（机械设计及理论专业论文）独立供油径推浮环轴承性能优化分析与软件包开发.pdf

原创性声明 f ! j i m i i r l m h l fi iiiiifliiiliiiiiii i ii | 1 y 18 3 3 3 9 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：乒告开白期：勿o 年箩月3 f 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：互舛甘 日期：乃o 年f 月3 j 日 摘要 摘要 动静压浮环轴承具有摩擦功耗低、精度高、稳定性好等突出优点，在高速、 超高速及超精密等旋转机械中的应用越来越广泛。在高速重载支承中，轴承的 承载能力和摩擦功耗成为制约转子性能的突出因素，而轴承结构参数的不同取 值对其特征系数有很大影响。因此，如何选取最优的结构参数，使高速重载支 承既能满足承载能力要求，又能降低摩擦功耗和温升，是改善轴承性能的基础。 本文以内外膜独立供油的径向一推力联合浮环动静压轴承为研究对象，采 用流体动力学和有限元方法建立内、外膜静、动特性的仿真模型，并在此基础 上对内、外膜的结构参数进行优化，使轴承性能达到最优。本论文的研究工作 主要包括以下两个方面： 1 内外膜独立供油径推联合浮环轴承结构参数优化设计 确定径推联合浮环动静压轴承径向部分内外膜的优化设计数学模型，并选 用复合形法对该轴承内外膜的结构参数单独进行优化设计。编制内外膜优化设 计计算程序，计算该轴承在给定条件下，不同转速及不同偏心率下的内外膜优 化结果，并将优化后的结构参数应用于浮环轴承的平衡运算中，计算优化后浮 环轴承内、外膜的静、动特性系数。 2 动静压轴承特性计算软件包开发 在动静压轴承特性有限元仿真计算的基础上，基于v c m f c 开发常见结构 动静压滑动轴承设计计算软件包。该软件包采用面向对象技术，可以方便地计 算不同结构参数滑动轴承的静、动特性系数，有效地提高了滑动轴承的设计效率。 优化结果表明，与传统设计方法相比，优化设计方法能够使浮环轴承在满 足承载力的同时，有效地降低轴承的摩擦功耗和温升，得到更好的综合性能，为 浮环轴承的结构设计提供了一定的理论依据。 关键词：浮环轴承；独立供油；优化设计；软件包； a b s t r a c t a b s t r a c t h y d r o s t a t i c h y d r o d y n a m i cf l o a t i n g - r i n gb e a t i n g sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r e p o p u l a ri nm a n yh i g h s p e e d ，s u p e r - h i g h s p e e da n ds u p e r - h i g h - p r e c i s i o ng r i n d i n g r o t a t i n gm a c h i n e sd u et ot h e i rr e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i c si nr e s p e c to fl o wf r i c t i o n , l l i g ha c c u r a c y , s m o o t ho p e r a t i o ne t c i nh i g h s p e e dh e a v yl o a db e a r i n g s ，t h eb e a r i n g c a p a c i t ya n df r i c t i o nh a v eb e c o m ec o n s t r a i n t so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h er o t o rs y s t e m ， a n dt h ev a l u e so fb e a r i n gs t r u c t u r eh a v eag r e a ti n f l u e n c eo ni t sc h a r a c t e r i s t i c c o e f f i c i e n t t h e r e f o r e ，h o wt os e l e c tt h eo p t i m a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r si st h eb a s i so f i m p r o v i n gt