基于振动控制的超重力离心机滑动轴承设计方法

本发明属于超重力离心机设计与运行技术领域的滑动轴承轴承设计方法，涉及一种基于滑动轴承设计及使用方法的超重力离心机运行质量调控优化方法，以有效控制超重力离心机振动控制。

背景技术：

超重力离心机以其具有缩时、缩尺、缩时的效果在科学研究中得到了广泛的应用，各国学者已利用机载装置在超重力离心机上开展的超重力试验在重大工程防灾减灾、深地深海资源开发、地下空间利用、新材料研制、地质过程研究、航空航天等领域中取得了许多具有深远影响的科学突破和显著的经济设计效益。国内外超重力离心机发展趋势为：大容量、高离心加速度、搭载的机载装置类型多、机载装置对超重力离心机的振动要求更极端。

超重力离心机的安全运行不仅体现在振动模态和临界转速方面，还体现在其振动特性上，由于机载装置搭载在超重力离心机上进行离心试验模拟，超重力离心机的振动特性将直接反馈至机载装置上，其振动特性直接影响到离心模拟的试验品质及有效性，如材料制备装置使用的熔炼坩埚为脆性材料，在超重力离心机振动过大时会导致坩埚的破裂，严重时将引起安全事故。已有的超重力离心机由于容量不大、转速不高，多采用滚动轴承结构，滚动轴承是标准件，在轴承的选用上面主要依据为载荷及转速要求，其刚度因素在以往超重力离心机轴承选用时是鲜有考虑的，而轴承的刚度直接影响超重力离心机的动力稳定性及振动特性，因此已有超重力离心机振动的控制较为被动，只能通过控制超重力离心机上的不平衡力来控制，难以在本质上起到抑制振动达到提高试验环境品质的效果。

随着超重力离心机容量要求的增大，由于强度刚度等方面的安全性要求，新建超重力离心机的尺寸也随之增大，导致设计轴系在尺寸、转速及承载能力要求方面无法选择到合适的滚动轴承型号，采用不受尺寸限制及具备更大承载能力的滑动轴承支承方式将成为一种趋势，如cn109253872a号发明专利申请公开了一种高速土工超重力离心机，其中也提到为了适应土工超重力离心机高负载、高转速的工况，将超重力离心机的中导及下导轴承采用液体动静压滑动轴承。相比于滚动轴承，滑动轴承具有一定的减震作用且多为定制设计，其支承刚度可控性较大，承载能力高，但承载能力与刚度之间存在一定的制约关系，通过合理的设计可实现较好的振动抑制效果，同时可通过安装时的间隙调整进一步实现振动控制。目前跟超重力离心机相似的应用背景为水轮机，同样为立式机组，采用滑动轴承支承结构，但其结构接近于盘式转子，工作转速、荷载相对较稳定，对于转子振动的控制主要体现在主轴支承位置摆度幅值上，且转子上无搭载实验装置，对转子振动特性无特殊要求，而超重力离心机为臂式结构，机载装置试验需求的转速变化范围较大、产生的不平衡力亦是变量，对振动的要求也存在多样性。水轮机的滑动轴承设计思路已经较为成熟，但直接的拿来主义用于超重力离心机的设计可能难以满足机载装置对转子振动控制的要求。

掌握超重力离心机转子在运行过程中的动力特性及关键部件的设计方法对整个机组的安全运行及试验品质的提高具有重要作用。

cn109253872a号发明专利申请公开了一种基于ceemdan的转子运行状态监测方法。该方法的工作原理：利用振动模拟试验台模拟转子的振动过程，通过传感器采集到的振动状态参数作为数据样本，对采集到的振动状态参数进行分解并对模态进行识别。

cn109520690a号发明专利申请公开了一种基于视频的旋转机械转子模态振型全局测量装置及方法。该方法的工作原理：在转子周围布置位移传感器，获得其基频等全局参数；通过影像放大技术对视频中振动变化进行振幅放大；对转子振动后的影像进行分析并确定其模态振型。

《福建建材》期刊2002年01期中“运转工况下超重力离心机转子模态参数的识别及分析”一文中介绍了在运转工况下，利用时域识别方法识别了几种情况下矿棉超重力离心机转子系统的模态参教。

