清漆对旋转机械轴承性能和振动的影响

摘要

清漆是附着在轴承内表面的一种污垢。建立了分析其对轴承性能和转子振动影响的模型。在雷诺方程的基础上，采用迭代法同时求解了压力和温度分布。研究发现，轴承性能的变化是由于清漆前缘的阶梯流动效应。当转速较低时，其影响更为明显。轴承清漆导致最小间隙的大幅减少和油膜温度和压力的增加。轴承承载能力也降低。它对轴承有害。涂了清漆后，最小油膜厚度减小。这导致轴承刚度和阻尼系数的增加。 Its influence is larger in the horizontal direction than that in the vertical direction. The trend of unbalance response to rotating speed is similar. There is little influence of the varnish on the modal frequency. However, system stability is improved due to the increased bearing damping coefficients.

1.介绍

轴颈轴承对旋转机械的安全运行有很大的影响。在轴承内表面与轴颈之间的收敛间隙中形成的挤压流效应下，机床可靠地工作。

随着工业的发展，轴颈表面速度越来越高，轴承负荷越来越重。轴颈轴承出现清漆问题[1］．清漆是附着在轴颈轴承内端面附近的一种污垢，导致轴承润滑不良。它可能导致不可接受的温度上升和振动[1］．目前，对清漆的形成机理、检测、预防和去除等方面的研究正在进行中[2］．清漆的形成与润滑油的质量和滑动轴承的状态有关。轴承的变负载操作产生的高温会加速清漆的形成[3.］．

轴承清漆间隙不规则。对不规则间隙轴承性能的研究主要集中在沟槽或微织构方面[4- - - - - -8］．轴承性能可通过在接触面上适当安排织构区域来提高[9，10］．纹理的排列，主要是轴颈轴承上的位置域，是提高轴颈轴承性能的主要标准。有趣的是，在轴承的第一个角部分(0和180之间)放置凹窝，这是最大压力区域[11］．适当选择槽长、槽宽或槽间距，可减小气泡的最大半径、坍塌压力和坍塌温度。存在一个临界槽深度，使气泡压力和温度最小[12］．还比较了表面变化(如变形或沟槽)对轴承性能的影响[13］．与球面织构相比，微槽织构降低了摩擦系数，平均温度最高。研究了纹理分布对振动的影响[14］．设计了三种纹理配置，并应用于下垫面。与非纹理轴承相比，纹理轴承的加速度幅值显著降低。

从许多轴承的检查结果来看，清漆面积比预期的要大。与沟槽和微纹理不同，清漆是轴承内表面的一种突出物。它主要位于轴承载荷区域，靠近最小间隙，是轴承最危险的区域。它对轴承性能的影响可能很大。应该关注这一领域的研究。

