典型汽轮发电机可倾瓦径向轴承冲击刚度研究_李佳.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 20 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．20 2019 收稿日期 2018 －01 －09修改稿收到日期 2018 －07 －29 第一作者 李佳 女， 高级工程师， 1985 年生 典型汽轮发电机可倾瓦径向轴承冲击刚度研究 李佳，张博，丁炜，周相荣 中国船舶重工集团公司第七〇四研究所， 上海200031 摘 要 采用仿真结合试验的方法开展汽轮发电机径向可倾瓦滑动轴承的冲击刚度参数研究。基于不同的轴承 冲击试验工况， 采用黑箱法通过数值模拟识别了轴承冲击刚度参数。研究表明， 径向可倾瓦滑动轴承的冲击刚度可采用 等值的非交叉刚度模拟， 且轴承刚度冲动比与冲击速度之间存在线性比例关系。该方法可为同类型径向可倾瓦滑动轴承 的冲击刚度模拟提供参考。 关键词 可倾瓦径向滑动轴承; 冲击试验; 数值模拟; 冲击刚度 中图分类号 TH133． 31; TG115． 5 6文献标志码 BDOI10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 20． 012 A study on the shock stiffness of a titling- pad bearing in a turbo generator LI Jia，ZHANG Bo，DING Wei，ZHOU Xiangrong Shanghai Marine Equipment Research Institute，Shanghai 200031，China AbstractThe impact perance of a tilting- pad journal bearing in a turbo generator was studied by means of simulation and test． The shock stiffness of the bearing was considered as the only unknown quantity in a black box and it was identified through comparing the simulation result and the test result in various shock test cases． It shows that the shock characteristics of the tilting- pad journal bearing can be simplified as an equivalent non- intersecting stiffness parameter，and there is a simple ula relation between the shock stiffness and the shock velocity which is loaded to the bearing and represents the shock energy． Key words tilting- pad journal bearing; shock test; numerical simulation; shock stiffness 轴承是汽轮发电机的重要部件， 轴承动态特性对 转子系统的动力性能有很大的影响， 一直受到国内外 专家及工程技术人员的重视， 人们在轴承动态特性方 面进行了大量的工作 ［1 －4 ］。然而， 对冲击状态下的轴 承特性却鲜有研究。轴承冲击特性是汽轮发电机冲击 响应模拟的前提， 直接影响到碰摩、 转子对中等仿真精 度。汽轮发电机中常用的典型轴承为滑动轴承， 由于 滑动轴承工作机理复杂， 轴承的几何形状、 参数、 工况 各异， 且油膜具有很强的非线性特征， 因此滑动轴承的 动态特性更多地仍依赖于试验研究。 滑动轴承的动态特性系数 刚度系数和阻尼系 数的概念引入已有相当长的时间 ［5 ］， 并在现代转子动 力学的临界转速、 不平衡响应以及稳定性等的计算、 分 析中获得了广泛应用并取得了丰硕成果。本文参照轴 承动态特性描述并结合冲击试验， 采用八个动力特征 系数法来研究轴承冲击特性 ［6 ］。 1径向可倾瓦滑动轴承基本动特性 1． 1轴承结构参数 以转速为4 500 r/min 的汽轮发电机径向可倾瓦滑 动轴承为研究对象， 轴承参数如下 直径 110 mm， 长度 58 mm， 最小半径间隙 0． 20 mm， 轴瓦张角 90， 瓦数 4 块， 支点角 45， 40℃时的油运动粘度 67． 57 mm2/s， 油 密度 870 kg/m3， 进油温度 40℃， 进油压力 0． 1 MPa， 轴 承载荷 4 025 N。 1． 2轴承动特性理论分析 根据文献［ 7］ ， 采用 8 个简化动力特性系数分析可 倾瓦轴承的刚度特性， 图 1 显示了弹簧阻尼单元对轴 承刚度的模拟。