《工程设计学报》期刊2006年03期中“超重力离心机动力学特性分析及设计技术”一文中介绍了采用有限元方法，对超重力离心机的动态特性进行分析，得到超重力离心机的各阶固有频率及模态振型随转速变化的规律，并对超重力离心机进行了模态试验。

《长江科学院院报》期刊2012年29卷03期中“大型土工超重力离心机tlj-500模态分析与试验”一文中介绍了分别采用理论计算和试验的方法对大型土工超重力离心机进行模态分析，得到了前若干阶模态参数，并将两种方法得到的模态频率和振型进行了比较。

cn110404693a号发明专利申请公开了一种大型超重力离心机设计方法，该方法的工作原理是：根据设计需求选取成熟产品的原型超重力离心机作为相似设计参考模板，根据相似设计理论和缩放因子k求解预设计超重力离心机的相关技术参数。

cn111881525a号发明专利申请公开了一种基于动力模态的超重力安全运行与提高方法，该方法提出根据试验测试不同离心加速度和不同配重下振动模态和固有频率，通过设置安全因子判断超重力离心机是否安全以及控制超重力离心机在安全运行区间的旋转频率和速度。

现有相关技术或方法应用于滑动轴承支承超重力离心机转子系统的主要缺点如下：

(1)现有的关于超重力离心机的安全性评估或检测均是基于滚动轴承支承结构，未考虑到轴承支承刚度对转子系统动态响应的影响，且没有针对滑动轴承支承的超重力离心机的安全性评估方案；

(2)滑动轴承的设计应用主要基于水轮机的成熟经验，但超重力离心机在荷载工况上更加复杂，且对转子的振动品质要求较高，用于超重力离心机的滑动轴承设计及使用方法不成熟，且目前未见有超重力离心机上滑动轴承的应用及相应的设计使用方法。

综上所述，现有技术缺少了针对超重力离心机复杂工况下滑动轴承的设计使用方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述背景技术中的技术问题，而提出了一种基于振动控制的超重力离心机滑动轴承设计优化方法。基于机载装置的荷载及对主机的振动要求对滑动轴承进行设计，以提高转子的整体动力稳定性和试验品质，保证超重力离心机试验安全高品质运行。

本发明所采用的技术方案是：

1)根据n种机载装置的工作空间及载荷需求确定超重力离心机中的多个滑动轴承的空间分布；

2)根据空间分布、载荷工况和转速工况初定超重力离心机的多个滑动轴承的瓦数mj、包角αj、供油槽形式、轴领直径dj、轴承宽径比bj/dj、间隙比ψj、最高瓦温等多个轴承参数；bj表示轴瓦宽度。

所述的机载装置的不同类型例如为振动台、熔铸炉、边坡溜滑触发装置、水合物开采模拟装置、污染物迁移模拟装置、高温高压加载试验、极端气候与环境模拟装置等。

本发明预先统计机载装置的工况，包括试验离心加速度、试验过程中的负载及其变化情况、对主机振动的要求，对主机最大承载能力的要求。

3)针对第i种机载装置ji，设定第j个滑动轴承的轴瓦安装间隙δij；

4)根据轴瓦安装间隙δij数值仿真计算得到各个滑动轴承在支承位置下在超重力离心机的转速ni下轴承刚度kj、阻尼cj分别与偏心量δj的曲线关系；

5)根据步骤1)确定的轴承参数，计算第i种机载装置ji在超重力离心机的吊篮中产生的载荷在第j个滑动轴承上的油膜厚度分布hij、轴瓦温度分布tij、偏心量δij、能耗等参数，然后根据载荷参数获得最小油膜厚度min(hij)及最大轴瓦温度max(tij)并进行校核，若校核满足则进行下一步骤，否则回到步骤1)；

6)将步骤4)获得的轴承刚度kj、阻尼cj分别与偏心量δj的曲线关系代入转子动力学仿真模型，进行转臂端部吊篮内的振动响应计算得到转臂端部吊篮的振幅si、振速vi和振动加速度ai，将转臂端部吊篮的振幅si、振速vi和振动加速度ai与机载装置自身属性允许的振动值进行对比并迭代优化；

