[发明专利]包含完整变量扰动的流体润滑频变动力学特性计算方法

说明书

本发明提供了一种包含完整变量扰动的流体润滑频变动力学特性计算方法，从具有附加效应的薄膜润滑雷诺方程出发，通过建立动态映射给出一种不局限于特定润滑流体或热物性模型的静动特性分析通用方法—完整变量扰动的偏导数法。该方法能够统一处理结构扰动和润滑膜附加效应的动态变化，适用于求解轴承和干气密封在不同扰动频率下的动力学刚度和阻尼系数。

技术领域

本发明属于高速无油轴承技术领域，特别涉及一种包含完整变量扰动的流体润滑频变动力学特性计算方法。

背景技术

在能源动力、国防军工、航空航天、车辆舰船等领域中，高速旋转机械得到了广泛的应用，随着对其性能和效率的要求提高，高速轴承和密封的性能分析和设计，以及稳定性的控制已成为关键技术。工质流体自润滑轴承(如混合气体、液氧、超临界二氧化碳等)在彻底避免工质被油污染的同时，还能降低密封技术要求从而缩短转子跨距以提高其刚性，成为国内外旋转机械领域的一个重要方向。

然而特种参数下的流体通常具有复杂的热物性，并由此带来润滑膜流动的多种附加效应，比如真实气体效应、湍流与惯性流效应、稀薄效应等。具体到数学模型则体现为润滑膜的控制方程中不只含有膜厚和压力两个显函数变量，还存在与压力、温度关系复杂而无法代入表示的热物性变量，以及由热物性和膜厚的非线性函数表示的附加效应修正。

尽管国内外已有很多研发人员对具有附加效应的润滑问题进行研究，但绝大多数只限于轴承或干气密封的稳态特性。然而要对转子系统的临界特性和稳定性进行分析，离不开动态刚度和阻尼系数表示的动力学特性。而且无论是可压缩流体润滑，还是润滑膜工作面存在动态变化(比如可倾瓦轴承的瓦块摆动、箔片轴承的变形)，动力学刚度和阻尼系数都具有频率效应。现有的动特性求解方法要么对控制方程进行准静态处理，只能得到扰动频率无限接近于零的静刚度，要么在频率扰动处理过程中只考虑了部分附加效应的动态变化。

因此，需提供一种包含完整变量扰动的偏导数法来解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种用包含完整变量扰动的偏导数法，主要目的在于计算任意扰动频率下流体润滑轴承的动力学特性，所述方法用于求取任意扰动频率下流体润滑轴承动力学系数，包括如下步骤：

S1：结合润滑介质的薄膜流动特性建立包含附加效应的瞬态雷诺方程，并对其进行频率扰动分析，推导瞬态雷诺方程中出现的完整变量扰动展开表达式，进而得到稳态雷诺方程和包含完整变量动态变化的扰动雷诺方程；其中，附加效应包括热物性变化、湍流效应、惯性流效应、稀薄效应等，所述完整变量扰动展开表达式不只是膜厚和压力扰动，还包括由膜厚和压力动态映射关系构造的热物性扰动和扰动形式的附加效应函数；

S2：针对具体轴承结构形式建立动力学模型，并对动力学模型进行结构扰动，确定S1中的扰动膜厚与轴承力扰动的关系，获得隐含在转子扰动和结构扰动中的扰动变量所对应的复数压力分布控制方程；

S3：数值求解S1中的稳态雷诺方程和S2中的扰动变量对应的复数压力分布控制方程，得到扰动变量对应的复数压力分布；

S4：利用S3中获得的扰动变量对应的复数压力分布求取动力学刚度和阻尼系数。

本发明所提供的包含完整变量扰动的流体润滑频变动力学特性计算方法，还具有这种的特征，包括如下步骤，所述S1包括：

S1.1：建立润滑介质薄膜流动的瞬态雷诺方程，包含由热物性变量和膜厚的非线性函数表示的附加效应；

S1.2：结合润滑薄膜流动特性选取特征参数对瞬态雷诺方程进行无量纲化；

S1.3：转子系统临界特性与稳定性分析对应的状态为，转子在旋转的同时，轴颈中心以任意扰动频率绕着平衡位置在小邻域内正向涡动，处于扰动状态下的润滑膜通过含扰动频率与旋转频率比值的复指数表示压力和膜厚的动态变化，得到频率扰动展开形式的无量纲瞬态膜厚和压力；