CN107391829A - 基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统及其建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统建模方法及其系统，方法包括：分解系统‑将整个滑动轴承系统模块化分解为轴承转子子系统和外围辅助子系统，再将所述轴承转子子系统和外围辅助子系统分解为元件；系统建模‑建立所述元件对应的元件模型库，将所述元件模型库组合成部件模型库，根据所述部件模型库建立轴承转子子系统模型库和外围辅助子系统模型库，根据所述轴承转子子系统模型库和所述外围辅助子系统模型库构建滑动轴承系统模型；仿真验证‑设定所述滑动轴承系统模型的参数，对滑动轴承运行性能及其支撑转子的动力学性能进行仿真分析和验证。本发明简化用户工作量，降低模型使用难度，能够进一步提高测试效果。

Description

基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统及其建模方法

技术领域

本发明涉及滑动轴承性能试验领域，特别涉及基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统及其建模方法。

背景技术

滑动轴承是汽轮机、发电机、泵、风机等大型旋转机械的关键部件，起着支撑转子、分离旋转部件和静止部件的重要作用，其运行性能对于保证机组的安全稳定运行至关重要。滑动轴承工作时要求油膜温度不能过高、油膜厚度不能过小、油膜压力不能过大，其动特性直接影响整个转子系统的稳定性和临界转速。随着机组容量的不断提高和产品交付周期的不断缩减，大型旋转机械尺寸不断增大、承载力不断增加，对滑动轴承的运行性能及其转子系统的稳定性提出了更高的要求。

目前，大型旋转机械滑动轴承的主要设计手段为：首先通过查阅设计手册或使用轴承设计专家系统对新型轴承进行初步设计；其次根据设计经验进行比对确认；对于与现有设计有较大差别的新型轴承，还需要设计搭建轴承试验台进行性能测试，以检验其设计的合理性。由此可知，对于和现有轴承结构相似、运行工况相近的滑动轴承，基本以经验设计为主，不能给出有效的性能运行参数对设计结构加以佐证。而对于和现有轴承差别较大的滑动轴承，则需要通过搭建相应试验台对其设计进行检验。大型滑动轴承试验台的搭建需要耗费相当的人力、物力，而且由于结构限制，大型滑动轴承物理试验一般都是针对单一型号、固定结构轴承进行的测试。这种测试方式，每一次测试的实验数据都局限于试验的结构、工况而区别显著，因单纯依赖经验而使得滑动轴承设计的准确性、可靠性受限。系统仿真方法逐渐成为大型旋转机械行业设计测试的新技术手段。

现有大型旋转机械滑动轴承及其转子系统仿真测试技术中，其仿真模型主要采用面向过程的程序设计方法。在过程式的程序设计中，函数或子程序与数据是分别独立存在的，数据结构与算法的正确结合必须由用户自行保证。这样不仅要求用户必须读懂全部程序，还要求必须能够领会原编程人员的数据传递方法和技巧，否则用户自定义模块即便没有任何语法错误，也会很容易地打乱原来的数据传递机制而造成错误。此外还要求程序设计人员要对滑动轴承、转子动力学的知识非常深入地了解，才可能设计出最符合要求的方法，无疑增加了成本和程序设计的难度。

因此，需要提供一种更优化的测试方法，解决上述技术问题，达到更好的测试效果和用户使用体验。

发明内容

为解决现有技术中的技术问题，本发明提供一种基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统及其建模方法，该系统及其方法能够对滑动轴承运行性能及其支撑转子的动力学性能进行仿真验证和优化设计，相比较于现有技术，大大简化用户工作量，降低模型使用难度，能够进一步提高测试效果。

本发明一方面提供一种基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统建模方法，包括：

(1)分解系统：将整个滑动轴承系统模块化分解为轴承转子子系统和外围辅助子系统，再将所述轴承转子子系统和外围辅助子系统分解为元件；

(2)系统建模：建立(1)中所述的元件对应的元件模型库，将所述元件模型库组合成部件模型库，根据所述部件模型库建立轴承转子子系统模型库和外围辅助子系统模型库，根据所述轴承转子子系统模型库和所述外围辅助子系统模型库构建滑动轴承系统模型；

(3)仿真验证：设定(2)中所述滑动轴承系统模型的参数，对滑动轴承运行性能及其支撑转子的动力学性能进行仿真分析和验证。

优选的，所述轴承转子子系统包括滑动轴承和转子。

优选的，所述滑动轴承包括：润滑膜厚度；瓦块运动关系；润滑膜粘度-温度关系；雷诺方程，包括层流、紊流、雷诺方程自然边界和雷诺方程强制边界等各状态；能量方程，包括对流、对流传导、能量方程自然边界和能量方程强制边界等各状态。不同状态/参数下如层流、紊流、雷诺方程自然边界和雷诺方程强制边界将得到不同的雷诺方程状态/结果。不同状态/参数下如对流、对流传导、能量方程自然边界和能量方程强制边界将得到不同的能量方程状态/结果。

优选的，所述转子包括轴段和转盘。

优选的，所述外围辅助子系统包括：驱动系统、激振系统、加载系统、外部环境和测控系统。

优选的，所述驱动系统包括驱动机械部分和驱动控制部分；所述激振系统采用单频激振、宽频激振和脉冲激振中至少一种激振方式；所述加载系统包括加载机械部分、加载液压部分和加载控制部分；所述外部环境包括环境噪声和环境温度，所述环境噪声包括周期噪声和白噪声。

