水潤(rùn)滑橡膠艉軸承模態(tài)分析研究

權(quán)崇仁，吳 煒，黃衛(wèi)慶，蘭 放

(1.海軍駐426廠軍事代表室，遼寧 大連116000;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064;3.大連船舶重工集團(tuán)公司，遼寧 大連116000;4.專利審查協(xié)作廣東中心，廣州510530)

水潤(rùn)滑橡膠艉軸承支撐著艉軸，將艉軸的振動(dòng)傳遞給船體，同時(shí)也會(huì)將船體由于風(fēng)浪、爆炸等產(chǎn)生的振動(dòng)傳給艉軸承，甚至整個(gè)軸系。在軸系中，后艉軸承的負(fù)荷最大，當(dāng)它受到來(lái)自螺旋槳和艉軸的周期性激振力頻率接近艉軸承的固有頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。艉軸承的固有頻率主要與其結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)相關(guān)，研究艉軸承的模態(tài)參數(shù)，有助于確定結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的共振頻率以及在各階頻率下的相對(duì)變形［1］，對(duì)艉軸承材料篩選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及軸系故障檢測(cè)與診斷有著理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

目前，水潤(rùn)滑橡膠艉軸承的研究主要集中在液膜的潤(rùn)滑特性，對(duì)動(dòng)態(tài)特性研究很少。在艉軸承的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中，僅分析了艉軸承襯套的影響，沒有深入探討內(nèi)襯材料如橡膠等的影響。

本文以水潤(rùn)滑橡膠艉軸承為研究對(duì)象，應(yīng)用Ansys有限元軟件進(jìn)行建模和理論模態(tài)分析，預(yù)測(cè)艉軸承結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。然后根據(jù)分析結(jié)果確定模態(tài)試驗(yàn)的懸掛點(diǎn)、激勵(lì)點(diǎn)和信號(hào)采集點(diǎn)，通過(guò)力錘提供瞬態(tài)激勵(lì)信號(hào)，得到橡膠軸承的模態(tài)參數(shù)，再進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)的自相關(guān)性驗(yàn)證，以評(píng)價(jià)試驗(yàn)的正確性。最后將理論分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行互相關(guān)分析。

1 水潤(rùn)滑橡膠艉軸承

圖1所示為整體式水潤(rùn)滑橡膠軸承，軸承內(nèi)襯為丁腈橡膠層，硫化在襯套上。內(nèi)襯上均勻分布10條軸向水槽，水槽結(jié)構(gòu)為r=8 mm的半圓形。其尺寸參數(shù)見表1，材料參數(shù)見表2。

圖1 水潤(rùn)滑橡膠艉軸承結(jié)構(gòu)示意

表1 水潤(rùn)滑橡膠軸承尺寸參數(shù)

表2 水潤(rùn)滑橡膠軸承材料參數(shù)

采用Ansys建立水潤(rùn)滑橡膠艉軸承實(shí)體模型，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及水槽分布，先建立軸承的1/10模型，再陣列得到整體模型，見圖2。

2 理論模態(tài)分析

基于模態(tài)綜合理論，將橡膠軸承分為橡膠內(nèi)襯和外層襯套兩個(gè)子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用固定界面模態(tài)綜合法對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承進(jìn)行模態(tài)分析。

圖2 潤(rùn)滑橡膠艉軸承有限元模型

由于襯套的鋼材料彈性模量相對(duì)確定，而橡膠的彈性模量卻變化較大，并且在小變形的情況下，可能跟理論值相差很遠(yuǎn)，所以采用Ansys/CMS計(jì)算方法，先將外層襯套凝聚為超單元，再進(jìn)行橡膠的試算。

根據(jù)軸承材料參數(shù)，應(yīng)用Black Lanczos法計(jì)算水潤(rùn)滑橡膠艉軸承在0～3 000 Hz范圍內(nèi)的前30階模態(tài)。計(jì)算中出現(xiàn)很多對(duì)稱模態(tài)，同時(shí)由于軸承內(nèi)襯橡膠彈性模量比外層襯套低的原因，也出現(xiàn)很多局部模態(tài)。

艉軸承的前10階模態(tài)頻率見表3，模態(tài)振型見圖3。

表3 橡膠軸承模態(tài)頻率列表

圖3 水潤(rùn)滑橡膠艉軸承模態(tài)振型

從表3和圖3可以看出:

1)水潤(rùn)滑橡膠艉軸承的第7階固有頻率為477.80 Hz，對(duì)應(yīng)軸轉(zhuǎn)速為28 668 r·min-1，遠(yuǎn)離軸系正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速，不會(huì)導(dǎo)致共振。

2)水潤(rùn)滑橡膠艉軸承的模態(tài)非常密集，這主要是橡膠的局部模態(tài)。局部模態(tài)有兩種不同類型，一種與艉軸承內(nèi)襯圓柱形相關(guān)，徑向方向上出現(xiàn)十字形振型，相鄰相位相反，見圖3a);徑向方向上出現(xiàn)對(duì)稱振動(dòng)，振動(dòng)相位相反，見圖3b)。另一種是與板條有關(guān)的振型，即所有板條呈現(xiàn)相同的振型。所有板條沿軸向產(chǎn)生一階變形，兩端徑向變形最大，見圖3c);板條沿軸向發(fā)生二階變形，兩端徑向變形最大，見圖3d)。