h eb e a r i n gp e r f o r m a n c es ot h a tt h eh i g h - s p e e dh e a v yl o a db e a r i n g sc o u l d m e e tt h er e q u i r e m e n t so fb e a r i n gc a p a c i t ya n dr e d u c et h ef r i c t i o np o w e rc o n s u m p t i o n a n dt e m p e r a t u r er i s e t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t sa no p t i m i z a t i o ns t u d yc o n c e r n i n gt h es t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh y b r i dj o u r n a l t h r u s tf l o a t i n gr i n gb e a r i n g 、析mi n n e ra n d o u t e rf l u i df i l mi n d e p e n d e n to i ls u p p l y t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nm o d e l a n dt h eb e a r i n gp e r f o r m a n c em o d e lw e r ee s t a b l i s h e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s i m u l a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ： 1 s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n d e s i g n o fh y d r o s t a t i c h y d r o d y n a m i c j o u r n a l t h r u s tf l o a t i n gr i n gb e a r i n g sw i t hi n d e p e n d e n to i ls u p p l y b a s e do nl a m i n a rc u r r e n tm e o t h ee q u a t i o n sg o v e r n i n gt h ef l o wo fi n n e ra n d o u t e rf l u i df i l mi nt h ej o u r n a l - t h r u s tf l o a t i n gr i n gh y b r i db e a r i n ga r es e tu pw i t hf e m s i m u l a t i o n o nt h i sb a s e ，t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n sm o d e li se s t a b l i s h e d w i t hc o m p l e xm e t h o d t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e si n n e ra n do u t e rf l u i df i l mm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o r o p t i m i z a t i o n ，a n ds o l v e st h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nw i t hc o m p l e xm e t h o di n d i v i d u a l l y t h eo p t i m i z e da l g o r i t h mi si m p l e m e n t e dw i t hv c + + t oc a l c u l a t et h eo p t i m i z a t i o n r e s u l t so fi n n e ra n do u t e rf l u i df i l mi nd i f f e r e n ts p e e