种油叶布置方式为方式 1，上述第 2种油叶布置方式为方式 2。

方式 1几乎是工程实践中默认的设计方式。文献资料中只偶尔提到方式 2，且关于这 2种油叶布置方式下的轴承动特性差异的研究很少。在T程实践巾，有时会碰到已经投入使用的机组发生了严重的振动而可以调整的手段却非常有限的情况，此时，任何可能减收稿 日期 ：2012-11—21：修回日期：2012-11—26作者简介：杨晓锋(1986)，男，硕士研究生，主要研究方向为滑动轴承性能计算。E—mail：xiaofeng32170###163．coin[研究·设计] 杨晓锋，等：两种油叶布置方式对四油叶滑动轴承动特性的影响图1 四油叶轴承(载荷作用在瓦上)Figure 1 Four lobe bearing(1oad on lobe)图2 四油叶轴承(载荷作用在瓦间)Figure 2 Four lobe bearing(1oad between lobe)振的结构调整措施都是非常宝贵的。也许换 1种油叶布置方式可能会对轴承的动特性带来影响，从而改变转子系统的振动特性。因此，分析研究不同油叶布置方式所带来的动特性影响是有意义的。从设计的角度看，弄清楚第2种油叶布置方式会对转子系统产生什么样的影响也是有价值的。

滑动轴承的8个刚度 、阻尼特性系数能比较集中地反映轴承的动力特性，也是转子系统临界转速和振动响应等振动设计中所需要的关键参数。通过对雷诺方程、能量方程、粘温方程联立求解，采用有限差分方法，分别计算和比较 2种油叶布置方式下轴承的 8个动力特性系数，分析研究在多种不同轴承参数组合下的这 2种油叶布置方式对轴承动特性的影响。

2 基本方程?假设润滑油不可压缩、不考虑黏度变化、得到层流时的油膜用雷诺方程立f 韭1+旦f 1：旦 +r a 12 a ，。 a ＼12 az， 2 a 。

P( COS + sin ) (1)式中，r为轴颈半径； 为周向坐标；z为轴向坐标；P为润滑油密度；h为油膜厚度； 为动力黏度；p为油膜压力； 为旋转角速度； 和 为水平及垂直位移速度。取无量纲参数为A ；H= ； = Ve=；Vo Vo；JP = 2 T2~x
得到式(1)的无量纲形式为毒( )+(孚) ( )=3筹+6 cc。s+ sin ) (2)式中：d为轴颈直径；1为轴承宽度；A为无量纲轴向坐标； 为无量纲膜厚；P为无量纲油膜压力；c为轴承间隙；砂为相对间隙； 和 为无量纲水平及垂直位移速度； 为偏心率； 为偏位角。

将式(2)依次对 ， ，s ，0 求偏导，得到下列四个扰动压力的雷诺方程Re (P )： in 一罟c。s +3 [(c。s + n )筹+(丁d J2c。s OH OP](3)Rey( 一 +3 [(sin 筹一 。s )等+(孚) sin ](4)R (P ，)=6cos (5)R (P ，)=6sin (6)式 = ； ，= ； = ；尺 ( )表示算符岛( )+0 仃3 )。

×采用雷诺黏温关系式= e ¨ (7)式中， 为参考温度(oC)； 。为在温度 下的黏度 ／Pa·S；a为温黏指数。

假设轴承中热量全部由润滑油流带走，得到绝热流动状态下的能量方程p[(警一 h3 ) 一 警 ]：U2
+ [(塞) +(警) ] (8)式中： 为润滑油温度 c为润滑油的比热系数。

将雷诺方程(1)、能量方程(8)化为差分格式之后，与温黏关系(7)联立，采用适当的数值计算方法便可求出油膜压力的数值解 J。

油膜刚度系数为单位位移所引起的油膜力增量，即轻工机械 Light Industry Machinery 2叭3年第5期油膜阻尼系数为单位速度所引起的油膜力增量，即aF l aF 1 aF l aF l0
~Cyx l。

