□ 付玉敏

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 開發(fā)背景

滑動軸承由于高穩(wěn)定性、高承載、高抗振和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)等各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械,其運(yùn)行性能直接影響被支撐轉(zhuǎn)子的運(yùn)動性能,從而影響旋轉(zhuǎn)機(jī)械的整體性能。

滑動軸承性能分析是軸承設(shè)計、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障診斷預(yù)測等環(huán)節(jié)的核心內(nèi)容，如何便捷高效獲取滑動軸承的性能參數(shù)，為軸承設(shè)計、狀態(tài)分析及故障診斷提供參數(shù)依據(jù),一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注和研究的重點(diǎn)。

胡新亮[1]研究了結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)對圓軸承潤滑性能的影響,并使用MATLAB軟件開發(fā)了圓軸承潤滑分析軟件。蔡璇[2]以三油楔固定瓦滑動軸承為對象，采用有限差分法獲得其靜動特性,并采用MATLAB軟件自帶的圖形用戶界面設(shè)計功能，實(shí)現(xiàn)了滑動軸承特性計算的可視化與人機(jī)交互。朱愛斌等[3]提出了一種使由FORTRAN語言編寫的滑動軸承計算程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的方法。孟凡明等[4]論述了軸承類軟件開發(fā)的特點(diǎn),并提出了一種基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)軸承類軟件的方法。陳鴻[5]建立了圓柱、橢圓動壓軸承靜動態(tài)特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫,在此基礎(chǔ)上基于Visual C#語言開發(fā)了滑動軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件,可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下軸承的設(shè)計。宗節(jié)保等[6]指出，在需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析的情況下,應(yīng)用MATLAB軟件相較于采用Visual Basic、Visual C、JAVA等語言，具有明顯優(yōu)勢,并給出了構(gòu)建軟件工具主框架的方法。沈鋼、黃躍華、徐磊等[7-9]應(yīng)用MATLAB軟件依次完成了地鐵車輛軸箱軸承壽命計算軟件、航跡繪算教學(xué)評估系統(tǒng)、人工地震波合成可視化軟件的開發(fā)。

分析以上成果可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有軸承性能計算工具存在如下特點(diǎn):計算軸承類型單一,如僅針對圓軸承或三油楔固定瓦軸承;計算程序基于傳統(tǒng)手段編寫,如FORTRAN語言和數(shù)據(jù)庫,人機(jī)交互性不強(qiáng),程序擴(kuò)展性也不強(qiáng)。

MATLAB軟件在計算工具開發(fā)方面獨(dú)具優(yōu)勢,在滑動軸承性能分析領(lǐng)域,以及滾動軸承壽命計算、航跡繪算、人工地震波合成等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。筆者基于MATLAB軟件開發(fā)滑動軸承性能計算工具,并以圓軸承、可傾瓦軸承為對象給出具體的開發(fā)流程。

2 滑動軸承性能分析模型

柱坐標(biāo)下的瞬態(tài)雷諾方程為：

(1)

式中:p為油膜壓力;ω為旋轉(zhuǎn)角速度;μ為潤滑油動力黏度;R為軸頸半徑;θ為周向坐標(biāo);z為軸向坐標(biāo);h為油膜厚度;t為時間。

壓力邊界采用雷諾邊界條件。

絕熱流動并忽略潤滑油壓縮性時的二維能量方程為[10]:

(2)

式中:Cυ為潤滑油比熱容;ρ為潤滑油密度;T為潤滑油溫度。

入口邊界條件為T等于初始設(shè)置溫度T0。

黏度隨溫度變化是潤滑劑的一個十分重要的特性,通常而言,潤滑油的黏度越高,對溫度的變化就越敏感。雷諾黏溫方程為:

μ=μ0e-β(T-T0)

(3)

式中:μ0為溫度為T0時的動力黏度;μ為溫度為T時的動力黏度;β為黏溫系數(shù)。

可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示,其膜厚h為[11]:

h=cp-ecos(θ-θc)+rP[1-cos(θP-θ)]+Rδsin(θP-θ)

(4)

式中:cp為軸承半徑間隙;e為軸頸中心Oj相對于軸承中心Ob的偏心距;θc為軸頸中心Oj相對于軸承中心Ob的偏位角;rP為瓦塊中心圓半徑;θP為支點(diǎn)位置角;δ為瓦塊周向擺角。

▲圖1 徑向可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)

