基于Tribo-X inside ANSYS滑动轴承系数计算应用

Tribo-X inside Ansys是滑动轴承分析专用工具，具有滑动轴承刚度系数和阻尼系数计算的能力。

滑动轴承刚度和阻尼项取决于转速或轴偏心位置，反映了不同润滑操作条件下的动态特性，获得的跟随转子角速度变化而变化的滑动轴承刚度和阻尼系数能够无缝传递到转子动力学分析模块的轴承工具中，进行相关仿真分析使用。

一、Tribo-X inside ANSYS滑动轴承分析系统搭建

Tribo-X inside ANSYS软件分析环境基于ANSYS Mechanical进行轴承分析的预处理和后处理，软件安装以后在ANSYS Mechanical中新增了一个名为Tribo-X inside ANSYS的工具栏，如图1所示。

图1

Tribo-X inside ANSYS分析的计算条件分为基础边界条件定义和高级分析求解边界条件两类。任何基于Tribo-X inside ANSYS工具的分析内容都首先建立在基本边界的定义基础上，如图2所示。而滑动轴承刚度和阻尼系数的计算和传递要通过高级分析求解边界条件进行定义，往往需要更高级的license进行支持。下面对Tribo-X的基础边界和高级边界条件内容进行简要说明。

图2

基础边界条件定义简要说明：

• Pressure Supply：压力边界条件，用来定义润滑油的供应区域。该区域可以在轴承或轴的表面上定义。当压力边界条件选择多个面时，就可以定义多个润滑油的供应。供油几何形状可以是任意的，压力值必须为正。因此，任何类型的润滑供应都是可以定义的。

• Bearing Geometry：如图3所示，它用于确定液体滑动轴承的位置，是确定轴承与轴之间润滑间隙的基础。轴承和轴的轮廓被自动识别推导轴承和轴的主要几何参数，几何识别是基于两个圆柱参考坐标系进行的。可以通过设置相对偏心率和角度来确定轴的具体偏心位置，给定的值可以被用作计算平衡位置的初始值也可以直接作为平衡位置进行定义。

图3

• Lubricant Properties：用来定义润滑剂的材料属性。
  

• Operating Conditions：如图4所示，操作条件是用来定义滑动轴承负荷，速度或轴未对准条件。轴的未对准引入可以考虑CAD建模、边界条件直接定义以及变形网格导入几种方式。

图4

高级边界条件定义简要说明：

• Stiffness Data for EHD Analysis边界条件可以考虑轴承刚度的特性，轴承的弹性变形会影响产生的润滑油间隙高度。

• Mixed Lubrication边界条件用于考虑滑动轴承处于混合摩擦状态下的性能。

• Bearing Dynamics和Import Bearing Coefficients该两个边界条件用于进行轴承刚度系数和阻尼系数的计算和传递。

二、Tribo-X滑动轴承刚度系数与阻尼系数的计算与传递过程

Tribo-X滑动轴承系数计算与传递一般分为两个步骤：

1、通过在Hydrodynamic Bearing模块中建立滑动轴承基本分析流程，并添加高级选项边界条件“Bearing Dynamics”进行设置。执行求解计算即可输出刚度系数和阻尼系数，如图5所示。

图5

2、建立动力学计算模块，例如模态分析模块或者谐响应分析模块等，添加高级选项边界条件“Import Bearing Coefficients”进行设置，将源分析项设置指向为Hydrodynamic Bearing模块，并将目标轴承设置为连接组中的轴承工具，运行求解“Import Bearing Coefficients”即将滑动轴承系数传递输入至轴承工具中，如图6所示。

至此完成Tribo-X滑动轴承刚度和阻尼系数的计算，完成对动力学模块轴承工具参数的赋予。轴承单元的选择为Combine214单元，Combine214元件在两个垂直方向以及交叉项有刚度和/或阻尼特性，该单元具有基于转速变化进行定义不同的刚度和阻尼特性。

图6

三、转子动力学分析计算简要举例

转子动力学一般由旋转轴、轴承和转盘构成，如图7所示。转子动力学是对旋转机械的研究，在整个现代工业界中起着非常重要的作用，能够进行确定临界速度的计算、转子旋转和系统稳定性预测、不平衡响应计算以及瞬态启动和停止的计算。

在ANSYS Mechanical进行转子动力学分析中，能够直接利用三维CAD装配体模型进行分析，也可以采用基于梁模型单元（3D Beam单元和Mass 21质量单元）简化近似代替三维CAD模型进行分析。

图7

如图8所示是一个3质量单元与梁单元建模的转子动力学模态分析流程，基于前面方法已经完成基于Tribo-X的滑动轴承刚度与阻尼系数的计算与数据的传递过程。

图8

模态求解分析设置如图9所示，一般如下：

• 选项控制用于设置提取模态数量并设置搜索的频率范围；
• 求解控制用于设置阻尼与选择阻尼求解类型；
• 转子动力学控制用于考虑陀螺效应设置CORIOLIS的激活，进行坎贝尔图绘制显示设置以及设置“Number of Points”定义以表格形式设置的转动速度点的个数；
• 阻尼控制用于定义阻尼样式和数据。

图9

边界条件设置和转速的设置：

一般应该考虑轴向位移的约束和轴向旋转的约束，轴向位移的约束用于控制轴向模态，轴向旋转的约束用于控制扭转模态。同时施加考虑转子特性对应的转动速度，如图10所示。

图10

Campell图和轨迹图后处理：

如图11，Campbell图结果仅在模态分析中有效，由于陀螺效应，旋转组件的固有频率随旋转速度而变化，坎贝尔图用于绘制不同旋转速度下旋转结构部件频率不断变化的动态特性，其中X轴代表转子的实际转动速度，Y轴表示固有频率。图中起始于原点的斜线是激励线，斜率是固有频率和转动速度之比，默认比率为1。

该线相交于频率与转速关系的曲线的位置进行了三角形标记，该三角形标记的转速即为临界速度，在临界速度下结构将要进行共振。当旋转结构以其共振频率振动时，旋转轴上的点将沿一个轨迹运动，称为涡动，图中BW和FW代表反向涡动和正向涡动，当转子以旋转速度Ω上自转，自转方向与涡动方向相反称为反向涡动，如图12就是一个反向涡动。

当转子以旋转速度Ω上自转，自转方向与涡动方向相同，称为正向涡动。此外，轨迹图如图12所示，其他关于模态分析后处理相关内容不再做介绍。