(10)式中各系数的第 1个下标代表力的方向，第 2个下标代表位移或速度的方向。

解出油膜压力之后，按式(3)，(4)，(5)，(6)求出各扰动压力，再对扰动压力进行积分，即可由4个扰动压力求得上述 8个动力特性系数。

3 计算结果与分析为了分析得出上述2种油叶布置方式对轴承动特性系数影响的一般规律，计算了在轴承宽径比、相对间隙和转速这 3种参数分别变化时的轴承动特性系数变化。

文中采用的轴承基本参数为：d=160 mm，宽径比1／d=0．5，预负荷系数 m=0．773 5，选择46号润滑油，进油压力为 0．15 MPa，进油温度为45℃，此进油温度下润滑油粘度为0．025 Pa·S，密度为871 kg／m ，相对间隙为 1．6％c，转速为3 000 r／min。

3．1 基本参数下的计算结果图3至图6所示为采用上述轴承基本参数的计算结果。由图中可以看出，对于水平方向刚度K 和垂直方向刚度 K?都随偏心率的增大而逐渐增大；偏心率较小时，方式2和方式 1近似相等；偏心率较大时，方式2大于方式 1，且随偏心率的增大，差距有所增大。

对于交叉刚度 K ，随偏心率的增大而增大；在偏心率较小时，方式 1和方式 2近似相等；偏心率较大时，方式 2大于方式 1，且随偏心率的增大，差距迅速增大。

对于交叉刚度 K?采用方式 1时随偏心率的增大而减小，采用方式 2时随偏心率的增大而增大；在偏心率较小时，方式2和方式 1近似相等；偏心率较大时，方式 2大于方式 1，且随偏心率的增大，差距迅速增大。

由图可以看出，对于水平方向阻尼 D 和垂直方向阻尼 D ，都随偏心率的增大而逐渐增大，偏心率较小时，方式 1和方式2近似相等，偏心率较大时，方式 2大于方式 1，且随偏心率的增大，差距有所增大。

对于交叉阻尼 D 和 D 都随偏心率的增大而增大；在偏心率较小时，方式 2和方式 1下的系数近似相雌 甚黑图3 油叶布置对k ，K 的影响Figure 3 Effect of lobe arrangement on K and K"殴 偏心率 0图4 油叶布置对Kyx，K 的影响Figure 4 Efect of lobe arangement on K and KQ蹬暴皿唧偏 心翠图5 油叶布置对 D ，D 的影响Figure 5 Efect of lobe arangement on D and D等；偏心率较大时，方式 2大于方式 1，且随偏心率的增大，差距迅速增大。

根据本例计算，在最大偏心率 0．2下，与方式 1相比较，方式 2下的 为其2．3倍；K 为 1．2倍；K 为=”以lI一=[研究·设计] 杨晓锋，等：两种油叶布置方式对四油叶滑动轴承动特性的影响 ·29·Q皤偏心举￡图6 油叶布置对 D ，JD 的影响Figure 6 Effect of lobe arrangement on D and D ，4．7倍 ；D 为 1．5倍；D 为 1．07倍；D 为 8．9倍；D为 4．9倍。

综合上述计算结果的比较，偏心率大约在 0．075以下时，2种油叶布置方式对 8个轴承系数影响都不大。在偏心率大约大于0．075时，油叶布置方式影响趋大，尤其对交叉项刚度和阻尼系数影响很大。

3．2 参数变化后的计算结果参数改变后，刚度系数和阻尼系数随偏心率的变化规律与3．1中相似，基本不变，故只将参数改变后的计算结果加以总结，不再以图表形式给出。

根据计算结果：1)宽径比增大为0．7后，2种油叶布置方式下的刚度系数和阻尼系数都有所增大。在最大偏心率 0．2下，与方式 1相比较，方式2下的K 为其2．5倍；k 为1．4倍；Kyx为 5．1倍 ；D 为 1．5倍；D 为 1．2倍；D 为9．3倍；D 为5．3倍。对比表明，在较大的偏心率下，随宽径 比增大，不同油叶布置方式对各系数影响也增大。