d sa n de c c e n t r i c i t i e s t h e nt h e o p t i m i z e ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ea p p l y e dt ot h ef l o a t i n g r i n gb e a r i n gt oc a l c u l a t e l l a b s t r a c t i n n e ra n do u t e rf i l m s c h a r a c t e r i s t i cc o e f f i c i e n t si ne q u i l i b r i u mc o n d i t i o n 2 d e v e l o p m e n to fs l i d i n gb e a r i n gd e s i g ns o f t w a r e s l i d i n gb e a r i n gd e s i g n s o f t w a r ei s d e v e l o p e df o rt h e s t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cc o e f f i c i e n t sf e ms i m u l a t i o na n da n a l y s e s i tu s e st h eo o p t e c h n o l o g y , a n dc a nb eu s e dt oc a l c u l a t ea n da n a l y s e st h es t a t i c a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc o e f f i c i e n t so fd i f f e r e n tb e a r i n gs y s t e mc o n v e n i e n t l y t h e d e v e l o p m e n to ft h i ss o f t w a r ec a ni m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c yo fh y d r o s t a t i c h y b r i d b e a t i n ge f f i c i e n t l y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d s ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n c a l l d e c r e a s eb e a r i n gf r i c t i o np o w e rl o s so b v i o u s l ya n dm a k et h eb e a t i n gs t r u c t u r e p a r a m e t e r sm o r er e a s o n a b l e t h ed e v e l o p m e n to fs l i d i n gb e a r i n gd e s i g ns o f t w a r e i m p r o v e st h ed e s i g ne f f i c i e n c yo fh y d r o s t a t i c h y b r i db e a r i n g a b o v ea l l ，t h er e s e a r c h f r u i t si n t h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n tv a l u ef o rt h ed e s i g no fh y d r o s t a t i c h y d r o d y n a m i c b e a r i n g k e yw o r d s ：f l o a t i n g - r i n gb e a r i n g ；i n d e p e n d e n to i ls u p p l y ；o p t i m u md e s i g n ； s o f t w a r ep a c k a g e ； 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 符号说明 图和附表清单v i i i 1 绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 浮环动静压轴承研究现状和发展趋势。2 1 3 滑动轴承优化设计研究现状6 1 4 本课题的主要研究内容及意义1 1 2 径推联合浮环动静压轴承数学模型的建立1 3 2 1 径向部分数学模型1 3 2 1 1 径向部分r e y n o l d s 方程13 2 1 2 径向部分r e y n o l d s 方程无量纲化一1 5 2 2 轴向部分数学模型16 2 2 1 轴向部分r e y n o l d s 方程1 6 2 2 2 轴向部分r e y n o l d s 方程无量纲化l8 2 - 3 径推联合浮环动静压轴承静特性l8 2 3 。1 径向部分静特性1 9 2 3 2 轴向部分静特性2 0 i v 3 1 1 目录 5 2 1 目标函数4 8 5 2 2 承载力5 0 5 2 3 摩擦功耗5l 5 3 平衡后轴承特性参数5 2 5 3 1 内膜静特性系数比较5 3 5 3 2 外膜静特性系数比较5 4 5 3 3 内膜动特性系数比较5 5 5 3 4 外膜动特性系数比较5 6 5 4 本章小结5 7 6 滑动轴承设计软件开发5 8 6 1m f c 设计模式简介5 8 6 2 软件界面及功能介绍5 9 6 3 软件的数据结构6 0 6 4 软件的实现过程6 1 6 5 本章小结“ 7 结论与展望6 5 7 1 结论6 5 7 2 展望6 6 参考文献6 7 致谢71 个人简历7 2 符号说明 q l 、q 2 只。、只2 p 、p 、c r l 、r 2 、l r 、矽， f 产m 、hf a 歹 h ，鹰，历、 j z q b r o h 、h s 、ho k 矿k 矿k 矿 b pb 带、b ，p 厂、 西 五、矽 x 、y 、z p ，、p o p pp 说明： 文中带“” 图和附表清单 图和附表清单 图2 1 径推联合浮环动静压轴承结构图1 3 图2 2 径向部分坐标系1 4 图2 3 径向部分单腔图1 5 图2 4 轴向部分坐标系1 7 图2 5 轴向部分单腔图1 7 图4 1 等参变换图3 5 图4 2 径向部分目标函数子程序3 9 图4 3 轴向部分目标函数子程序4 0 图4 4 内外膜优化程序流程图4 l 图5 1 内膜目标函数一偏心率( 5 0 0 0 f r a i n ) 4 4 图5 2 内膜目标函数一偏心率( 8 0 0 0r r a i n ) 4 4 图5 3 内膜目标函数一偏心率( 1 0 0 0 0r m i n ) 1 4 4 图5 4 内膜目标函数一偏心率( 2 0 0 0 0r m i n ) 4 4 图5 _ 5 内膜目标函数一偏心率( 3 0 0 0 0r r a i n ) 4 5 图5 6 内膜目标函数一偏心率( 4 0 0 0 0r m i n ) 4 5 图5 7 内膜承载力偏心率0 0 0 0 r l n m ) 一4 5 图5 8 内膜承载力偏心率( 8 0 0 0 r r u m ) 一4 5 图5 9 内膜承载力偏心率( i o o o o r m i n ) 4 6 图5 1 0 内膜承载力一偏心率( 2 0 0 0 0 f r a i n ) 4 6 图5 1 l 内膜承载力偏心率( 3 0 0 0 0 r m i n ) 4 6 图5 1 2 内膜承载力一偏心率( 4 0 0 0 0 r m i n ) 4 6 图5 1 3 内膜摩擦功耗一偏心率( 5 0 0 0 r m i n ) 4 7 图5 1 4 内膜摩擦功耗一偏心率( 8 0 0 0 r m i n ) 4 7 图5 1 5 内膜摩擦功耗一偏心率( 1 0 0 0 0 r m i n ) 一4 7 图5 1 6 内膜摩擦功耗偏心率( 2 0 0 0 0 r r a i n ) 一4 7 图5 1 7 内膜摩擦功耗一偏心率( 3 0 0 0 0 r m i n ) 一4 7 图5 1 8 内膜摩擦功耗偏心率( 4 0 0 0 0 r r a i n ) 一4 7 图5 1 9 外膜目标函数偏心率( 5 0 0 0 r m i n ) 4 8 图5 2 0 外膜目标函数一偏心率( 8 0 0 0r m i n ) 4 8 图5 2 l 外膜目标函数一偏心率( 1 0 0 0 0r m i n ) 4 9 图5 2 2 外膜目标函数一偏心率( 2 0 0 0 0r m i n ) 4 9 图5 2 3 外膜目标函数偏心率( 3 0 0 0 0r m i n ) 4 9 图5 2 4 外膜目标函数一偏心率( 4 0 0 0 0r m i n ) 4 9 图5 2 5 外膜承载力一偏心率( 5 0 0 0 r m i n ) 5 0 图5 2 6 外膜承载力一偏心率( 8 0 0 0 r m i n ) 5 0 v i i l i x 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 2 0 世纪9 0 年代以来，高速、超高速精密加工技术在机械行业及其他领域中 的应用越来越广泛，人们也充分认识到了发展高速、超高速精密加工技术的重 要性。