由文献［ 8］ 可知， 4 瓦块可倾瓦滑动轴 承的 8 个简化动力特性系数当中， 其交叉刚度和交叉 阻尼在稳定状态下近似为 0， 故可简化为 4 参数来进行 模拟。采用文献［ 9］ 中的数值计算方法求解雷诺方程 和能量方程， 获得径向可倾瓦滑动轴承动特性参数， 如 表 1 所示。 ChaoXing 图 1轴承刚度力学模型 Fig． 1Mechanical model to simulate the bearing’ s stiffness 表 1轴承动特性参数表 Tab． 1Dynamic parameters of the bearing 刚度参数/ Nm －1 KxxKxyKyxKyy 2． 2E 008002． 2E 008 阻尼参数/ Nsm －1 CxxCxyCyxCyy 4． 9E 005004． 9E 005 2径向滑动轴承冲击试验 2． 1径向可倾瓦滑动轴承冲击试验台 径向可倾瓦滑动轴承冲击试验台由试验台本体、 驱动系统、 润滑系统以及测试系统组成， 试验台通过橡 胶隔振器弹性安装在冲击机上， 主轴通过联轴器由驱 动电机拖动， 联轴器为膜片式联轴器， 试验系统如图 2 所示。测试变量为冲击机台面加速度、 径向滑动轴承 端转子加速度、 转子轴心位移、 油膜压力、 油温等。试 验测点布置如图 3 所示， A 为加速度传感器， D 为电涡 流传感器， T、 P 分别为内置于轴承内的温度传感器和 压力传感器 ［10 ］。 图 2冲击试验现场照片 Fig． 2Photo of the shock test device 2． 2冲击输入测试结果 冲击试验在中型冲击机上实施， 砧板行程 76 mm， 落锤高度分 45 cm， 75 cm， 100 cm， 125 cm， 140 cm 五种 工况。经隔振器隔离后的轴系基座表面垂向加速度为 轴承系统的冲击输入载荷， 通过加速度传感器直接测 图 3测点布置示意图 Fig． 3Layout of the measure points 得， 其包含了峰值、 作用时间和波形 3 个特性， 如图 4 ～ 8 所示。根据文献［ 11］ ， 可采用冲击速度来对冲击激 励进行描述和比较， 冲击速度是冲击输入脉冲曲线下 的面积， 它包括了峰值、 作用时间和波形 3 个因素， 这 样用一个物理量就可以完整地描述冲击输入特性了。 对基座冲击加速度曲线进行积分， 获得基座垂向冲击 速度曲线， 如图 9 ～13 所示。 图 4基座冲击加速度 45 cm 锤高 Fig． 4Shock acceleration of the supporting base Height of hammer is 45 cm 图 5基座冲击加速度 75 cm 锤高 Fig． 5Shock acceleration of the supporting base Height of hammer is 75 cm 87振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 图 6基座冲击加速度 100 cm 锤高 Fig． 6 Shock acceleration of the supporting base Height of hammer is 100 cm 图 7基座冲击加速度 125 cm 锤高 Fig． 7 Shock acceleration of the supporting base Height of hammer is 125 cm 图 8基座冲击加速度 140 cm 锤高 Fig． 8 Shock acceleration of the supporting base Height of hammer is 140 cm 图 9基座冲击速度 45 cm 锤高 Fig． 9Shock velocity of the supporting base Height of hammer is 45 cm 图 10基座冲击速度 75 cm 锤高 Fig． 10Shock velocity of the supporting base Height of hammer is 75 cm 图 11基座冲击速度 100 cm 锤高 Fig． 11Shock velocity of the supporting base Height of hammer is 100 cm 图 12基座冲击速度 125 cm 锤高 Fig． 12Shock velocity of the supporting base Height of hammer is 125 cm 2． 3冲击响应测试结果 转子位移为轴系冲击响应， 每一测点处的转子位 移由电涡流传感器测得， 电涡流传感器通过刚性较强 的过渡支架安装于基座面板上， 测得的转子位移理论 上等于转子与基座的相对位移。测得的转子垂向位移 曲线如图 14 ～ 图 18 所示。 图 13基座冲击速度 140 m 锤高 Fig． 13Shock velocity of the supporting base Height of hammer is 140 cm 图 14转子垂向位移 45 cm 锤高 Fig． 