本文研究了清漆对轴承性能和转子振动的影响。比较了负载能力、温升、油膜厚度和动态系数。所得结论可用于轴承状态监测。

2.轴承型号带清漆

2．1．清漆模型

Varnish(清漆)是附着在轴颈轴承内表面附近的负荷区污垢，如图所示1(一)．数字1 (b)显示4照片轴承与清漆。

为便于分析，对清漆形状进行了简化。假设边界呈梯形分布，内表面呈均匀分布，如图所示1 (c)．这个假设保证了清漆在边界上的近似连续性。

带有清漆的轴承间隙可表示为[15］ 间隙对周向角的偏导数为

2．2.润滑方程

采用二维(2D)雷诺方程。考虑轴对称;选取求解区域为矩形区域ABCD，如图所示2．图中清漆区域用线条网格表示。

雷诺方程的无量纲形式为[15］ 有摄动压力的雷诺方程 由于变量为[16］ 的边界条件3.)和(4) 在迭代过程中，如果出现负压，则将pressure设置为0。

清漆的厚度远小于焊盘的厚度。对垫层厚度方向的导热影响不大。这样就省去了热传导项。简化的二维绝热边界条件能量方程为[13］ 轴向采用对称边界条件: 对于槽处的油混合条件，假定油温为循环油与入口油的混合温度。混合温度取循环温度与进油温度的平均值。它表示为 润滑油粘度随温度的变化由下式表示[13]： 方程(3.）, (6)和(9)，用迭代法求解。假设轴承内油温分布，油粘度计算为(9)，油膜压力用(3.)．将计算的压力代入(6)，得到了新的温度分布。为迭代过程，初始温度是已知的。温度 用(6)从开始角到结束角，一步一步。然后取平均值(8)以获得新的温度 ．当求解的温度场完全收敛时，迭代过程停止。当求解的压力和温度场完全收敛时，整个迭代过程停止。

轴承载荷由轴向和周向积分得到[15]： 8维无动力系数 可由[16］

2．3.网格独立测试

计算精度取决于网格密度。用负载和最大压力来测试网格独立性。随着轴承中轴颈偏心比的增大，应加大啮合密度。因此，在大偏心比下进行了网格独立性试验 ．

表格1给轴承数据。数字3.显示了载荷和最大压力随网格密度的变化。当网格密度大于4000时，负载和最大压力变化不大。为保证精度，最后采用轴向60与周向180的啮合方式。

2．4．轴颈在轴承中的位置

预先计算了不同偏心比和姿态角下的油膜力。反向传播神经网络以其强大的非线性映射能力而闻名。一个三层反向传播神经网络，隐含层有8个节点，如图所示4，用于绘制力与轴承轴颈位置之间的函数关系。神经网络的输入是水平方向和垂直方向的载荷。神经网络的输出是轴颈偏心率和姿态角。为提高映射精度，分别对小载荷情况和大载荷情况的神经网络进行了训练。一旦给定轴承载荷，就可以很容易地计算出轴颈在轴承中的位置。

3.清漆对轴承性能的影响

轴承数据如表所示1．在分析中，清漆的无因次厚度从0.0改变为0.3。清漆位于负载区。前缘角和后缘角分别为165°和192°，清漆弧长约为27°。在轴承载荷相同的情况下，研究了清漆对轴承性能的影响。

3．1.油膜厚度

数字5比较了轴承加清漆和不加清漆时中心截面沿周向的油膜厚度分布情况。数字6显示了最小油膜厚度随清漆厚度的变化。清漆区油膜厚度较小。最小油膜厚度随清漆厚度的增加而减小。

3．2．轴承压力分布

数字7比较轴承油膜压力分布。在清漆区以外，在轴承收敛区形成的挤压膜的作用下，油压逐渐增大。在清漆的前缘，由于轴承间隙突然变小而形成阶梯流动效应。压力迅速增加，出现最大压力。无迹轴承的性能取决于挤压膜效应和阶梯流效应的共同作用。

3．3.杂志上的位置

数字8显示轴颈偏心率随轴承载荷的变化。由于轴承载荷仅由挤压膜效应支撑，不涂漆轴承的轴颈偏心率较大。数字9显示轴颈偏心率随清漆厚度的变化。数字10显示了偏心比和姿态角随转速的变化。对于带有清漆的轴承，轴承负荷部分由清漆引起的阶梯流动效应补偿。因此，清漆越厚，轴颈偏心率越小，姿态角越大。

3．4．轴承温度

数字11比较了不同清漆厚度轴承的温度分布。油膜温度在清漆前缘处迅速升高，在后缘处达到最大值。数字12显示最大油温随清漆厚度的变化。最大油温随清漆厚度的增加而增加。在清漆早期，温度增长趋势缓慢。但随着厚度的增加，温度上升趋势越来越明显。

数字13图的第三个方位显示了一年的温度趋势1 (b)．虽然轴承温度不高，但生长趋势明显。温度越来越高。轴承已大修检查。轴承内表面出现消失，如图所示1 (b)．轴承中发现的温升现象与图中的模拟结果几乎相似12．