在欧洲、美国等一些发达国家，超高速精密加工技术的发展速度不断加 快，被誉为“现代磨削技术的最高峰”，而中国在超高速精密加工方面的研究 还比较落后。制约超高速精密加工技术发展的因素有很多，其中主轴系统及轴 承的设计是一个关键的因素【l 】。在高速、超高速主轴支撑系统中，一般采用油润 滑或气体润滑的滑动轴承作为支撑元件。由于液体动静压滑动轴承结合了静压 轴承和动压轴承的优点，具有磨损小、回转精度高、稳定性好等优点，因此在 高速、超高速主轴支撑系统中得到了广泛的应用。 液体润滑滑动轴承的种类有很多，根据润滑机理的不同，可以分为液体静 压润滑滑动轴承、液体动压润滑滑动轴承以及液体动静压混合轴承。根据轴承 受力方向的不同，可分为径向滑动轴承、推力滑动轴承、径推联合滑动轴承以 及圆锥轴承。 静压轴承已经经历了1 0 0 多年的发展历史，它具有速度和载荷范围广、油 膜刚度高、磨损小、回转精度高等优点，但是需要一套外界高压供油系统，增 加了设计成本和系统的占地面积，有些情况下，还需要一套备用的供油系统。 而动压轴承虽然不需要外界供油系统，但是在轴颈运转速度很低时，无法形成 动压油膜，因此在机器网i j 启动和停车时，轴颈与轴承之间处于干摩擦或边界摩 擦状态，不可避免地会产生磨损。动静压轴承综合了静压轴承和动压轴承的优 点，克服了静压轴承承载能力小和动压轴承启动停车时磨损大的缺点，使轴承 在低速和高速时都具有较好的承载能力和刚度、较宽得速度范围和无摩擦工作 区域、较高的位置精度和旋转精度以及较好的稳定性等特点。动静压轴承特别 适合用于带载起动，用动静压轴承代替工程应用中的普通轴承，可有效避免减 载运行，从而提高机械的运转效率。 国外在润滑理论和滑动轴承设计方丽的研究已经比较成熟，如c h e n c h e n g - h s i s e n 等【2 】对毛细管节流的流体静压轴承进行了稳定性研究，s a t i s hc 等 1 绪论 p j 采用有限元数值计算法对缝隙节流的流体动静压轴承进行了性能分析。自2 0 世纪8 0 年代，我国在流体润滑理论和滑动轴承设计方面的研究也发展很快，不 少专家学者对汽轮发电机组、涡轮增压器等系统中的高速径向滑动轴承设计进 行了研究，并取得了丰硕的成果。主要研究内容包捌4 】：分析热效应和冷热变形 对滑动轴承静态特性和动态特性的影响，并进行计算；研究滑动轴承的结构参 数、工况参数与轴承性能之间的关系；通过研究油膜失稳的力学机理，对不同 的转子一轴承系统进行动力学分析，提出稳定性判断准则和失稳角速度的计算 方法，并对导致轴承动力学失稳的原因进行分析论证【5 】等等。 虽然普通的动静压轴承具有很多的优点，并且也出现了一些新型的动静压 轴承，但仍然受到速度的限制，无法满足工程应用中对降低摩擦功耗的要求。 尤其在高速、超高速磨削机床中，当轴颈转速达到一定值时，轴承的摩擦功耗 会随着转速的升高而急速上升，从而引起油温的大幅度升高和轴承的发热变形。 由于润滑油的性能受温度的影响很大，因此极大地降低了轴承的综合性能，甚 至可能会出现油膜涡动、油膜震荡等严重后果。随着机器生产不断向高速、重 载方向发展，研制具有较低摩擦功耗和较高稳定性的油润滑轴承变得十分必要。 流体动静压浮环轴承就是为了适应超高速低摩擦功耗的要求而发展起来的一种 新型轴承，基本解决了轴承摩擦功耗随轴颈转速的升高而急剧增大的问题，并 提高了转子一轴承系统运转的稳定性。 1 2 浮环动静压轴承研究现状和发展趋势 浮环轴承的设计理念是在轴颈和轴承之间加入一个或多个可以自由浮动的 环，将原来的一层油膜分隔成两层或多层油膜。内膜( 轴颈表面与浮环内表面 之间的油膜) 是浮环轴承的主支承膜，以轴颈和浮环的速度之和形成动力润滑 油膜，提高了轴承的承载力和高速稳定性，使轴承在更高的速度范围内仍能稳 定地工作。轴颈与浮环之间以相对速度差工作，降低了轴承的摩擦功耗，体现 了浮环轴承的速度效应。浮环外表面与轴承内表面之间的外层油膜对主支承膜 起到了弹性支座的作用，从而提高了轴承运转时的稳定性和回转精度【6 】。 国外的专家学者早在二十世纪四五十年代就开始了对浮环轴承的研究，而 国内对浮环轴承的研究起步相对较晚。国内外许多学者提出了各种不同结构形 式的浮环动静压轴承，并对它们的性能进行了多方面的研究，为浮环轴承在工 2 1 绪论 业中的应用提供了大量可靠的数据资料。代玉杰、杨德型7 母】等提出了错位浮环 轴承，即在错位轴承里加入浮环，并采用边界元方法研究了该轴承在不同偏心 率下的流体动力特性和稳定性，同时对错位浮环轴承和螺线浮环轴承在不同偏 心率下的承载力和摩擦功耗进行了分析比较，结果表明，错位浮环轴承具有更 高的承载能力和更低的摩擦功耗。近两年来，彭红梅、杨德掣1 0 】又提出了双错 位浮环轴承，并采用边界元法对双错位浮环轴承油膜的流体动力特性进行了理 论研究，研究发现，该轴承不仅能提高轴承的承载力和运转稳定性，并且能降 低轴承的摩擦功耗和减少油膜振荡。由于多油楔轴承与单油楔轴承相比，具有 更好的稳定性和旋转精度，因此在高速旋转机械中的应用越来越广泛，但是其 承载力低、摩擦功耗大的缺点又制约了它在超高速加工机床中的应用。为了解 决这一难题，彭红梅、杨德全【l l 】提出了一种四叶错位浮环轴承，采用边界元法 计算了该轴承的流体动力特性，计算结果表明，该轴承不仅能够提高轴承的运 转稳定性，降低轴承的摩擦功耗，并且能够解决多油楔轴承承载能力小的问题， 有效地克服了多油楔轴承的缺点。杨德全、苗刚【1 2 】【1 3 】对六叶错位浮环轴承和六 叶柱形浮环轴承进行了流体动力学特性研究，得到了这两种轴承润滑区的流场 分布、轴瓦表面的压力分布及浮环表面的压力分布，研究结果表明，多叶浮环 轴承有效地降低了轴承的内摩擦功耗，延长了轴承的使用寿命。对于单浮环轴 承来说，当浮环工作表面的线速度达到很高时，润滑油膜的雷诺值将会超过层 流与紊流之间的临界值进入紊流状态，这时轴承的摩擦功耗必然会急剧增加， 对轴承的性能造成很大的影响。李春芝、刑彭龄【1 4 j 在单浮环轴承的基础上提出 了双浮环轴承，采用边界元法对该轴承的流体动力特性进行了分析研究，得到 了不同偏心率下的流场分布及内外浮环在不同速度组合下轴颈与轴承上的压力 分布，并将双浮环轴承和单浮环轴承进行了比较，结果表明，双浮环轴承具有 更高的承载能力和运转效率。n i c o l e t am e n e 掣1 5 j 将滑动轴承改造成了谐波轴 承，并研究了波幅和供油压力对三谐波滑动轴承动特性的影响。研究结果表明， 当轴承发生共振涡动或者说是分数频率涡动时，该结构的轴承中心轨迹仍然在 轴承裕度内，轴承仍可安全的运行，且不破坏轴承表面。此外，一些学者还提 出了橄榄形浮环轴承【1 6 】、复杂形状浮环轴承【1 。7 】等浮环轴承结构形式，这些轴承 形式虽然在结构设计上比较复杂，对制造精度要求比较高，但是也充分体现了 浮环轴承的优点，推动浮环轴承不断向高承载力、低摩擦功耗、高回转精度和 稳定性的方向发展。 3 l 绪论 在浮环轴承的理论研究方面，孟凡明1 6 】在考虑惯性力影响的前提下，提出了 含有惯性项的径推联合浮环动静压轴承的雷诺方程后，采用有限元方法对轴承 的静特性进行了研究，并分析了惯性项对轴承承载能力、摩擦功耗等静特性参 数的影响。岑少起等【l8 】在无惯性力流体动压润滑雷诺方程的基础上，导出计入 迁移惯性力影响的非定常雷诺方程，并利用有限元法求得轴承内外膜的压力场 分布，研究结果表明，在机器高速运转时，惯性力对轴承内外膜的压力场分布 影响很大，且对内膜的影响要大于外膜，为浮环轴承的设计研究提供了一定的 理论依据。而杨金锋【1 9 】则是考虑了惯性力对轴承动特性的影响，给出计入惯性 项的径推联合浮环动静压轴承的非定常雷诺方程，借助有限元法和复合形法对 计入惯性项的静特性参数和动特性参数进行求解，并分析了惯性项对动特性的 影响。陶浩等【2 0 】建立了浮环动静压轴承内外膜相互作用的力学模型，并采用 r o u t h h u r w i t z 判别法推导出轴承的稳定性判别准则和失稳角速度的计算公式， 为浮环轴承的稳定性设计提供了良好的理论依据。岑少起等【2 l j 对浮环动静压轴 承和单膜滑动轴承的失稳转速计算方法上的不同之处做了比较，并讨论了两者 之间的关联，同时还指出内外膜的间隙对失稳转速的影响，给出了比较合理的 计算浮环轴承失稳转速的方法。刑彭龄掣冽采用边界元法研究了浮环转速对浮 环动静压轴承动特性的影响，计算结果发现，在同等工况下，轴承内外膜的压 力会随浮环转速的增大而增大，而浮环内外表面的压力差却随浮环转速的增大 而不断减小。胡松峰【2 3 】在计入深腔气穴的情况下，导出了含有惯性项的变密度、 变粘度的雷诺方程，并采用有限元法进行了计算分析，同时也对计入浮环质量 时圆锥浮环动静压轴承的稳定性进行了分析。国外的一些学者，如 m a r e z v a n i ，e j h a h n 【2 4 1 ，b y o u n gh o or h o ，k y u n gw o o n gk i m 2 5 1 ， s m c h u n 2 盹8 】等在理论方面也做了大量的工作。