一种测量滑动轴承油膜特性的方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量滑动轴承油膜特性的方法。该方法在建立转子?滑动轴承系统不平衡响应有限元分析模型的基础上，利用转子上的实验测量数据对滑动轴承油膜特性参数进行计算反求。该方法首先将滑动轴承油膜对转子的支撑作用等效成两个径向的边界载荷约束，即等效油膜载荷；其次，基于正则化的动态载荷识别方法，利用测量的转子不平衡响应对等效油膜载荷进行准确稳定重构；再次，建立等效油膜载荷与油膜特性参数之间的映射关系，通过最小二乘法识别油膜的特性参数。本发明能够准确有效地获取常规方法难以确定的滑动轴承油膜特性参数，包括油膜的刚度特性参数和阻尼特性参数。
【专利说明】
一种测量滑动轴承油膜特性的方法
技术领域
[0001] 本发明属滑动轴承油膜特性测量技术领域，尤其涉及一种基于等效动态载荷重构 的滑动轴承油膜特性参数识别方法。
【背景技术】
[0002] 转子-滑动轴承系统的流固耦合动力特性由转子和滑动轴承共同影响。滑动轴承 的油膜特性参数是影响该系统动力特性的关键因素之一。对于转子-滑动轴承系统，滑动轴 承的油膜载荷引起的转子运动失稳现象是突出问题，而滑动轴承的油膜特性参数更是直接 影响电主轴动力特性计算和稳定性分析的重要因素。随着电主轴系统向高速、大功率、大型 化方向发展，工程中对滑动轴承油腔形状的设计要求越来越高。对于复杂油腔从理论或数 值分析角度很难全面准确地求解油膜特性。而依靠实验测试，受技术或经济条件的限制，滑 动轴承的油膜特性参数很难甚至根本无法进行直接测量。由于转子-滑动轴承系统转子的 不平衡响应等动力特性的测量却相对容易和准确，因此利用测量的转子不平衡响应对滑动 轴承油膜特性参数进行识别显得具有重要实际意义。
【发明内容】
[0003] 针对滑动轴承油膜特性参数难以直接实验测量的困难，本发明提出一种利用转子 的不平衡响应来识别滑动轴承油膜特性参数的方法，从而为转子-滑动轴承系统的流固耦 合动力特性以及转子-轴承系统的动平衡控制、故障诊断和检测等的设计研究提供准确的 结构特性参数。
[0004] 根据本发明的一个方面，提供一种基于等效动态载荷重构的滑动轴承油膜特性参 数识别方法，包括如下步骤：
[0005] 步骤1:按照实际情况对转子-滑动轴承系统进行不平衡响应实验，测量获得转子 转动过程中的不平衡响应；
[0006] 步骤2:建立转子的动力学有限元模型，并将滑动轴承油膜对转子的支撑作用等效 成两个径向的边界载荷约束；
[0007] 步骤3:建立转子系统等效油膜载荷反求的正向模型，重构油膜载荷；
[0008] 步骤4:建立等效油膜载荷与油膜特性参数之间的映射关系并进行求解输出。
[0009] 优选地，将油膜特性参数识别问题转化为等效动态载荷识别问题。
[0010] 优选地，在所述步骤1中，测量的不平衡响应包括用于油膜载荷重构的不平衡位移 响应和用于油膜特性参数识别的轴承支撑处转子的不平衡位移和速度响应。
[0011] 优选地，在所述步骤2中，将滑动轴承油膜对转子的支撑作用等效成两个径向的动 态载荷。
[0012] 优选地，在所述步骤3中，转子系统等效油膜载荷反求的正向模型是基于格林函数 法建立的，其表达式为
[0014] 式中ylt)表示油膜载荷引起的转子动态不平衡响应，由测量响应减去计算的不 平衡激振力引起的转子不平衡响应得到，T表示测量时间， gl(t)表示第i个格林核函数， /7(0表示第i个等效油膜载荷。当有η个滑动轴承支撑转子时，将有2n个等效油膜载荷同时 作用于转子系统。
[0015] 优选地，在所述步骤3中，利用正则化方法在测量响应带噪声的情况下稳定识别等 效油膜载荷。
[0016] 优选地，在所述步骤4中，等效油膜载荷与对应的不平衡响应的构成关系表达式如
[0017]
表示两个径向的等效油膜载荷：
分别为油膜 的刚度矩阵和阻尼矩阵，和yy分别表示轴承支撑处转子两个径向的不平衡位移响应，和 鳥分别表示轴承支撑处转子两个径向的不平衡速度响应。
[0018] 优选地，在所述步骤4中，基于最小二乘法对油膜特性参数进行求解识别。
[0019] 本发明创新性地提出了一种利用转子的不平衡测量响应来实现滑动轴承油膜特 性参数识别的方法。该方法通过将油膜参数识别问题转化为动态载荷识别问题进行求解， 综合了实验测试和数值计算，只利用不平衡响应实验测量结果就可准确稳定地获取滑动轴 承的油膜特性参数。