14Vertical displacement of the rotor Height of hammer is 45 cm 图 15转子垂向位移 75 cm 锤高 Fig． 15Vertical displacement of the rotor Height of hammer is 75 cm 图 16转子垂向位移 100 cm 锤高 Fig． 16Vertical displacement of the rotor Height of hammer is 100 cm 图 17转子垂向位移 125 cm 锤高 Fig． 17Vertical displacement of the rotor Height of hammer is 125 cm 图 18转子垂向位移 140 cm 锤高 Fig． 18Vertical displacement of the rotor Height of hammer is 140 cm 97第 20 期李佳等 典型汽轮发电机可倾瓦径向轴承冲击刚度研究 ChaoXing 对比冲击响应与冲击输入， 冲击响应 转子位移 与冲击输入 基座冲击加速度 的相位相反， 脉宽基本 一致。 3基于冲击响应的轴承冲击刚度识别 3． 1基于冲击响应辨识轴承刚度的基本原理 本文采用有限元法 ［12 －15 ］和黑箱法［16 ］识别轴承冲 击刚度， 识别理论模型如图 19 所示， 冲击机台面冲击 加速度为 x i， 基座冲击加速度为 x s，转子轴颈位移为 xr。对于瞬态冲击载荷， 激励持续时间短暂， 阻尼的作 用主要体现在对冲击残余响应的衰减， 对峰值响应的 抑制效果有限， 故仅对轴承的冲击刚度进行识别， 阻尼 系数按照动态阻尼系数 Cd进行取值。轴承的等效冲 击刚度为 kb，采用弹簧单元模拟。黑箱法的基础就是 在冲击模拟过程中建立同样的输入输出， 忽略其他次 要因素， 本文的输入为基座冲击加速度 x is， 输出为转 子位移 Xr。 图 19轴承冲击刚度识别理论模型 Fig．19 Simplified model to identify the bearing’ s shock stiffness 3． 2试验装置冲击仿真模型 轴系试验装置有限元模型及轴系局部特征如图 20 ～ 图 21 所示。 基座、 轴承座、 转子采用实体单元模拟， 可倾瓦轴 承的瓦块和油膜整体视为影响冲击响应的轴承黑箱， 采用四参数 kxx， kyy， Cxx， Cyy 弹簧单元来模拟， 且 kyy kxx kb， Cyy Cxx Cb，kb为待识别冲击刚度参数， Cb 按动刚度 Cd进行取值。 3． 3轴承冲击刚度识别结果 从 0． 5kd～3． 0kd范围内对 kb进行取值， 计算冲击 响应， 以位移曲线的第一个峰值为响应目标， 当计算峰 值与测试峰值相同时， 认为轴承冲击刚度有效且 kb， Cd 的组合可用于冲击响应的模拟。识别结果如图 22 ～ 图 26 所示， 图中分别对测试曲线和计算曲线进行 了 100 Hz 的低通滤波， 使曲线趋于平滑。 从图 22 ～ 图 26 可以看出， 仿真计算得到的响应波 形与时域波形比较一致， 但存在一定的时间延迟， 刚度 识别的条件为计算结果的首峰值与测试结果相同。此 外， 次峰值和首脉宽的对比结果分别如表 2 和表 3 所示。 图 20轴系试验装置有限元模型 Fig． 20Finite element model of the shock test device 图 21轴系局部特征 Fig． 21Specific model of the rotor- bearing system 图 2245cm 工况识别曲线 kb3． 95 108 N/m Fig． 22Comparison curves for identifying the shock stiffness Height of hammer is 45 cm; kb3． 95 108N/m 图 2375 cm 工况识别曲线 kb4． 41 108 N/m Fig． 23Comparison curves for identifying the shock stiffness Height of hammer is 75 cm; kb4． 41 108N/m 08振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 图 24100 cm 工况识别曲线 kb4． 78 108N/m Fig． 24Comparison curves for identifying the shock stiffness Height of hammer is 100 cm; kb4． 78 108N/m 图 25125 cm 工况识别曲线 kb5． 14 108N/m Fig． 25Comparison curves for identifying the shock stiffness Height of hammer is 125 cm; kb5． 14 108N/m 图 26140 cm 工况识别曲线 kb5． 36 108N/m Fig． 