他们主要研究了浮环的挤压 油膜阻尼作用，润滑油在混合流态时浮环轴承的静、动态性能，以及润滑油中 的气泡对轴承性能的影响等，有效地解决了浮环轴承的设计过程中遇到的问题， 并为其在工程中的应用提供了大量有价值的资料。 在浮环轴承的实验研究方面，张永掣2 9 】对径推联合浮环动静压轴承的试验 方案和试验装置进行了研究，给出了静特性和动特性的试验测试方法和测试难 点，并详细地介绍了试验装置的基本结构。许莎1 3 0 j 在径推联合浮环动静压轴承 理论计算和分析的基础上，对张永宇提出的试验装置进行了改进，设计制造了 轴承试件及相关的试验装置，并利用改进后的试验台，采用静动法和激振法相 4 1 绪论 结合的方法首次测得了径向部分和轴向部分的内外膜动特性参数。吴超【3 l 】给出 了求解径推联合浮环动静压轴承三维油膜动特性系数的数学模型，导出了动特 性系数的计算公式，并在二维油膜试验模型的基础上，设计了一套三维油膜模 型的试验装置，并采用静动法和三次激振法，在改进的实验台上进行了动特性 系数的测试，为浮环轴承的动特性试验打下了良好的基础。国外的一些学者也 对浮环轴承和浮环轴承转子系统进行了实验研究，为浮环轴承的应用提供了更 多的资料。a n d r e sl u i ss a n ，r i v a d e n e i r aj 1 1 a nc a r l o s 3 2 】等对涡轮增压机上的浮环 轴承进行了相关的实验研究，实验中采用一个综合的热流体动力模型来预测浮 环轴承的转速、内外油膜的温度、流体动力粘度的变化、间隙温度的升高、浮 环轴承和轴颈的偏心距以及线性压力系数等参数。h o l tc h r i s ，s a na n d r e sl u i s ， s a h a ys u n i l 掣 j 研究了转速为11 5 0 0 0 转分的超高速涡轮增压器的加速性能，由 加速度一转速关系图给出了增加供油压力时对轴承性能的影响，研究结果表明， 增加供油压力可以延缓转子系统失稳，但同时会产生更大的非同步位移。 郑州大学机械工程学院机械学教研室自2 0 世纪7 0 年代就开始了对动静压 滑动轴承的研究，先后完成了三项国家自然科学基金项目和多项横向课题。1 9 9 6 年完成了国家自然基金项目圆锥动静压浮环轴承静、动特性研究，经过理 论计算和实验研究，证明圆锥动静压浮环轴承的摩擦功耗比普通动静压轴承降 低了许多，且稳定性和回转精度也有所提高。文献 3 4 】对圆锥浮环动静压轴承的 动态特性进行了理论分析和数值计算，根据一般雷诺方程推导出了内外膜的动 态雷诺方程，应用有限元方法并计入轴向位移和速度扰动的影响，得到了内外 膜的3 6 个刚度系数和阻尼系数，并进行了稳定性分析，计算结果表明该轴承具 有稳定性好，易于实现主动控制等优点。文献 3 5 】在以上理论研究的基础上，制 造了圆锥浮环动静压轴承的试件，采用静动法和三次激振法相结合的实验方法 对圆锥浮环动静压轴承的动态特性进行了实验研究，成功测得了轴承内外膜的 3 6 个动特性系数，并根据实验结果绘制了刚度系数曲线和阻尼系数曲线，比较 发现，实验结果与理论计算结果基本一致，也证明了圆锥浮环动静压轴承确实 具有承载能力高、浮环启动方便、摩擦功耗低、易于实现主动控制等优点。 虽然圆锥浮环动静压轴承具有以上这些优点，但是在工业应用中的很多场 合，转子一轴承系统不仅要承受径向载荷，而且也要承受轴向载荷，圆锥浮环 轴承受加工限制，锥角不宜过大，轴向承载能力有限。郑州大学机械学教研室 2 0 0 0 年提出了径向一推力联合浮环动静压轴承。郭红等【3 6 】以透平膨胀机组的支 5 1 绪论 撑系统为研究对象，利用有限元计算方法对径一推联合浮环动静压轴承进行了 理论计算和分析，得到了轴承的静、动态特性参数，并进行了相关实验研究， 研究结果表明，径一推联合浮环动静压轴承确实综合了动静压轴承和浮环轴承 的优点，比普通的五瓦可倾瓦轴承具有更高的承载能力、更低的摩擦功耗以及 更好的运转稳定性。岑少起等f 3 7 j 对径向一推力联合浮环动静压轴承的动态性能 参数及稳定性参数进行了分析计算，根据理论计算结果设计制造了该轴承结构 形式的试件，并在透平膨胀机组上进行工业实验，实验结果表明，该轴承在高 速运转时仍能具有较高的稳定性，且与五瓦可倾瓦轴承相比具有更低的摩擦功 耗和温升。熊滨生、郭红【3 8 】对径推联合浮环轴承的推力部分进行了理论研究， 给出了推力部分内外膜的雷诺方程和边界条件，并利用有限元数值解法得到了 压力场分布及静、动特性参数，计算结果表明，与原透平膨胀机组的五瓦可倾 瓦轴承相比，该轴承的摩擦功耗降低了2 6 左右，可取代五瓦可倾瓦轴承在主 轴支撑中的应用，从而提高工作效率，减少能源消耗。 