3．5.装载量

数字14显示最小间隙随轴承载荷的变化。随着清漆厚度的增加，相同最小间隙对应的载荷减小。这意味着有清漆轴承的承载能力小于无清漆轴承的承载能力。

轴承上的清漆导致最小间隙大大减小，油膜温度和压力增加。轴承承载能力降低。对轴承的安全运行有危害。

3.6。轴承动态系数

数字15显示了轴承刚度和阻尼系数随频率的变化。轴承涂清漆后刚度和阻尼系数较大。其影响在水平方向大于垂直方向。在低速时，台阶流动引起的动压效应比较大。这导致了更大的影响轴承动力学在低速。

在稳定性研究中，轴承等效刚度和临界旋转比可用轴承系数表示。它们分别为[17］ 计算结果见表2．对于本案例研究的轴承， ．这意味着轴承是稳定的。然而，对于涂清漆的轴承，其等效刚度较高，临界旋转比较低。说明清漆对轴承稳定性有一定的积极作用。

4.清漆对转子不平衡响应和系统稳定性的影响

4．1.动力学方程

转子轴承系统的动力学方程为[18］ 假设 用(14) (13)，我们可以得到 用该方程可以计算不平衡响应。

对应于(13)可以写成 的一阶微分方程16) 特征值和特征向量是 系统的稳定性用对数衰减率表示 ．它可以由系统的特征值计算出来 ： 价值越大是，系统越稳定。为了保证系统的稳定性， ．

4．2．低压转子模型

采用了大型汽轮机的低压转子。数字16显示了模型。轴承数据如表所示1．表中给出了轴的数据3.．考虑到轴的对称性，只给出了轴的一半数据。

4．3．不平衡响应分析

三个不平衡质量如表所示4施加在转子上。第一组和第三组质量代表耦合不平衡，第二组质量代表中间平面的静态不平衡。

上浆过程中，清漆对垂直振动和水平振动的影响如图所示17．对于有清漆和没有清漆的轴承，其对转速的响应趋势是相似的。清漆对水平振动的影响大于对垂直振动的影响，特别是在低速区。这与清漆对轴承动态特性的影响是一致的。涂清漆的轴承水平方向的阻尼系数大。其在第一临界转速区附近的振动控制效果明显。

4．4.系统的稳定性

最低阶模态容易不稳定，因而备受关注。本文对第一模态和第二模态的稳定性进行了分析。

表格5显示清漆对系统稳定性的影响。清漆对模态频率的影响很小。然而，由于轴承阻尼系数的增加，系统的稳定性得到了改善。结论与本节相同3．6．

5.结论

本文研究了清漆对轴承性能和转子振动的影响。结果表明:

(1)带有清漆的轴承性能是由清漆前缘的阶梯流动效应改变的。与轴承收敛间隙区的挤压流动效应相比，低速情况下清漆的影响更为明显。

(2)轴承上的清漆使最小间隙大大减小，油膜温度和压力增加。轴承承载能力也降低。有害于轴承的安全可靠运行。

(3)轴承涂清漆后，最小油膜厚度减小。这导致轴承刚度和阻尼系数的增加。其影响在水平方向大于垂直方向。

(4)轴承有清漆或没有清漆时，其对转速的响应趋势相似。其对水平振动的影响大于对垂直振动的影响，特别是在低速区。这与清漆对轴承动态特性的影响是一致的。清漆对模态频率的影响很小。然而，由于轴承阻尼系数的增加，系统的稳定性得到了改善。

命名法

符号

	无量纲轴承间隙
	维轴承间隙
：	无量纲漆厚度
	周向角
	《偏心率
	《古怪
：	杂志姿态角
	轴承径向间隙
	轴承直径
	轴承半径
	轴承长度
	轴承轴向无量纲坐标
	无量纲油压
	维油压
：	摄动油压
	油温
	油的密度
	原油粘度
	油粘度系数
：	比热容
	期刊速度
：	承受水平和垂直方向的载荷
：	轴承刚度系数
：	轴承阻尼系数
：	轴承等效刚度
：	临界旋转比
	转速
	对数衰减率
	系统质量、刚度和陀螺/阻尼矩阵
	自由度向量
	外力向量
	系统特征值
：	系统特征向量
：	位移矢量幅值
：	力矢量的振幅
	变量的实部
	变量的虚部。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

