1、2023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）电机滑动轴承动态特性及其油膜稳定性研究Study on Dynamic Characteristics and Oil Film Stability of Motor Sliding Bearing李盼（湖南城建职业技术学院，湖南 湘潭 411101）LI Pan（Hunan Urban Construction College，Xiangtan 411101，Hunan，China）摘要：针对电机滑动轴承的动态特性及油膜稳定性，采用压力扰动法计算得到动态特性系数值，并分析了结构参数对其的影响；同时，针对油膜稳定性，计算得到了失稳转
2、速，分析了结构参数对其的影响。计算结果表明：需要选取合适的偏心率和宽径比来保证轴承转子系统的稳定性，为电机滑动轴承的结构设计提供了一定参考价值。关键词：电机滑动轴承；动态特性；油膜稳定性Abstract：According to the dynamic characteristics of motor sliding bearing and its oil film stability，the pressure disturbance method is used to calculate the dynamic characteristic coefficient value，and the
3、 influence of structural parameters on it is analyzed.At the same time，for the oil film stability，the instability speed is calculated，and the influence of structural parameters on it is analyzed.The results show that proper eccentricity and aspect ratio should be selected to ensure the stability of
4、the bearing-rotor system，which provides a certain reference value for the structural design of motor sliding bearings.Key words：motor sliding bearing；dynamic characteristics；oil film stability中图分类号：TP 315 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）04-0011-041前言电机滑动轴承具有结构简单、承载能力强、可靠性高等优点，广泛运用于大中型电机、泵等旋转机械设备主轴处，是旋转机
5、械中重要的支承设备，其性能影响旋转机械设备的正常运转和安全工作1。电机滑动轴承在实际工作中，由于受到外界各种干扰因素的影响，会使轴承-转子系统从静平衡变成扰动状态，形成涡动现象，甚至引发油膜震荡，导致电机滑动轴承失稳2-6。本文主要采用压力扰动法，针对小扰动工况下的电机滑动轴承-转子系统方程组，求解得到了其动态特性值，并分析了结构参数对其的影响；同时，针对油膜可能存在的失稳情况，进行了稳定性分析，求解方程组得到失稳转速，并分析了结构参数对其的影响，为电机滑动轴承的结构设计提供了一定参考价值。2电机滑动轴承的动态特性2.1动态特性方程组的建立与求解电机滑动轴承在实际工作中，由于受到外界各种干扰因
6、素的影响，比如轴承-转子系统上主轴的不平衡力、主轴承受的各种突发载荷、轴承工况发生变化，使得轴承原本用来计算的雷诺方程不再适用，因此需要建立新的坐标系，得到新的雷诺方程。对于不可压缩且黏度不变润滑剂的轴承，其非定常雷诺方程7为 x(h3px)+z(h3pz)=6Uhx+6hUx+12ht（1）式中：h/t=V为轴颈径向方向的速度分量。对上述方程进行无量纲化，即可得到无量纲化的非定常雷诺方程：(H3*P)+(Bd)2Z(H3*PZ)=H+2cos +2sin（2）在轴承计算过程中，由于扰动量不大，可以将油膜视为线性化的弹簧和阻尼器8，其线性化参数被称为油膜刚度与阻尼，即滑动轴承的动态参数值。因此
7、，可以得到 8个参数的方程：基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（22C0773）11Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control keeke=-d2d212pecos sin RddZ（3）kek=-d2d212pcos sin RddZ（4）ceece=-d2d212pe cos sin RddZ（5）cec=-d2d212pcos sin RddZ（6）对上述方程组同样进行无量纲化，并且对各项扰动参数分别进行求导，即可得到关于扰动压力的雷诺方程组：Rey(P)=-sin -3Hcos H+3H(cos H+sin H)P（7）Rey(P)=cos
8、 -3Hsin H+3H(sin H-cos H)P（8）Rey(P)=2cos（9）Rey(P)=2sin（10）在计算过程中，对上述雷诺方程组添加边界条件：在完整油膜区域的全部边界处，其扰动压力设 置 为 零；在 进 油 口 位 置，其 扰 动 压 力 也 设 置为零。2.2动态特性值计算结果与分析在求解过程中，采用有限差分法对上述雷诺方程组进行计算求解，其中取节点数m=60，n=40，轴承宽径比B/d=0.6。在宽径比一定的情况下，计算得到无量纲的油膜刚度系数与阻尼系数参数值，见表 1。直接刚度系数Kxx和表征滑动轴承的油膜具有更强的抵抗外力变化的能力，因此直接刚度系数越大，轴承-转子系
9、统的失稳临界转速也就越大。除此之外，交叉刚度系数Kxy和Kyx主要表征轴承失稳能量的大小。交叉刚度系数越小，轴承-转子系统中的失稳能量越小，该系统就越 不 容 易 发 生 失 稳 现 象。阻 尼 系 数 值Cxx、Cxy、Cyx、Cyy主要表征轴承-转子系统在受到扰动后恢复稳定的快慢，阻尼系数越大，该系统恢复稳定的速度越快。当轴承的宽径比B/d=0.6时，油膜刚度系数和阻尼系数与偏心率的关系如图 1和图 2所示。从图中可知，不论是油膜刚度系数还是阻尼系数，都随着偏心率的增加而不断增加，只是不同类型的速率不同。原因是随着偏心率的增加，轴承的承载能力也在不断增加，从而导致油膜的刚度和油膜的阻尼系数
10、也增加。从图 1 可知，交叉刚度Kxy和Kyx的数值并不相同，并且交叉刚度Kxy的数值还存在负值的情况。这是导致轴承-转子系统失稳的根本原因。从图 2可知，直接阻尼系数Cxx和交叉阻尼系数Cxy在数值上基本相等，其符合实际工况，验证了该计算方法的正确性。表 1宽径比一定时的无量纲油膜刚度系数与阻尼系数0.10.20.30.40.50.60.70.80.9/（）53.3249.3545.8442.7739.6236.3332.5327.8421.37Kxx0.1500.3290.5720.8761.2842.0023.4327.12624.982Kxy0.3360.3880.4780.5330.
11、5070.4070.0081.48612.519Kyx0.9771.1661.5072.0442.9294.6098.30619.02580.204Kyy0.1580.3550.6431.1722.2374.46910.13229.108154.455Cxx0.6830.8271.0931.3601.6032.0212.7214.3008.240Cxy0.1520.3500.6511.0181.4642.2423.7017.41920.037Cyx0.1520.3500.6501.0181.4642.2413.7037.41920.071Cyy1.9522.3202.9834.0105.671
12、8.75115.30933.671117.493图 1无量纲油膜刚度系数与偏心率的关系 122023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）在求解过程中，继续采用有限差分法对上述雷诺方程组进行计算求解，其中取节点数m=60，n=40，轴承偏心率=0.6。在偏心率一定的情况下，计算得到无量纲的油膜刚度系数与阻尼系数参数值，见表 2。当轴承的偏心率为=0.6时，油膜刚度系数和阻尼系数与宽径比的关系如图 3和图 4所示。从图中可知，除了交叉刚度Kxy，其余 7 个参数值均随着宽径比的增加而增加。原因是因为随着宽径比的增加，轴承的承载能力也随之增加，油膜的刚度系数与阻尼系数也增加。但是，
13、随着宽径比的增加，交叉刚度Kxy和交叉刚度Kyx之间的差异也在不断增大，容易加剧轴承-转子系统的失稳。因此，在设计电机滑动轴承时，宽径比的选取并不是一定取越大越好，而是应该根据实际工况选取合适的数值。3电机滑动轴承的油膜稳定性在轴承-转子系统中，计算得到的 8 个动态特性系数无法同时达到最优值，且其中没有任意一个特性系数值能够完全表征轴承的动态特性。因此为了更好地衡量轴承的动态特性，引入一个与上述 8 个动态特性数值相关的参数轴承-转子系统的临界失稳转速来对系统进行衡量9-10。临界失稳转速nst，表征电机滑动轴承油膜恰好出现油膜涡动时转速，其值越大，说明轴承-转子系统具有的速度阈值越大，即轴
14、承-转子系统能够具有一个更大的转动速度范围。电机滑动轴承-转子系统模型如图 5 所示。图 2无量纲阻尼系数与偏心率的关系表 2偏心率一定时的无量纲油膜刚度系数与阻尼系数B/d0.20.40.60.81.01.21.41.61.8/（）37.2536.7736.3335.9135.5535.2735.0534.7234.58Kxx0.3541.1462.0022.7393.3193.7644.1084.3354.545Kxy0.0510.1970.4070.6130.8240.9691.1431.2891.391Kyx0.7782.5774.6096.4277.9047.0599.95910.6
15、4511.208Kyy0.7792.5714.4696.0267.1277.9288.4288.8159.097Cxx0.3331.1072.0212.8093.4343.9064.3264.6024.805Cxy0.3531.1972.2423.1963.9914.6175.1795.5595.847Cyx0.3531.1962.2413.1973.9904.6165.1795.5605.849Cyy1.3044.5968.75112.79516.31719.19821.60323.56525.058图 3无量纲油膜刚度系数与宽径比的关系图 4无量纲油膜阻尼系数与宽径比的关系图 5电机滑动轴
16、承-转子系统模型 13Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control根据模型可知，计算公式为Keq=KxxCyy+KyyCxx-KxyCyx-KyxCxyCxx+Cyy （11）2st=(stst)2=()Kxx-Keq()Kyy-Keq-KxyKyxCxx+Cyy-CxyCyx（12）st=Bm3Keq2st （13）nst=30st （14）电机滑动轴承的设计参数如下：质量m=205 kg，工 作 转 速n=200 r/min，相 对 间 隙 比=0.001 2，润滑油黏度=0.021 N s/m2，偏心率=0.6，轴径直径d=450 mm，宽径比
17、B/d=0.6。代入上述计算公式，可以计算得到Keq=0.968 5，2st=0.434 3。因两个数据均大于 0，可以计算得到失稳转速nst=348 087.9 r/min，其值远大于工作转速。因此，可以认为该电机滑动轴承-转子系统稳定。再次将电机滑动轴承的设计参数代入上述计算公式，此时分别取不同偏心率和不同宽径比值进行计算，得到失稳转速与偏心率和宽径比的关系。失稳转速与偏心率的关系如图 6 所示，失稳转速与宽径比的关系如图 7 所示。从图 6 中可知，失稳 转 速 与 偏 心 率 在 小 于 0.5 h 时 成 正 比，在 大 于 0.5 h 时成反比。原因是当偏心率大于 0.5 以后，交
18、叉刚度和之间的差值会不断增加，引发轴承-转子系统出现失稳现象，从而使得系统的稳定性降低。从图 7 中可知，失稳转速与宽径比在小于 0.4 h 时成正比，在大于 0.4 h 时成反比。原因是当宽径比大于 0.4 以后，交叉刚度和之间的差值会不断增加，引发轴承-转子系统出现失稳现象，从而使得系统的稳定性降低。综上所述，在进行电机滑动轴承结构设计时，需要选取合适的偏心率和宽径比来保证轴承-转子系统的稳定性。4结语针对电机滑动轴承的动态特性与油膜稳定性进行了研究，采用压力扰动法求解了非定常雷诺方程，得到动态特性系数，并分析了结构参数对于动态特性系数的影响；除此之外，根据电机滑动轴承-转子系统模型，可以
19、计算得到其失稳转速，并分析了结构参数对失稳转速的影响：（1）在宽径比一定的情况下，无论是油膜刚度系数还是阻尼系数，都是随着偏心率的增加而不断增加，只是不同类型的速率不同。交叉刚度Kxy和Kyx的数值并不相同，并且交叉刚度Kxy的数值还存在负值的情况。这是导致轴承-转子系统失稳的根本原因。直接阻尼系数Cxx和交叉阻尼系数Cxy在数值上基本相等，其符合实际工况，验证了该计算方法的正确性。（2）在偏心率一定的情况下，除了交叉刚度Kxy，其余 7个参数值均随着宽径比的增加而增加。随着宽径比的增加，交叉刚度Kxy和交叉刚度Kyx之间的差异也在不断增大，容易加剧轴承-转子系统的失稳。（3）失稳转速nst=
20、348 087.9 r/min，其值远大于工作转速，因此可以认为该电机轴承-转子系统稳定。（4）失稳转速与偏心率在小于 0.5 h时成正比，在大于 0.5 h 时成反比；失稳转速与宽径比在小于0.4 h，成正比；在大于 0.4 h，成反比。（5）在进行电机滑动轴承结构设计时，需要选取合适的偏心率和宽径比来保证轴承-转子系统的稳定性。参考文献：1 谭登洪，彭思思，张国兵.大型电机端盖式滑动轴承的振动特性研究 J.船电技术，2016，36（2）：1-3，7.（下转第 46页）图 6失稳转速与偏心率的关系图 7失稳转速与宽径比的关系 14Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measur
21、ement&Control也不尽相同，如强降雨会引起 DSQ 水管仪、SS-Y 伸缩仪、VS 垂直摆、VP 垂直摆观测曲线出现转折突变，人员进出山洞会导致仪器记录曲线大幅突跳，垂直摆数据受干扰尤为显著，SS-Y伸缩仪通常受气压波动干扰更加明显，气压变化会引起地倾斜观测仪器记录曲线加粗、毛刺增多，载荷变化会引起 SS-Y 倾斜仪张性变化和数据大幅阶跃等3-4。干扰提高了形变观测中地震前兆识别的难度，如何降低干扰事件发生频次以及如何做好干扰识别工作意义重大。通过以上总结与分析，结合今后的研究，对常熟地震台形变观测干扰影响形成定性和定量认识，可结合理论模型进一步分析，以达到排除干扰、识别地震前兆异常
22、的目的。参考文献：1 江苏省地震局.江苏省地震监测志 M.南京：河海大学出版社，2008：81-90.2 王梅，宋治平，李峰，等.形变数字化资料综合分析 J.大地测量与地球动力学，2003，23（4）：60-64.3 赵黎明，朱冰清，熠煕，等.蓟县地震台小辛庄山洞定点形变观测干扰 J.地震地磁观测与研究，2019，40（1）：107-113.4 殷文杰.小议光传输设备在电力系统通信中的应用 J.流体测量与控制，2022，4（6）：6-9.（上接第 10页）参考文献：1 杨乾霞，王燕，雷涛.英东油田油气水三相流产能试井测试方法研究 J.青海石油，2014，23（2）：50-54.2 林宗虎.能源
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