总之，径推联合浮环动静压轴承与普通的动静压轴承相比，具有承载力高、 摩擦功耗小、稳定性好等优点，因此它在高速、超高速旋转机械中的应用越来 越广泛，且多数应用于航天、航空发动机和超高速精密加工机床等旋转机械中。 随着生产的不断发展，对浮环轴承的性能要求也越来越高，如要具有足够的承 载力、较高的运转稳定性及位置精度、较低的摩擦功耗及温升、易控制等优点。 因此，国内外对浮环轴承的研究，也都集中在如何提高该类轴承的静、动态性 能的问题上，推动了浮环轴承在实际工程中的应用。 1 3 滑动轴承优化设计研究现状 滑动轴承的设计属于典型的参数化设计，一般包括结构设计和性能分析两 个方丽。传统的设计计算方法有同心理论、集中参数法、有限差分法、有限元 法、边界元法等，其中有限差分法、有限元法和边界元法都属于数值解法。以 上这些方法都属于常规设计方法，通常应用“试算法”对流体动压滑动轴承进 行设计。设计过程大致如下：首先采用经验类比法确定轴承的设计参数，进而 在给定工况下计算轴承的静态特性参数和动态特性参数，然后根据计算结果判 断设计方案是否合理。虽然这些方法在滑动轴承的设计中是可行的，但是却无 法使轴承在满足设计要求的前提下得到更好的性能，即不能找出最佳设计方案。 6 1 绪论 优化方法在数学领域是一种求极值的方法，虽然优化方法的最优值并不完 全等于数学上的极值，但是在用优化方法处理问题时，最优值都以最大值和最 小值表示【3 9 1 。优化设计理论与方法在2 0 世纪6 0 年代后期才开始应用于工程设 计，它是以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在一定的约束条件下， 确定设计变量的合理取值，使预定目标达到最优。经过这么多年的研究和实践， 传统的工程设计已经从原来的经验的、感性的、类比的设计方法转变为科学的、 理性的、立足于计算分析的设计方法。应用优化方法进行工程设计时，首先要 将实际问题转化为抽象的数学模型，然后应用合适的优化方法对数学模型进行 求解，寻求满足预定目标的最佳设计。 随着优化设计理论的不断发展，它在工程设计中的应用也越来越广泛，不 少国内外学者开始将优化设计理论应用于滑动轴承的设计中。滑动轴承优化设 计的数学模型是一个连续变量的非线性规划问题，是将优化设计方法和轴承分 析计算方法相结合的一种设计方法，能根据目标函数的要求确定出最合理的轴 承参数。在滑动轴承优化设计问题上，国内外许多学者已经进行了大量的分析 研究。早在二十多年前，以东南大学为主的专家学者已经完成了“液体静压和 动静压滑动轴承优化设计程序包 ，为滑动轴承的系统化设计提供了一个有力 的工具。文献 4 0 4 4 是国外研究工作中极具代表性的研究成果。 对于滑动轴承来说，影响轴承工作性能的重要指标有轴承的总功耗、润滑 油的温升以及油膜的刚度等。在处理滑动轴承的优化问题时，目标函数的选取 直接影响着优化设计后轴承的工作性能，因此在实际应用时，要根据轴承的设 计要求选取合适的目标函数进行优化设计。不少学者根据滑动轴承在不同应用 领域中的不同性能指标，提出了多种以不同性能要求为目标函数的优化方法。 对于动载滑动轴承来说，它所承受的载荷大小和方向都是不断变化的，在往复 式机械摩擦功耗的产生来源中，它是主要的一部分，因此，降低摩擦功耗成为 动载滑动轴承设计过程中重要的一部分。孔建益等1 4 5 】针对动载滑动轴承建立了 以降低动耗为目标函数的优化设计数学模型，并根据随机方向搜索法、复合形 法、混合惩罚函数法提出改进的优化算法，即用“灵敏度加权法 确定合理的 搜索方向，按约束值大小确定合理的搜索步长，用随机方向搜索法为复合形法 产生合理的初始复合形，结果表明其所建立的数学模型和改进算法是有效的， 并且适用于机械优化设计的其他领域。这些年来，滑动轴承在大型汽轮发电机 组、空压机等旋转机械中应用广泛，但是却存在油膜振荡问题影响机组正常运 7 l 绪论 行的情况，为了从根本上消除油膜振荡，刘荣强等【4 6 】根据在非线性油膜力作用 下轴承油膜涡动轨迹的计算方法，以轴承稳定性为目标函数，建立了滑动轴承 参数化优化模型，并提出一种最优控制理论来对这一优化模型进行求解，提高 了轴承运转时的稳定性。在目前的国内外研究现状中，把轴承稳定性作为一个 优化目标来考虑的还不是很多。对于非液体摩擦球面滑动轴承来说，由于它的 内部处于干摩擦或边界摩擦状态，所以降低磨损是减缓轴承失效的有效措施， 而降低磨损的有效途径就是降低轴颈与球面轴承垫之间的正压力。因此，对该 类轴承来说，优化设计目标函数一般都取为正压力，但是对于正压力的计算还 没有一种可行的方法。郭喜平等【47 】利用a n s y s 软件计算出轴颈和非液体球面轴 承接触面之间的正压力，克服了传统设计方法对目标函数解析式的要求，然后 利用a n s y s 软件的优化设计功能对非液体摩擦球面滑动轴承进行优化