7)针对不断重复上述步骤3)～5)对不同种的机载装置进行处理优化多个轴承参数，完成对超重力离心机滑动轴承的设计优化，使得适用于不同种的机载装置进。

所述步骤1)和2)具体为：

s1，统计机载装置试验工况需求，包括每个机载装置的第i种机载装置ji工作的离心加速度gi，载荷fi及机载装置对工作环境振动幅值[simax]、振速[vimax]及振动加速度[aimax]的要求；

s2，根据机载装置工作空间及载荷需求确定超重力离心机导轴承的空间分布，确定滑动轴承的位置，并根据第i种机载装置ji产生的载荷fi确定滑动轴承j处的受力最大值fij，并根据试验离心加速度确定主轴转速ni；

s3，以满足机载装置综合的极限载荷及转速为目标，根据滑动轴承通用设计原则初步确定第j个滑动轴承的瓦数mj、包角αj、供油槽形式、滑动轴承轴领直径dj，轴承宽径比bj/dj、间隙比ψj、最高油温[tmj]、最高瓦温[tjmax]、润滑油物性参数等参数。

所述步骤5)中，按照以下方式进行校核：

以第j个滑动轴承不同表面位置的油膜厚度分布hij中的最小值作为最小油膜厚度min(hij)，以第j个滑动轴承不同轴瓦位置的轴瓦温度分布tij中的最大值作为最大轴瓦温度max(tij)，然后进行判断：

若min(hij)＞[hjmin]且max(tij)＜[tjmax]，[hjmin]表示滑动轴承最小油膜厚度的设计目标值，[tjmax]表示滑动轴承轴瓦的温度的最大目标值，则校核满足；

否则回到步骤1)，改变多个轴承参数进行重新计算载荷参数直至满足要求。

所述步骤6)中进行对比并迭代优化，具体为：

若转臂端部吊篮的振幅si、振速vi和振动加速度ai均小于机载装置自身属性允许的振动值，则多个轴承参数满足第i种机载装置ji对振动的要求，多个轴承参数在轴瓦安装间隙δij时满足第i种机载装置ji的工作要求；

否则多个轴承参数不满足第i种机载装置ji对振动的要求，多个轴承参数在轴瓦安装间隙δij时不满足第i种机载装置ji的工作要求；继续以预设固定比例减小轴瓦安装间隙δij，返回到步骤3)重新处理进行计算曲线关系，重复步骤4)～5)，直至第j个滑动轴承在设定的轴瓦安装间隙δij时，步骤1)设置的多个轴承参数满足第i种机载装置ji对振动的要求；

若继续以预设固定比例减小轴瓦安装间隙δij均不能达到多个轴承参数满足第i种机载装置ji对振动的要求，则回到步骤1)改变多个轴承参数中的瓦数mj、包角αj、轴领直径dj、轴承宽径比bj/dj及间隙比ψj一部分，重复步骤2)～5)，返回重新进行处理，直至多个轴承参数满足第i种机载装置ji对振动的要求。

所述的转子动力学仿真模型为根据离心机转子-轴承系统的结构建立的有限元模型，该模型由转子系统的质量矩阵[m]、刚度矩阵[k]、阻尼矩阵[c]、系统的振动响应矩阵(包括振动位移矢量[s]、振动速度矢量[v]、振动加速度矢量[a]响应)及对系统施加的载荷[f]组成，其基于的转子轴承系统动力学方程为：

[m][a]+[c][v]+[k][s]＝[f]

将不同轴承刚度、阻尼参数及机载装置的载荷输入转子动力学仿真模型即可获得响应的振幅、速度及加速度响应。

所采用的转子动力学仿真模型可通过基于软件仿真平台recurdyn、ansys等所建立。

本发明为了解决针对各种机载装置在超重力离心机中载荷下的工作适用问题，提出了振动控制的轴承设计优化方式，更进一步采用了振动校核的步骤处理，以减小轴瓦安装间隙δij为手段不断迭代优化。

现有方法并没有针对如本发明转臂端部吊篮的振幅si、振速vi及振动加速度ai处理，而是仅仅获得离心机旋转轴的振幅。而本发明是在步骤4)中处理获得了转臂端部吊篮的振幅si、振速vi及振动加速度ai，进而利用和允许的振动值比较获得轴承参数满足机载装置对振动要求的结果。

本发明在结构参数设计优化时首先以满足机载装置综合的极限载荷及转速为目标进行初步设计，后通过针对各机载装置试验工况进行轴承间隙控制的设计方法实现振动控制，兼顾了机载装置的载荷及振动控制需求。