[0020] 根据上述技术方案，本发明的有益效果包括：
[0021] (1)转子-滑动轴承系统的转子在高速下运转，受测试设备及经济条件的限制，常 规的测试方法很难对滑动轴承的油膜特性参数进行直接测量。本发明从计算反求技术出 发，为难以测量的油膜特性参数提供了一种便捷有效的间接获取方法。
[0022] (2)本发明在进行油膜特性参数识别时，充分利用了相对容易准确测量的转子不 平衡响应信息，并结合准确的转子有限元模型和计算反求算法，这提高了油膜特性参数识 别的效率和精度。
[0023] (3)本发明进行一次转子-滑动轴承系统的不平衡响应测试，就能获取各个滑动轴 承油膜的特性参数，包括刚度特性参数和阻尼特性参数，这有效地节省了测量成本。
【附图说明】
[0024] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图 中，相同的参考符号表不相同的部件。
[0025] 图1是本发明中滑动轴承-转子系统油膜特性参数的反求方法的步骤流程图；
[0026]图2a是转子-滑动轴承示意图（单位:mm);
[0027]图2b是转子系统的有限元模型；
[0028]图3是转子上四个测点处的不平衡位移响应图（转速:1200r/min);
[0029]图4a是左轴承支撑处转子的不平衡位移响应(转速:1200r/min)
[0030] 图4b是右轴承支撑处转子的不平衡位移响应(转速:1200r/min)
[0031] 图4c是左轴承支撑处转子的不平衡速度响应(转速:1200r/min)
[0032] 图4d是右轴承支撑处转子的不平衡速度响应(转速:1200r/min)
[0033] 图5a是左轴承重构的等效油膜载荷(转速:1200r/min)
[0034] 图5b是右轴承重构的等效油膜载荷(转速:1200r/min)
[0035]其中，图中，实线:x径向；虚线:y径向。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图1-5,以利用转子不平衡实验响应进行滑动轴承油膜特性参数的识 别为例，对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0037] 转子高速运转过程中，滑动轴承油膜的特性参数通常很难通过实验直接测量获取 或获取的成本过高，而转子的不平衡响应测量却相对容易。因此，可以通过对转子进行有限 元建模，将滑动轴承油膜对转子的支撑作用近似等效成两个径向的等效载荷约束，结合动 态载荷的计算反求技术，首先识别出油膜载荷的形式，然后建立等效油膜载荷与油膜特性 参数之间的反求关系，通过最小二乘法计算得到轴承油膜的刚度和阻尼特性参数。
[0038] 图1示出了本发明【具体实施方式】中滑动轴承油膜特性参数识别方法的步骤流程， 具体实施步骤如下：
[0039] 步骤1:按照实际情况对转子-滑动轴承系统进行不平衡响应实验，测量获得转子 转动过程中的不平衡响应。
[0040] 其中，转子-滑动轴承系统的示意模型如图2a所示，其中主轴直径为Φ40πιπι，圆盘 直径为OlOOmm，圆盘厚度为30mm，弹性模量E = 200GPa，剪切模量G = 80GPa，材料密度Ρ = 7 · 65 X 103kg/m3。偏心质量位于中间圆盘上，其中质量m = 0 · 2 X 10-3kg，偏心距e = 0 · 6mm，初 $台相位炉二
[0041] 测量的用于油膜载荷识别转子不平衡位移响应如图3所示，用于油膜特性参数识 别的轴承支撑处的转子不平衡位移和速度响应如图4a_图4d所示。
[0042]步骤2:建立转子的动力学有限元模型，并将滑动轴承油膜对转子的支撑作用等效 成两个径向的边界载荷约束。
[0043]其中，建立的转子动力学有限元模型为转子动力学模型，如图2b所示。该模型同时 承受由不平衡质量引起的不平衡激振力和由油膜支撑等效而来的油膜载荷，其中不平衡激 振力的表达式如下，
[0045] 式中m为偏心质量，r为偏心半径，ω为转子圆周速度，於为偏心质量的初始相位。
[0046] 步骤3:建立转子系统等效油膜载荷反求的正向模型，重构油膜载荷。
[0047] 在本发明一个实施例中，首先数值计算出不平衡激振力单独作用于转子系统引起 的不平衡响应，然后用测量响应减去计算响应得到等效油膜载荷单独作用于转子系统引起 的不平衡响应。在油膜载荷作用处施加脉冲载荷计算得到转子系统的格林核矩阵，建立起 油膜载荷反求的正向模型，