式(4)不計瓦塊軸向傾角，且認(rèn)為瓦塊支點(diǎn)固定。圖1中，Op為瓦塊中心,Os為瓦塊周向擺動角為δ時的瓦塊中心。

圓軸承的油膜厚度h為[12]：

h=cp-ecos(θ-θc)

(5)

根據(jù)可傾瓦軸承和圓軸承的性能計算模型,利用模塊化思想，采用有限差分法構(gòu)建其靜動特性計算工具,計算工具應(yīng)用MATLAB軟件開發(fā)。

3 計算工具開發(fā)方法

3.1 總體框架結(jié)構(gòu)

滑動軸承運(yùn)行性能計算工具的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含六大功能模塊：用戶登錄、類型選擇、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行計算、結(jié)果輸出、退出程序。

▲圖2 滑動軸承運(yùn)行性能計算工具框架結(jié)構(gòu)

3.2 用戶登錄

考慮到計算工具的安全性,開發(fā)用戶登錄界面,設(shè)置用戶名和密碼。通過字符和數(shù)字的組合模式進(jìn)行設(shè)置,若用戶輸入和設(shè)置一致,則可順利進(jìn)入運(yùn)行界面；若用戶輸入和設(shè)置不一致,則界面提示:“用戶名和密碼輸入錯誤,請重新輸入。”

3.3 類型選擇

計算工具分析的對象包含圓軸承和可傾瓦軸承，由于兩者的輸入?yún)?shù)不完全一致,因此兩者需要區(qū)別對待。在界面中設(shè)置“圓軸承”和“可傾瓦軸承”選擇按鈕,用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行點(diǎn)選，其功能實(shí)現(xiàn)語句如下[13]：

function JournalBearing_Callback(hObject,eventdata,handles)

close(gcf);

run(′Main_GUI′);

function TiltingPad_Callback(hObject,eventdata,handles)

close(gcf);

run(′Main_GUI_Tilting′);

3.4 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置時，要求用戶依次輸入計算所需的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況參數(shù)及潤滑介質(zhì)性能參數(shù),同時根據(jù)實(shí)際要求確定是否考慮溫升影響,對于可傾瓦軸承載荷是作用于支點(diǎn)間還是支點(diǎn)上等。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括軸頸直徑、長頸比、間隙比和半徑間隙,對于可傾瓦軸承而言,還包括瓦塊數(shù)、偏置圓半徑、支點(diǎn)至出油邊和進(jìn)油邊角度。工況參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、載荷及載荷作用位置。潤滑介質(zhì)性能參數(shù)包括工作溫度、動力黏度、比熱和密度。

3.5 運(yùn)行計算

設(shè)置“計算”指令按鈕,用戶點(diǎn)擊該按鈕,即可通過求解器調(diào)用相應(yīng)計算程序進(jìn)行編譯求解。筆者在開發(fā)中,調(diào)用MATLAB軟件編譯運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行編譯計算。計算程序調(diào)用格式如圖3所示。

▲圖3 計算程序調(diào)用格式

3.6 結(jié)果輸出

所輸出的結(jié)果包含數(shù)值和云圖。對于數(shù)值結(jié)果,直接顯示在主界面上。對于云圖,通過設(shè)置按鈕,使用戶可以通過點(diǎn)擊按鈕查看相關(guān)云圖。此外,為了便于計算結(jié)果的存儲,設(shè)置“計算報告”按鈕。計算完成后,點(diǎn)擊該按鈕,可以生成一份完整的計算報告,包含軸承結(jié)構(gòu)形式、輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、云圖，以及生成報告的時間等內(nèi)容。計算報告生成功能通過MATLAB軟件調(diào)用Office Word軟件實(shí)現(xiàn)。輸出參數(shù)包含靜特性參數(shù)和動特性參數(shù)兩類,靜特性參數(shù)包括偏心率、偏位角、最大壓力、最小膜厚、最高溫度，動特性參數(shù)包括剛度、阻尼。

3.7 編譯發(fā)布

計算程序和界面程序全部開發(fā)完成并測試通過后,需要進(jìn)行編譯發(fā)布。在MATLAB軟件命令窗口中運(yùn)行DEPLOYTOOL命令,調(diào)出編譯發(fā)布工具箱窗口[13],通過該工具箱窗口可以方便、快捷地編譯發(fā)布計算工具。具體方法為在該工具箱窗口中導(dǎo)入要打包發(fā)布的程序、文件等,然后進(jìn)行打包，生成可執(zhí)行文件。需要注意的是,打包過程中要將MATLAB軟件編譯運(yùn)行環(huán)境與程序一起打包。對于未安裝MATLAB軟件的計算機(jī)，要先安裝MATLAB軟件編譯運(yùn)行環(huán)境。