本发明方法以满足超重力离心机搭载的不同机载装置的振动要求为出发点，已知条件包括机载装置的荷载、离心加速度及振动位移、速度、加速度等方面的要求，首先通过超重力离心机导轴承在结构设计参数及轴承一定安装间隙下的动态特性系数，获得轴承的刚度及阻尼特性，其次通过转子动力学仿真计算获得超重力离心机吊篮内的振动特性，与机载装置的振动需求进行对比并进一步优化，最终获得在滑动轴承使用过程中保持结构参数不变，通过安装间隙调整达到满足机载装置离心模拟试验安全有效进行的目的。

本发明的有益效果为：

本发明从离心模拟机载装置对超重力离心机振动控制的要求出发，以超重力离心机吊篮内的振动控制为目标，在考虑轴承设计、使用与转子振动响应的关系的情况下，提出根据不同机载装置的振动要求进行轴承结构及轴承安装间隙的设计，可起到保证超重力离心机运行安全与机载装置中离心模拟试验有效实现的目的，这在其它旋转机械设计中未考虑到的，也是目前超重力离心机采用滑动轴承时未解决的问题。

本发明的滑动轴承设计方法兼顾了机载装置的负载力及超重力离心机振动控制的要求，可有效提升超重力离心机的工作品质，减少了安全隐患，也可为其它对振动有严格要求的旋转机械的支承系统设计提供借鉴。

本发明有利于解决现有超重力离心机采用滚动轴承时振动控制较为被动的问题，为超重力离心机或相似机械用滑动轴承的设计及使用提供了一种思路，对提升转动轴系的振动水平具有一定的指导意义和实用价值。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为超重力离心机滑动轴承及机载装置的安装示意图；

图3为机载装置荷载及离心加速度要求；

图4为机载装置对吊篮振动要求的示意图；

图5为转速ni、不同轴瓦安装间隙时滑动轴承j的刚度、阻尼与偏心量的关系示意图；a表示不同轴瓦安装间隙时轴承刚度系数变化，b表示不同轴瓦安装间隙时轴承阻尼系数变化；

图6为转速ni、不同轴领直径时滑动轴承j的刚度、阻尼与偏心率的关系示意图；a表示不同轴领直径时轴承刚度系数变化，b表示不同轴领直径时轴承阻尼系数变化；

图7为机载装置对应轴瓦安装间隙的判定示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明方法实施例及其实施过程包括以下过程：

本发明针对机载装置安装在超重力离心机的情况下，对滑动轴承进行优化设计。

如图2所示，机载装置固定在超重力离心机的吊篮，超重力离心机的旋转轴外套设导轴承，在导轴承下高速旋转，导轴承包括滑动轴承和滚动轴承，本发明采用滑动轴承。

具体实施中，在超重力离心机的旋转轴下部设有两个滑动轴承，上部设有一个滑动轴承。

1)如图3和图4所示，首先统计超重力离心机上搭载的n种机载装置试验工况需求，例如振动台、熔铸炉、边坡溜滑触发装置、水合物开采模拟装置、污染物迁移模拟装置、高温高压加载装置、极端气候与环境模拟装置等，包括其工作离心加速度gi，i＝1,2,3…n，i表示第i种机载装置ji，机载装置ji工作产生的载荷fi及机载装置ji对吊篮内环境振动的要求，对环境振动要求包括所允许的振动极限振动幅值[simax]、振速[vimax]及振动加速度[aimax]等。

2)根据机载装置空间分布、荷载工况和离心加速度对超重力离心机上的滑动轴承位置进行初步设定，以一种三导支承方案为例，如图2所示，径向滑动轴承2、3位于转臂下方，径向滑动轴承1位于转臂上方，根据力学分配原则，确定机载装置装置ji作用在滑动轴承j(j＝1,2,3)上的最大值fij以及对应的主轴转速ni。

3)针对第j个径向滑动轴承，综合机载装置ji(i＝1,2,3)的在其上分配力的最大值fij及其转速ni，按照《机械设计手册》中滑动轴承的传统设计方法，初选瓦数mj、包角αj、供油槽形式、轴领直径dj，轴承宽径比bj/dj(bj表示轴瓦宽度)、间隙比ψj、最高油温[tmj]、最高瓦温[tjmax]、润滑油物性参数等参数。