[0049] 式中ylt)表示油膜载荷引起的转子动态不平衡响应，由测量响应减去计算的不 平衡激振力引起的转子不平衡响应得到，T表示测量时间， gl(t)表示第i个格林核函数， /-Π?：)表示第i个等效油膜载荷。当有η个滑动轴承支撑转子时，将有2n个等效油膜载荷同时 作用于转子系统。将上述正向模型离散成矩阵形式如下，
[0050] ye = GFe
[0051] 式中G表示整体格林核矩阵，Fe表示等效油膜载荷。由于响应ye中不可避免地带有 测量噪声，在本发明的一个实施例中，采用正则化方法，比如截断正则化方法(TSVD)，来克 服系统求解的不稳定性。重构的4个等效油膜载荷如图5a、图5b所示。
[0052]步骤4:建立等效油膜载荷与油膜特性参数之间的映射关系并进行求解输出。
[0053]其中，等效油膜载荷与对应的不平衡响应的映射关系表达式如下，
[0055]
表示两个径向的等效油膜载荷，
分别为 油膜的刚度矩阵和阻尼矩阵，yx和yy分别表示轴承支撑处转子两个径向的不平衡位移响应， 如图4a-4b所示，么和之V分别表示轴承支撑处转子两个径向的不平衡速度响应，如图4c-4d 所示。为节省测量成本，轴承支撑处转子的不平衡响应也可通过代入重构的等效油膜载荷 数值计算得到。油膜特性刚度和阻尼参数则通过最小二乘法计算获得。不同转速下，识别的 油膜特性参数如表1所示。
[0056] 表1不同转速下识别的滑动轴承油膜参数
[0057]
[0058] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种测量滑动轴承油膜特性的方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1:按照实际情况对转子-滑动轴承系统进行不平衡响应实验，测量获得转子转动 过程中的不平衡响应； 步骤2:建立转子的动力学有限元模型，并将滑动轴承油膜对转子的支撑作用等效成两 个径向的边界载荷约束； 步骤3:建立转子系统等效油膜载荷反求的正向模型，重构油膜载荷； 步骤4:建立等效油膜载荷与油膜特性参数之间的映射关系并进行求解输出。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将油膜特性参数识别问题转化为等效动态 载荷识别问题。3. 根据权利要求1-2所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，测量的不平衡响应包括 用于油膜载荷重构的不平衡位移响应和用于油膜特性参数识别的轴承支撑处转子的不平 衡位移和速度响应。4. 根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，将滑动轴承油膜对转子 的支撑作用等效成两个径向的动态载荷。5. 根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，转子系统等效油膜载荷 反求的正向模型是基于格林函数法建立的，其表达式为式中ye(t)表示油膜载荷引起的转子动态不平衡响应，由测量响应减去计算的不平衡激 振力引起的转子不平衡响应得到，T表示测量时间，gl(t)表示第i个格林核函数JAt)表示 第i个等效油膜载荷。当有η个滑动轴承支撑转子时，将有2n个等效油膜载荷同时作用于转 子系统。6. 根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，利用正则化方法在测量 响应带噪声的情况下稳定识别等效油膜载荷。7. 根据权利要求1-6所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，等效油膜载荷与对应的 不平衡响应的构成关系表达式如下式中表示两个径向的等效油膜载荷， }别为油膜的 Fy_ 刚度矩阵和阻尼矩阵，和yy分别表示轴承支撑处转子两个径向的不平衡位移响应，λ和 息.别表示轴承支撑处转子两个径向的不平衡速度响应。8. 根据权利要求1-7所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，基于最小二乘法对油膜 特性参数进行求解识别。
【文档编号】G01M13/04GK105865783SQ201610167901
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】刘杰, 李锟, 韩旭, 姜潮, 郭志阳
【申请人】湖南大学