2)相对间隙增大为 1．8％0后，2种油叶布置方式下的刚度系数和阻尼系数都有所增大。在最大偏心率0．2下，与方式 1相比较，方式 2下 的为 2．7倍；为1．3倍； 为5．5倍； 为 1．6倍；D 为 1．2倍 ；为 12．1倍；D 为6．5倍。对比表明，在较大的偏心率下，相对间隙增大，油叶布置方式对轴承系数的影响增大。

3)转速增大后，2种油叶布置方式下的刚度系数和阻尼系数都有所减小。

综合以上结果可以得知，在上述各种情况下，方式2下的8个系数都比方式 1下的大。在一定的偏心率(比如 0．075)以下，2种不同油叶布置方式对轴承的刚度和阻尼系数的影响不显著。相对而言，2种不同油叶布置方式对交叉刚度和交叉阻尼的影响明显要比对水平和垂直方向的刚度、阻尼影响大。

有研究表明，交叉刚度是促使转子系统失稳的主要原因，且 K 与 的差值越大，越容易失稳；水平和垂直方向刚度增大有利于提高转子系统的临界转速，增加系统的稳定性；水平和垂直方向阻尼增大有利于抑制振动；交叉阻尼很小时，对稳定性的影响很小，交叉阻尼较大时，有利于转子稳定 J。

方式2与方式 1相比，偏心率较大时，方式 2的交叉刚度增大很多，但 K 与 的差值增大较少，同时交叉阻尼却增大很多，水平和垂直方向阻尼也有所增大。

由此看来 ，在偏心率较大时，轴承采用方式 2比采用方式 1临界转速会有所提高，且似乎更有利于稳定性。

2种不同油叶布置方式对转子系统稳定性的影响还需进一步深入研究。

4 结论1)2种油叶布置方式下动特性系数都随宽径比、相对间隙的增大而增大，随转速的增大而减小。

2)采用方式 1时，除刚度系数 随偏心率的增大而减小外，其余动力特性系数都随偏心率的增大而增大；采用方式 2时，刚度系数和阻尼系数都随偏心率的增大而增大。相对而言，不同的油叶布置方式对交叉刚度和交叉阻尼的影响明显要比对水平和垂直方向的刚度、阻尼影响大。

3)偏心率较小时，方式 1的刚度系数和阻尼系数与方式 2的非常接近；偏心率较大时，方式2下的刚度系数和阻尼系数都大于方式 1下的系数，并随偏心率的增大，差距逐渐变得显著，且不同的轴承宽径比、不同的相对间隙或不同的转速都不影响该基本变化趋势。相对而言，轴承宽径比增加，水平和垂直项刚度和阻尼系数在更大的偏心率范围内对油叶布置方式的变化不敏感。

4)在偏心率较小时，轴承采用油叶布置方式 2或方式 1对转子的动力性能影响不大；在偏心率较大时，与方式 1相比，采用方式 2预期临界转速会有所提高，是否更有利于转子稳定性值得进一步研究。

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(下转第33页)[研究·设计] 向 敢 ，等：基础柔性对浮筏隔振系统振动特性的影响 ·33·∞ 它 樾图6 基础刚度对浮筏系统隔振效果的影响Figure 6 Influence of the foundation stiffness to theisolation effect of the floating raft isolation system5 结语1)利用 ADAMS软件对隔振系统进行仿真，避免了复杂的公式推导，能方便地建立浮筏隔振系统的动力学模型，并对隔振系统进行振动特性分析。

2)浮筏隔振系统尤其是在高频隔振时，其柔性性质愈发显现，且相互之间存在强烈的动力耦合效应，从而严重影响隔振效果。

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