26Comparison curves for identifying the shock stiffness Height of hammer is 140 cm; kb5． 36 108N/m 表 2计算与测试结果对比表 次峰值对比 Tab． 2Comparison between the simulation and test for the 2ndpeak 工况 冲击刚度 kb/ Nm －1 次峰值 D210 －5 /m 测试计算误差/ 45 cm 锤高3． 95 10 8 9． 08． 82． 2 75 cm 锤高4． 41 10 8 10． 610． 70． 9 100 cm 锤高4． 78 10 8 10． 810． 52． 8 125 cm 锤高5． 14 108 12． 210． 910． 7 140 cm 锤高5． 36 10 8 13． 212． 18． 3 表 3计算与测试结果对比表 首脉宽对比 Tab． 3Comparison between the simulation and test for the 1stpulse width 工况 冲击刚度 kb/ Nm －1 首脉宽 τ1/ms 测试计算误差/ 45 cm 锤高3． 95 10 8 48． 353． 310． 4 75 cm 锤高4． 41 10 8 54． 559． 18． 4 100 cm 锤高4． 78 10 8 57． 766． 014． 4 125 cm 锤高5． 14 108 58． 467． 715． 9 140 cm 锤高5． 36 10 8 60． 269． 315． 1 根据表 2 ～ 表 3 中的轴承冲击刚度识别结果， 比较 冲击刚度、 动刚度与冲击速度的关系， 如表 4 所示。 当冲击速度为 0 m/s 时， 轴承冲击刚度等于动刚 度。通过分析表 4 中的冲击刚度识别结果， 发现轴承 冲动比与冲击速度近似呈线性关系， 为进一步分析冲 动比与冲击速度之间的规律， 对冲动比与冲击速度之 间的关系进行拟合， 冲动比 δ 与冲击速度 V 之间的 关系式为 δ C D V 1 式中 C 和 D 为常数。其中， C 1， 代表冲击速度为 0 时轴承冲击刚度等于动刚度， 通过最小二乘法求得 D 值为 0． 83， 冲动比与冲击速度的拟合关系对比曲线， 如 图 27 所示。 表 4轴承冲击刚度识别结果 Tab． 4Identification results for the bearing’ s shock stiffness 工况 冲击加 速度 A/ ms －2 冲击速 度 V/ ms －1 冲击刚 度 k b/ Nm －1 动刚度 kb/ Nm －1 冲动比 δ/ δ kb kd 45 cm 锤高30 1．03．95 1082．20 1081．80 75 cm 锤高40 1．24．41 1082．20 1082．00 100 cm 锤高47 1．54．78 1082．20 1082．17 125 cm 锤高56 1．65．14 1082．20 1082．34 140 cm 锤高66 1．75．36 1082．20 1082．44 图 27轴承刚度冲动比与冲击速度关系曲线 Fig． 27Curves for the relation of δ to V 从图 27 可以看出， 轴承刚度冲动比与冲击速度近 似呈线性关系， 关系式 δ 1 0． 83 V 可以较准确地 反映冲动比与冲击速度的关系。 4结论 本文通过搭建径向可倾瓦滑动轴承冲击试验台并 实施不同冲击能量下的冲击试验， 采用试验结合数值 仿真的研究手段， 结合黑箱法识别了径向可倾瓦滑动 轴承的冲击刚度， 并通过分析获得了工程实用的冲动 比与冲击速度之间的拟合关系。得到以下结论 1 径向可倾瓦滑动轴承的冲击特性可采用等值 非交叉刚度 Kxx和 Kyy来模拟， 该模拟方法在冲击响应 的前两个峰值具有较好的适用性。 2 轴承冲击刚度与动刚度之比冲动比 δ 与冲 击速度 V 存在 δ 1 0． 83 V 的拟合关系。拟合曲 18第 20 期李佳等 典型汽轮发电机可倾瓦径向轴承冲击刚度研究 ChaoXing 线与原识别曲线具有较好的符合性， 本方法为滑动轴 承冲击刚度的识别以及为转子 － 轴承系统的冲击动力 学研究提供了理论依据。 参 考 文 献 ［1］ 钟一谔， 河衍宗， 王正， 等． 转子动力学［ M］ ． 北京 清华大 学出版社， 1987． ［2］ 闻邦椿， 顾家柳， 夏松波， 等． 高等转子动力学 － 理论、 技 术及应用［ M］ ． 北京 机械工业出版社， 2000． ［3］ 张宇， 陈宇恕， 毕勤胜． 转子 － 轴承 － 基础非线性动力学 研究［ J］ ． 振动工程学报， 1998， 11 1 24 －30． ZHANG Yu，CHEN Yushu， BI Qinsheng． Nonlinear dynamic analysis of rotor- bearing- foundation system ［J］ ． Journal of Vibration Engineering， 1998， 11 1 24 －30． ［4］ 崔颖， 刘占生， 叶建槐． 