1. F.横山，Y. Iwama, M. Maruyama和M. Sano，“涡轮油中的微粒污染导致轴瓦上的沉积物”，摩擦学在线，第10卷，第5期。2, pp. 162-171, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. A. Yano, S. Watanabe, Y. Miyazaki, M. Tsuchiya, Y. Yamamoto，“汽轮机油氧化过程中污泥形成的研究”，摩擦学的事务，第47卷，第47期。1, 2004。视图:出版商的网站|谷歌学者
3. A. Sasaki, S. Uchiyama, M. Kawasaki，《燃气轮机油系统的清漆形成》，ASTM国际杂志，第5卷，第5期。2、2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
4. T. V. V. L. N. Rao, A. M. A. Rani, T. Nagarajan，和F. M. Hashim，“使用部分织构滑动表面的滑块和轴颈轴承分析”，摩擦学国际，第56卷，第121-128页，2012。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. N. Tala-Ighil和M. Fillon，“热表面和变形表面对轴颈轴承静态特性影响的数值研究”，摩擦学国际，第90卷，228-239页，2015。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. C. Sinanoğlu, F. Nair, M. B. Karamış，“轴表面纹理对轴颈轴承压力分布的影响”，材料加工工艺学报第168期2，页344-353,2005。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. 杨涛，“变形滑动轴承润滑中空化机理的初步研究”，《机械工程学报》，机械工程师学会学报，J:工程摩擦学学报号，第227卷。7, pp. 695-708, 2013。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. 邱敏，B. R. Minson, B. Raeymaekers，“纹理形状对气体润滑平行滑动轴承摩擦系数和刚度的影响，”摩擦学国际， vol. 67, pp. 278-288, 2013。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. a . De Kraker, R. a . J. Van Ostayen，和D. J. Rixen，《纹理平均雷诺方程的发展》，摩擦学国际号，第43卷。11，页2100-2109,2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. C. B. Khatri和S. C. Sharma，“织构表面对使用非牛顿润滑剂的非凹槽混合滑动轴承性能的影响”，摩擦学国际，第95卷，第221-235页，2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. N. Tala-Ighil, M. Fillon，和P. Maspeyrot，“纹理面积对流体动力轴颈轴承性能的影响”，摩擦学国际，第44卷，第5期。3，页211-219,2011。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. 张龙，“沟槽织构对轴颈轴承气泡性能的影响”，《机械工程学报》，摩擦学学报，第139卷，第139期3、文章ID 031701, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
13. S. Kango, R. K. Sharma, R. K. Pandey，“纹理和沟槽流体动力轴颈轴承的比较分析”，机械工程师学会学报，J:工程摩擦学学报第228卷，第228号1, pp. 82-95, 2014。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. 董建军，“表面织构滑动轴承振动特性的实验研究”，冲击和振动文章编号1261826,9页，2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
15. V. Brizmer和Y. Kligerman，《激光表面纹理轴颈轴承》，摩擦学学报第134期3、条款ID 031702, 2012。视图:出版商的网站|谷歌学者
16. O. Ebrat, Z. P. Mourelatos, N. Vlahopoulos，和K. Vaidyanathan，“轴颈轴承动态特性的计算，包括轴颈错位和轴承结构变形，”，摩擦学的事务，第47卷，第47期。1，页94-102,2004。视图:出版商的网站|谷歌学者
17. 陈志勇，“人字槽滑动轴承的动态特性研究”，应用数学与信息科学，第7卷，第5期3, pp. 1215-1223, 2013。视图:谷歌学者
18. K. L. Cavalca, P. F. Cavalcante，和E. P. Okabe，“支承结构对转子系统动力学影响的研究”，机械系统和信号处理第19卷第2期1，页157-174,2005。视图:出版商的网站|谷歌学者

版权

版权所有©2017张初等人。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。