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1、轴承—转子系统动力学虞烈 刘恒 谢友柏 摘要 介绍了在流体润滑理论和转子动力学基础上发展起来的一门新兴交叉学科——轴承—转子系统动力学的发展历史、所包含的研究内容以及在现代高速旋转机械中开展轴承—转子系统动力学设计的重要性。 关键词 轴承 转子 动力学 自激振动 润滑理论 中国图书资料分类法分类号 TH113DynamicsofBearing-RotorSystem YuLie(Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an,China) LiuHeng XieYoubai Abst
2、ract：Thispaperintroducesdynamicsofbearing-rotorsystem,anewintersectingdesciplinedbranchdevelopedonthebasisofthelubricationtheoryandrotordynamics.Thedevelopmenthistoryandresearchcontentsarediscussed.Theimportancetohighspeedrotatingmachinedesignisalsoexplain
3、edhere. Keywords:bearing rotor dynamicsoscillation lubricationtheory self-exited1 轴承—转子系统动力学的两大重要组成部分 轴承—转子系统动力学是在流体润滑理论和转子动力学基础上发展起来的。1.1 流体润滑理论 人们对于支承技术重要性的认识经历了一个漫长的过程。1886年,著名的Reynolds方程问世。Reynolds方程描述了两运动表面间运动速度、表面几何形状、润滑油粘度与油膜压力分布之间的关系,从而奠定了流体
4、润滑理论的基础［1］,也因而带动了一门新兴学科——流体润滑理论及轴承技术的诞生、发展与繁荣。100多年过去了,尽管Reynolds方程在实际应用中要受到一些极端参数的限制,但其基本形式并没有根本性的改变,在大多数场合,理论和实验都证明了Reynolds方程的正确性。1.2 转子动力学 差不多在同一时期,由于蒸汽轮机的发展,刺激了另外一门学科“转子动力学”的诞生,这是从力学之中派生出来的1个分支。在此领域内的研究内容和“转子动力学”这一名词的内涵是比较吻合的:支承的作用被理解为仅仅承受转子的静态载荷、而与转
5、子的动态行为无关。体现支承作用的两大要素被完全掩盖于刚性支承假设之下:支承的安装位置及几何尺寸由于和转轴本身的长度参数混同在一起被折合到转子的临界转速估算之中;而支承本身的固有属性——刚度和阻尼特性由于刚性假设而被强制取消。这样把旋转机械所需要研究的轴承—转子系统的内容强行归入经典转子动力学范畴,这是受当时科学发展水平限制的一种不幸,以至于直到今天,在许多场合科学家们还不得不反复纠正这种片面性和由此带来的副作用。2 自激振动——轴承—转子系统动力学萌生的直接原因 随着旋转机械转速的提高,上述2门学科虽然一
6、方面仍旧依照各自原有的模式独立地向前发展,另一方面由于两者之间紧密的内在联系而日趋合一。形成这种态势的工程背景是，这时在许多旋转机械中出现了新的问题——自激振动。本世纪20年代,美国通用电气公司研制的一种高炉用鼓风机,出现了一系列的振动事故,当机组处于超临界状态运行时,转速一旦超出某一界限值,就伴随有剧烈的亚谐振动,对于油润滑轴承,甚至企图将转子转速提高到一阶临界转速的两倍左右都极为困难,这一新的门槛转速或界限转速成了提高机组性能的新的障碍,而且人们对造成这种振动的真正原因以往知之甚少。Newkirk［2，
7、3］在“ShaftWhipping”一文中对上述振动现象作了报道,指出正是这种前所未见的“自激”导致了转子的破坏,之后又进一步提出了这种振动可能源起于油膜。以后学术界都把文献［2］看成是关于转子稳定性研究的第一篇文献,而从今天的角度来看,还不如说它标志着上述两门学科的合二为一以及“轴承—转子系统动力学”的诞生更合适些。从这以后,转子,也只是作为系统中的一个功能部件,其在整个系统动力学研究中原先所占有的特殊地位一天天被削弱,而最终回复到和支承以及其它零部件一样平等的地位。“转子动力学”定义中原先所含的局限性也
8、不断地被克服,而最终不得不被“轴承—转子系统动力学”所包容。因为大多数涉及稳定性问题的讨论,就不可能只与单个零部件有关,而只能是关于“系统动力学”的问题。迄今为止,已经发现存在着多种可能导致系统自激的因素。在这些因素中,被研究得最为透彻的首先是轴承力。 为了寻找自激振动的原因,Stodola等［4］对油润滑轴承引入了油膜弹性的特征,指出对于这类本质上是非保守的支承弹性系统,有可能产生不稳定因素。 由于轴颈悬浮