4 開發(fā)實(shí)例

根據(jù)上文介紹的滑動軸承性能計算工具開發(fā)方法,應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行計算工具開發(fā),各個子模塊設(shè)計完成后,得到圓軸承和可傾瓦軸承的性能計算界面，分別如圖4、圖5所示。

▲圖4 圓軸承性能計算界面▲圖5 可傾瓦軸承性能計算界面

計算工具的核心部分是雷諾方程和能量方程求解模塊,采用有限差分法和超松弛迭代法求解雷諾方程,采用低松弛迭代法求解能量方程,引入松弛系數(shù)，有效提高了計算模型的收斂性和計算效率。計算工具中輸出參數(shù)精度保留小數(shù)點(diǎn)后四位，登錄頁面響應(yīng)時間短于5 s,功能切換頁面響應(yīng)時間短于3 s,支持中文輸入輸出，計算參數(shù)單位全部采用國際單位制。計算工具可以為圓軸承和可傾瓦軸承設(shè)計、軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析及故障診斷預(yù)測提供參考。

5 計算結(jié)果分析

以某普通圓軸承為例進(jìn)行分析,計算結(jié)果如圖6至圖8所示。圖7中，p0為：

(6)

▲圖6 圓軸承性能計算結(jié)果界面▲圖7 圓軸承壓力分布云圖▲圖8 圓軸承膜厚分布云圖

圖8中，L為軸承軸向長度。使用者通過工具頁面進(jìn)行直觀參數(shù)輸入,點(diǎn)擊“計算”按鈕，就可調(diào)用相應(yīng)程序進(jìn)行計算,計算結(jié)果直觀、清晰地顯示在界面上,并且可以查看相應(yīng)的分布云圖。此外,還可以通過點(diǎn)擊“計算報告”按鈕,自動生成計算報告,實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。

為了驗(yàn)證計算程序的正確性,以某民用汽輪機(jī)用可傾瓦軸承為例進(jìn)行計算分析,并將計算結(jié)果與美國弗吉尼亞大學(xué)旋轉(zhuǎn)機(jī)械與控制(ROMAC)協(xié)會所開發(fā)程序[11]的計算結(jié)果進(jìn)行對比?？蓛A瓦軸承的主要性能參數(shù)見表1,載荷作用位置為支點(diǎn)間，最大油壓與最小膜厚的計算結(jié)果對比分別如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時,在給定的載荷范圍內(nèi),隨著載荷的增大,可傾瓦軸承的最大油壓線性增大,最小膜厚線性減小;當(dāng)載荷一定時,在給定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),隨著轉(zhuǎn)速的加快,可傾瓦軸承的最大油壓和最小膜厚不斷增大。對于不同工況下的不同參數(shù),筆者開發(fā)的計算工具和ROMAC程序均有較好的吻合度,變化規(guī)律完全一致,給定工況范圍內(nèi)計算結(jié)果最大誤差僅為3.2%，由此證明筆者開發(fā)的計算工具是正確和合理的。

表1 可傾瓦軸承性能參數(shù)

▲圖9 可傾瓦軸承最大油壓計算結(jié)果對比

▲圖10 可傾瓦軸承最小膜厚計算結(jié)果對比

6 結(jié)束語

筆者提出了一種開發(fā)滑動軸承性能計算工具的新方法。這一方法基于模塊化思想，應(yīng)用MATLAB軟件開發(fā)滑動軸承的計算程序和人機(jī)交互界面,并以圓軸承、可傾瓦軸承為對象給出具體開發(fā)流程。

通過計算結(jié)果對比分析,驗(yàn)證了所開發(fā)計算工具的正確性和有效性，以及界面高效友好的人機(jī)交互性。這一計算工具可用于圓軸承和可傾瓦軸承的設(shè)計、軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的分析及故障診斷預(yù)測等工程環(huán)節(jié)。

筆者提出的方法還可擴(kuò)展用于其它類型軸承,如橢圓瓦軸承、固定瓦軸承、推力瓦軸承等的性能計算工具的開發(fā)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，還便于后期計算程序的修正和優(yōu)化。

利用MATLAB APP Designer軟件可以將開發(fā)的計算工具發(fā)布為智能移動電話應(yīng)用程序,從而實(shí)現(xiàn)輕松訪問與多人共享,以適應(yīng)未來工業(yè)應(yīng)用軟件云化的大趨勢。