3 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

船用艉軸承在實(shí)際工作中受到的激振頻率一般為軸頻或其倍頻?？紤]到能量的衰減，試驗(yàn)頻段通過(guò)測(cè)試最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)的力譜曲線的衰減來(lái)確定，定為0～2 048 Hz。

3.1 測(cè)試平臺(tái)的建立

測(cè)試平臺(tái)的原理圖見圖4。

圖4 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意

3.1.1 測(cè)試裝置

橡膠艉軸承模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)由信號(hào)分析儀、計(jì)算機(jī)、力錘、傳感器以及艉軸承等組成。試驗(yàn)時(shí)，將力錘上的力信號(hào)及測(cè)點(diǎn)測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)一起接入信號(hào)分析儀，信號(hào)分析儀的結(jié)果接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、記錄和后處理等。

橡膠軸承模態(tài)試驗(yàn)的信號(hào)分析采用比利時(shí)LMS公司的SC310振動(dòng)、噪聲及模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)。其通道數(shù)為16;采樣頻率為204 kHz/ch，采樣精度為24 bit?？蛇M(jìn)行FFT數(shù)據(jù)分析、振動(dòng)模態(tài)分析等。

加速度傳感器采用Kistler公司的8791A250型壓電3向加速度傳感器，最大量程為250 g，3個(gè)方向的靈敏度均為20 mV/g，最大頻響可達(dá)5 000 Hz。

3.1.2 軸承板條測(cè)點(diǎn)分布

對(duì)水潤(rùn)滑橡膠艉軸承來(lái)說(shuō)，單點(diǎn)激勵(lì)方法是進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)最適合的激勵(lì)方式。模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，將水潤(rùn)滑艉軸承橡膠內(nèi)襯沿水槽分成10個(gè)板條，每一板條沿軸向分3列，每列布置5個(gè)點(diǎn);沿周向分3行，每行布置3個(gè)點(diǎn)。襯套端面對(duì)應(yīng)每個(gè)板條也布置3個(gè)點(diǎn)，共210個(gè)測(cè)試點(diǎn)，見圖4b)。圖中4為測(cè)點(diǎn)，5為敲擊點(diǎn)。

3.2 相關(guān)性分析

為了驗(yàn)證水潤(rùn)滑橡膠艉軸承有限元模型是否和實(shí)際模型相似，須進(jìn)行相關(guān)性分析。采用頻率準(zhǔn)則和模態(tài)振型置信度準(zhǔn)則(modal assurance criterion，MAC)對(duì)計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)相關(guān)性進(jìn)行判定。

由于理論計(jì)算的理想性和橡膠的材料特性，計(jì)算得到的艉軸承模態(tài)十分密集。但在試驗(yàn)?zāi)B(tài)中，由于傳感器的測(cè)試范圍以及模態(tài)識(shí)別算法的精度等原因，可測(cè)得的模態(tài)相對(duì)分散。因此僅通過(guò)頻率準(zhǔn)則識(shí)別不可靠，須先對(duì)計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)做振型置信度分析，找出相關(guān)振型，再看其頻率是否相似，然后再根據(jù)頻率調(diào)整材料參數(shù)，直到頻率相似。

由于試驗(yàn)用3向傳感器在徑向上的精度較好，所以只須對(duì)徑向自由度做MAC值計(jì)算。按照需要，對(duì)理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)變換與計(jì)算，在計(jì)算范圍內(nèi)，橡膠艉軸承MAC值判據(jù)矩陣表見表4，可識(shí)別出的模態(tài)MAC值3D柱形圖見圖5。

表4 橡膠軸承MAC值判據(jù)矩陣表

圖5 橡膠艉軸承MAC值3D柱形圖

由于LMSTest.Lab Structures識(shí)別出的振型數(shù)據(jù)不能與理論計(jì)算值完全一致，使得試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)的振型相似度有一定的差別。

由于橡膠的局部模態(tài)十分密集，所以在計(jì)算范圍內(nèi)只能識(shí)別出3個(gè)階次的模態(tài)，見表4。在模態(tài)置信度(MAC)計(jì)算中，雖然對(duì)角MAC值未能完全達(dá)到0.7以上［5］，但基本上能反映相關(guān)性良好。同時(shí)，頻率準(zhǔn)則的判斷結(jié)果表明，橡膠軸承理論模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的頻率接近，見表5。

表5 橡膠軸承計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率對(duì)照表

由表5可見，橡膠軸承計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率的誤差值較小，說(shuō)明頻率的識(shí)別比較可靠，有限元結(jié)構(gòu)模型基本可以反映實(shí)際結(jié)構(gòu)模型。

計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的相似對(duì)應(yīng)模態(tài)振型對(duì)比見圖6。可見，兩者的板條振型彎曲趨勢(shì)相似。

圖6 橡膠尾軸承計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型比較

4 結(jié)論

1)在計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的對(duì)應(yīng)模態(tài)振型可中，兩者的板條振型彎曲趨勢(shì)相似。

2)橡膠艉軸承計(jì)算模態(tài)的1～6階振型為剛體位移，固有頻率為0;第7階為477.80 Hz，對(duì)應(yīng)軸轉(zhuǎn)速為28 668 r·min-1，遠(yuǎn)離軸系正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速，不會(huì)引起共振。

3)模態(tài)置信度(MAC)計(jì)算結(jié)果表明，計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)相關(guān)性良好。兩者模態(tài)頻率誤差較小(＜4%)，說(shuō)明頻率的識(shí)別比較可靠，有限元結(jié)構(gòu)模型基本可以反映實(shí)際結(jié)構(gòu)模型。

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