4)计算上述选定结构参数时速度、油膜厚度与承载力的关系，确定轴承的荷载工作范围，以及机载装置ji荷载工况fi在滑动轴承j上对应的主轴偏心量δij、油膜厚度hij、轴瓦温度tij及能耗，并校核最小油膜厚度及轴瓦温度是否满以下条件：

若满足上述条件，则进行下一步计算，若不满足最小油膜厚度及轴瓦温度的限制条件，则需通过对轴承j改变其瓦数mj、包角αj、轴领直径dj，轴承宽径比bj/dj、间隙比ψj重复上述计算，直至满足最小油膜厚度及轴瓦温度的限制条件。

5)在设定的滑动轴瓦安装间隙δij下，计算上述选定结构参数时轴承j(j＝1,2,3)动态特性系数，如图5所示，包括轴承刚度kj(主刚度kjxx、kjyy及交叉刚度kjxy、kjyx)、阻尼cj(主阻尼cjxx、cjyy及交叉阻尼cjxy、cjyx)与主轴偏心δj的关系曲线，以及机载装置ji在载荷工况fi、转速ni时对应的轴承j油膜厚度hij、轴瓦温度tij、能耗等参数，并校核在轴瓦安装间隙δij时是否满足以下条件：

不满足上述条件时，则需对轴承j改变其瓦数mj、包角αj、轴领直径dj，轴承宽径比bj/dj、间隙比ψj重复上述计算，直至满足最小油膜厚度及轴瓦温度的限制条件，进行下一步计算。

6)在本实施实例中，首先根据离心机转子-轴承系统的结构利用三维建模软件proe、ug等建立三维模型，并导入转子动力学分析软件recurdyn中，基于转子动力学方程[m][a]+[c][v]+[k][s]＝[f]([m]表示转子系统的质量矩阵、[k]表示轴承系统的刚度矩阵、[c]表示轴承系统的阻尼矩阵、[s]表示振动位移矢量、[v]表示振动速度矢量、[a]表示振动加速度矢量)，代入针对机载装置ji的安装间隙δij、转速ni时3个滑动轴承的轴承刚度kj、阻尼cj与主轴偏心δj的关系曲线，计算在载荷fi下的转子振动响应，得到吊篮内的振动位移si、振动速度vi及振动加速度ai等参数，并进行如下校核：

若不满足机载装置ji对振动的要求，则继续减小轴承安装间隙δij，并返回步骤5重新进行计算，直至获得的轴承刚度及阻尼参数使得机载装置要求的振动指标满足要求为止。通过改变轴瓦安装间隙δij使得在轴承设计结构参数下可满足所有装置的振动要求，若不能使得装置的振动需求满足要求，则需改变轴承j的瓦数mj、包角αj、轴领直径dj，轴承宽径比bj/dj、间隙比ψj返回步骤4重新进行计算，直至通过轴瓦安装间隙δij的改变可满足所有机载装置的振动要求为止。

以机载装置j1对振动加速度的要求为例，如图5、图6及图7所示，在安装间隙δ1j1时，得到图5(a)、(b)中曲线1所示的滑动轴承j的动态特性系数kj及cj，代入转子动力学计算软件后得到图7中曲线1所示的超重力离心机吊篮内加速度响应，加速度响应值超过机载装置j1的振动加速度允许值，则调整轴瓦安装间隙为δ1j2，重新计算得到图5(a)、(b)中曲线2所示轴瓦间隙为δ1j2时的轴承动态特性系数kj及cj，并将其代入转子动力学计算软件得到机载装置j1对应荷载下超重力离心机吊篮内的振动加速度，其小于机载装置j1所要求的振动加速度极限值[a1max]，则认为轴瓦安装间隙δ1j2为保证机载装置j1安全有效试验所需设定的轴承j的轴瓦安装间隙值δ1j。按照本方法可获得δ2j2为机载装置j2对应于滑动轴承j上的轴瓦安装间隙δ2j，δ3j2为机载装置j3对应于滑动轴承j上的轴瓦安装间隙δ3j。

若采用在初始设计轴承上通过调整安装间隙的方法不能达到所有装置振动需求，则需改变其瓦数mj、包角αj、轴领直径dj，轴承宽径比bj/dj、间隙比ψj，获得更大的径向滑动轴承支承刚度以达到抑制振动的效果，如图6所示，通过改变轴领的直径的方法，当轴领直径由dj1增大至dj2时，可进一步提高支承刚度及阻尼系数，以满足所有机载装置的振动控制需求。