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评估轴承不对中对转子振动的影响

作者 Bridget Paulus

2019年 5月 14日

轴承是世界上最古老的发明之一，也是最常见的发明之一。通常，这些部件用于旋转机械中帮助支撑其他部件，以减少各元件之间的摩擦，和传递各种载荷。要正常工作，轴承必须正确对准，否则会产生可能导致设备过早失效的振动。使用 COMSOL^® 软件，您可以研究轴承不对中如何影响旋转机器的振动。

轴承：现代旋转设备的古老部件

人类使用轴承已经很长时间了，甚至可能在轮辋发明之前就已经使用。古埃及的象形文字描绘了石头制作的部件（用于手钻等设备），但最早发现的轴承是后来在罗马的涅米船（大约在公元前 40 年坠毁）上发现的。达芬奇也为他的直升机设计了一个轴承，而伽利略则描绘了第一个笼状球轴承。

滚动轴承示意图。
描绘的支撑偏离中心的转子轴的滚动体轴承。

今天，有许多不同类型的轴承，根据用途不同其形状和尺寸也不一样。例如，巨型滚子轴承可以移动建筑物（例如灯塔），而微型球轴承则用于 MEMS 器件。还有一种轴承是液体动压轴承，它有一层薄薄的流体膜，可帮助减少零件之间的摩擦，用于以下领域的旋转机械：

汽轮机
冷却泵
船舶
精加工和整理
电动机

旋转系统的一个常见问题是轴承不对中，这会影响系统的整体性能。例如，轴承不对中是振动的主要原因之一，会导致噪音过大和(最终)设备过早失效。此外，不对中的轴承会增加旋转设备的扭矩，使其在运行过程中消耗更多能量。

尽管存在这些缺点，但在设置或维护设备时并不总是执行轴承对中或重新对中，因为不清楚回报有多大。(例如，是否值得对汽车中的所有 100 多个轴承进行重新校准，来提高效率和使用寿命?)此外，所有轴承都容许一定量的不对中，这取决于零件的类型和功能。

为了深入了解轴承不对中如何影响各种机械，工程师可以使用仿真进行预测。在这里，我们使用 COMSOL Multiphysics^® 软件的附加模块——转子动力学模块，同时也是结构力学模块的附加模块来研究轴承不对中对旋转系统的影响。

在 COMSOL Multiphysics^® 中分析轴承不对中

对于这个示例，模型相对简单，由两个液压轴承、轴承之间的圆盘和支撑在轴承上的转子轴组成。圆盘被放置在轴承之间，其在转子上的偏心安装（或重心与圆盘几何中心的偏移）导致质量不平衡，使转子旋转。为了测试这个装置中轴承的效果，需要执行两次瞬态仿真，一次是两个轴承都正确对中，一次是右侧轴承不对中。

显示轴承未对准研究设置的图形。
转子和轴承仿真的设置。

COMSOL 软件中带有液体动压轴承 的梁转子 接口能够模拟该组件的运行，轻松耦合转子和轴承的运行。模拟还包括转子的材料和几何特性以及轴承上流体膜的重要参数，例如动态黏度、可压缩性等。(有关更多详细信息，您可以查看轴承不对中对转子振动的影响案例教程。)

轴承对中如何影响旋转系统的振动？

为了回答这个问题，我们先来看看转子中的应力和轴承上的压力。这里，最大的弯曲应力直接在转子的中间，而且两个轴承上都有压力。这些结果表明轴将以这样的方式弯曲，它会强行压住流体膜，反过来又对轴承施加压力。当转子刷过薄膜和轴承时，可能会导致系统振动。但是，当轴承不对中时，压力会更大吗？

从结果来看，虽然最大压力大致相同，但在不对中的轴承中，分布是偏离中心的，因为轴承中的压力分布支撑轴的载荷。轴承中的压力分布直接受流体膜厚度的影响，因此偏离中心表示接触可能发生在轴承边缘附近。

COMSOL Multiphysics<sup>®</sup> 中显示转子应力和轴承压力的曲线图。

转子中的 von Mises 应力和轴承上的压力(左)，以及右轴承对中和不对中时的压力分布比较(右)。

我们还可以确定转子在每种情况下稳定的速度如何。这里，带有不对中轴承的转子具有一个较高的初始速度。因此，转子试图更快地达到稳定平衡，这使其比具有两个对中轴承的转子能更快地稳定下来。然而，速度振荡的幅度较大，意味着不对中轴承的振动将更加严重。

比较有无未对准情况下轴承速度的曲线图。
右轴承在对中和不对中情况下的速度。

接下来，让我们检查两个轴承中转子的轨道，以及当右轴承未对中时它们是如何比较的。如下图所示，左轴承中转子的轨道几乎完全不受不对中的影响。但是，它在右轴承中的转子轨道中起着更重要的作用。涡动模式仍然相似，但转子的稳态位置在不对中的轴承中更高。因此，带有不对中轴承的转子将靠近(或抵靠)轴承顶部附近的流体膜。由于转子将偏离中心，因此在运行期间其旋转可能会导致转子刷过流体膜和轴承摩擦，增加振动并导致两个部件更快磨损。