大型非线性转子 － 密封 － 轴承系 统的不平衡响应与稳定性［ J］ ． 振动与冲击， 2011， 30 5 205 －207． CUI Ying，LIU Zhansheng，YE Jianhuai． Dynamic response and stability of a large scale nonlinear rotor- seal- bearing system［ J］ ． Journal of Vibration and Shock，2011，30 5 205 －207． ［5］ 孟光． 转子动力学研究的回顾与展望［ J］ ． 振动工程学报， 2002， 15 1 1 －9． MENG Guang． Retrospect and prospect to the research on rotor dynamics［ J］ ． Journal of Vibration Engineering，2002， 15 1 1 －9． ［6］ 特劳佩尔． 热力透平机［ M］ ． 郑松宇， 等译． 北京 机械工 业出版社， 1988 603 －609． ［7］ 徐钢峰， 谢明春， 顾越， 等． 汽轮发电机径向滑动轴承性能 研究［ J］ ． 润滑与密封， 2007， 32 6 112 －114． XU Gangfeng，XIE Mingchun，GU Yue，et al． Research of the perance of journal bearings in turbogenerator［J］ ． Lubrication Engineering， 2007， 32 6 112 －114． ［8］ 王丽萍， 乔广， 郑铁生． 可倾瓦轴承的完整动力分析模型 及计算方法［ J］ ． 机械工程学报， 2008， 44 1 75 －80． WANG Liping，QIAO Guang，ZHENG Tiesheng． Analysis and calculate model for the complete dynamical coefficients of titling- pad bearings ［J］ ．Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2008， 44 1 75 －80． ［9］ 郭伟， 戴俊， 李国平， 等． 径向可倾瓦轴承动特性特征参数 影响研究［ J］ ． 船舶工程， 2014 增刊 1 62 －65． GUO Wei，DAI Jun，LI Guoping，et al．Study of the characteristic parameters influence of titling- pad journal radial bearing dynamic perance ［J］ ． Ship Engineering，2014 Sup1 62 －65． ［ 10］ 孙云昊， 金健， 吴兵， 等． 可倾瓦径向滑动轴承油膜动特性 实验测试［ J］ ． 润滑与密封， 2014， 39 4 98 －104． SUN Yunhao，JIN Jian，WU Bing，et al． An experimental test of the dynamic characteristics of titling- pad journal bearins ［J］ ．LubricationEngineering， 2014，39 4 98 －104． ［ 11］ 汪玉， 华宏星． 舰船现代冲击理论及应用［ M］ ． 北京 科学 出版社， 2005． ［ 12］ 赵腾伦． ABAQUS 6． 6 在机械工程中的应用［ M］ ． 北京 中国水利水电出版社， 2007． ［ 13］ 陈海燕． ABAQUS 有限元分析从入门到精通［ M］ ． 北京 电子工业出版社， 2015． ［ 14］ 楼江雷 唐进元． 基于 CAE/CAT/CAO 的齿轮箱轴承结合 部等效刚度识别方法［J］ ． 振动与冲击， 2014，33 23 81 －86． LOU Jianglei， TANG Jinyuan．A of equivalent stiffness identification for bearing joint of gearbox based on CAE/CAT/CAO［ J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2014， 33 23 81 －86． ［ 15］ 郝烨江， 李强， 郑静． 基于 ABAQUS 的列车轴箱轴承动力 学分析［ J］ ． 轴承， 2014 3 10 －15． HAO Yejiang，LI Qiang，ZHENG Jing． Dynamics analysis of train axle box bearings based on ABAQUS［J］ ．Bearing， 2014 3 10 －15． ［ 16］ 金亚坪． 黑箱理论及其应用［ J］ ． 电力技术， 1985 11 ． 28振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing