边界滑移对转子—轴承系统动力学稳定性的影响.doc

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1、边界滑移对转子—轴承系统动力学稳定性的影响*基金项目：国家自然科学基金(10672035,10332010)，国家重大基础研究计划(2006CB601205)马国军，吴承伟大连理工大学工程力学系，工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁，大连，116023mguoj@student.dlut.edu.cn,cwwu@dlut.edu.cnTel:0411-84706353摘要：本文基于极限剪应力滑移模型，首次给出了考虑边界滑移时转子－轴承系统动力学稳定性的计算分析方法。数值计算表明，如果轴套表面为单一滑移表

2、面时，边界滑移会导致转子－轴承系统的动力学稳定性降低，而且还使轴承相应的流体动压承载力降低；然而，如果轴套表面为复合滑移表面时，则边界滑移在显著提高轴承流体动压承载力同时，还能大大提高转子－轴承系统的动力学稳定性，尤其在小偏心率时，复合边界滑移能够使得系统表现出绝对稳定的特性。此外计算分析表明，复合滑移表面滑移区域的极限剪应力越小，边界滑移对系统综合性能的改善就越显著，这也使得转子－轴承系统在一定程度上表现出自我稳定的特性。关键词：边界滑移，流体动压承载力，动力学稳定性.1引言经典流体力学和润滑力学认为

3、，在固液交界面上液体和固体表面之间不存在相对运动，此即经典的无滑移边界条件假设。该假设已被广泛用于各种工程和实验，而且得到了大量宏观实验的证实。但是自上个世纪八十年代末开始，人们借助于一些现代测试手段(如原子力显微镜(AFM)[1]、表面力仪(SFA)[2]等)以及分子动力学模拟方法[3]研究发现，在微纳米尺度下可能发生边界滑移，而且会对系统的流体力学行为产生重要影响。边界滑移(boundaryslip)也称壁面滑移(wallslip)或界面滑移(interfaceslip)，它是指固液交界面上的流体和

4、固体表面之间存在相对运动速度。随着人们对边界滑移认识的逐渐加深，边界滑移相关问题的研究也受到了越来越多的重视，被认为是力学研究的新方向之一[4]。在机械系统中，各种液体滑动轴承被广泛使用，它们的典型间隙尺寸在微米量级。近年来，随着机械设备向大型化、重载化和高速化的方向不断发展，在大型发电机组和金属轧制机组中，因润滑失效而导致的事故时有发生，且损失巨大[5-7]。然而，上述事故一般都是在经过经典润滑理论设计表明润滑条件良好后发生的，这使得人们对于基于经典润滑理论预测润滑失效的正确性提出了质疑。黄平等人[6

5、]、吴承伟等人[8,9]、Spikes[10]分析了边界滑移对液体滑动轴承流体动力学行为的影响。研究发现，如果固体表面为单一滑移表面(固体表面滑移性质处处相同)时，边界滑移会使得轴承流体动压承载力降低，甚至完全丧失而发生油膜破裂[9][9]。但值得一提的是，Ma,etal[9][9],Guo,etal[11],Fortier,etal[12]发现如果在复合滑移表面(同一表面不同位置具有不同滑移性质)发生边界滑移，轴承的流体动压效应反而会提高。这些结果无疑为今后轴承系统的设计、制造和使用提供了有益的理论指

6、导。但是轴承中的油膜不仅起着承受载荷、减轻摩擦和消除磨损等作用，从动力学的观点来看，它也是转子－支承－基础这个系统中的一个重要环节，会影响转子系统的稳定特性。系统的稳定性不好，很容易产生诸如油膜涡动和油膜振荡等不利现象，特别是对于一些大型、高速、重载旋转机械系统而言，这些不利现象往往具有突发性和振幅大等特点，对系统的安全运行带来很大的隐患，有时甚至会产生一些灾难性后果。因此，有必要研究边界滑移对转子－轴承系统动力学稳定特性的影响。然而，就目前所查阅的文献来看，还没有见到相关报道。需要指出的是，在边界滑移

7、相关问题的计算分析中，首先需要确定采用什么样的模型来描述边界滑移。本文采用极限剪应力滑移模型[13]，该模型认为表面存在如下形式的表面极限剪应力(极限剪应力)[14](1)其中t0为初始极限剪应力，p为流体膜压力，k为比例系数。当表面剪应力小于极限剪应力时，不发生边界滑移；当表面剪应力达到极限剪应力时边界滑移发生。吴承伟等人[15]的计算分析表明，极限剪应力模型可以准确预报流体流动的边界滑移。本文以文献[9,16]中所述计算方法为基础，通过进一步的推导首次给出了考虑边界滑移时轴承八个油膜刚度系数和阻尼系

8、数的具体求解过程，分析了边界滑移对相应刚性对称转子－轴承系统动力学稳定性的影响。2计算方法对于圆柱型轴颈轴承，假设轴颈表面(表面b)无滑移，滑移只发生在轴套表面(表面a)，且润滑剂不可压缩(流体)时，采用文献[9,16]所述计算方法，经过推导最终可将问题化为求解如下带有互补约束的极值问题：min.(2a)s.t.(2b)(i=1,2,…,N)(2c)其中为含边界滑移速度项的修正泛函，具体有(3)为滑移控制函数，有(4)各参数物理意义如下：为