优选的，所述部件模型库设有：模型；接口：用于在模型间传递参数和链接不同领域的模型；算法：用于定义复杂的功能或经常被调用的功能；包：建模过程中所建立的模型结构。其中，模型作为任何元、部件实现建模的基本结构，相当于类(class)，其数据的声明访问等操作和一般的类的规则完全相同，模型包括部分模型和整体模型，整体模型可以继承部分模型中的变量和函数，从而提高建模效率；设置包的目的是为了将某些功能相似的模型放在子包里，而子包又可以放在其所属的父包里，以建立模型的树形结构，从上而下对系统进行模块化分解，从下而上通过包建立模型的树形结构，避免重复的建模过程，提高了建模效率。

优选的，所述部件模型库包括滑动轴承库、转子库、驱动系统库、激振系统库、加载系统库、外部环境库以及测控系统库。

优选的，在已构建的系统建模的基础上，根据滑动轴承及转子的不同，通过继承原有模型的基础上进一步扩展得到新的模型库。

本发明另一方面提供基于前述一种基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统建模方法所构建的仿真系统。本发明通过接口方式实现模型输入输出参数设置，由此固化了模型间的数据传递关系，从而降低了模型使用难度。

本发明的有益效果是，实现了大型旋转机械滑动轴承的整体性能分析，为其结构优化设计方法提供了新方向。

附图说明

图1为本发明建模方法的结构框图；

图2为本发明建立滑动轴承性能仿真系统模型的流程图；

图3为本发明滑动轴承性能测试系统的分解框图；

图4为本发明轴承转子子系统分解图；

图5为本发明外围辅助子系统的分解图；

图6为本发明以某型号汽轮机支承轴承试验系统为对象建模实施例的电机仿真模型示意图；

图7为本发明以某型号汽轮机支承轴承试验系统为对象建模实施例中滑动轴承所使用的四瓦可倾瓦径向滑动轴承结构示意图。

图中，1、星形接线模型；2、三相电压信号；3、频率信号；4、变频器；5、电流有效值传感器；6、接线器；7、电机本体；8、联轴器；9、扭矩传感器。

具体实施方式：

为了使本发明的创作特征、技术手段与达成目的易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本发明。

本发明所述的一种基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统建模方法是一种面向对象的滑动轴承性能仿真系统非因果建模方法，该建模方法基于面向对象的非因果多领域建模语言Modelica设计滑动轴承性能仿真系统。

本发明的建模方法优选包含三大部分，(1)分解系统；(2)系统建模；和(3)仿真验证。

参见附图1和2，本发明系统分解为两个子系统，即滑动轴承转子子系统和外围辅助子系统。其中每个子系统都由三类库组成，分别是基本元件库、特殊/关键元件库和部件库。基本元件库包括所在库所涉及的不同学科领域的基本定理和基本原理的数学建模以及相同学科领域内不同元、部件接口和不同学科领域之间耦合接口；特殊/关键元件库是针对滑动轴承运行性能及其支撑转子稳定性所涉及到的关键零件进行数学建模所得到的元件；而部件库是针对滑动轴承性能测试系统的真实零部件，由元件级子库采用封装的方式得到一个“黑盒子”，这个黑盒子具有特定的接口，能够传递数据并且能依据滑动轴承性能测试系统的真实零部件完成一定的功能。两个子系统建成之后，通过特定的耦合接口来传递相关的数据，实现不同子系统之间的耦合。

图2中，本发明分解系统为将整个滑动轴承系统“自上而下”，依据系统级→子系统级→元件级的顺序，模块化、逐级分解为轴承转子子系统和外围辅助子系统，再将轴承转子子系统和外围辅助子系统分解为元件；该两个子系统分解为元件之后，均包含基本元件和特殊(或关键)元件，分别构成基本元件库和特殊(或关键)元件库，所述特殊(或关键)元件是指对滑动轴承运行性能所涉及到的关键元件，本说明书中所述的特殊元件，也可称之为关键原件。所述模块化分解是指使得分解出的对象具有物理上的相对独立性，能够完成单独的物理功能，同时具有数学上的独立性，使描述该对象物理部件特性的全部方程和计算都包含在对象对应的模块程序内部。如图3-5所示，为根据本发明所述建模方法得到的滑动轴承性能测试系统所分解的各模块结构图及其子系统结构图，所述轴承转子子系统包括滑动轴承(模型)和转子(模型)，所述滑动轴承包括：润滑膜厚度；瓦块运动关系；润滑膜粘温关系；雷诺方程，包括层流、紊流、雷诺方程自然边界和雷诺方程强制边界各状态；能量方程，包括对流、对流传导、能量方程自然边界和能量方程强制边界各状态。所述转子(模型)包括轴段和转盘。所述外围辅助子系统包括：驱动系统、激振系统、加载系统、外部环境和测控系统。所述驱动系统包括驱动机械部分和驱动控制部分；所述激振系统采用单频激振、宽频激振和脉冲激振中至少一种激振方式；所述加载系统包括加载机械部分、加载液压部分和加载控制部分；所述外部环境包括环境噪声和环境温度，所述环境噪声包括周期噪声和白噪声。

图2中，本发明系统建模为“自下而上”，依据元、部件模型模块库→子系统模型模块库→系统模型模块库的顺序层次化建模，是指从系统的底层开始建立与元件对应的元件模型库，然后根据模型要求将底层元件模型库组合成高一级部件模型库。对所述元件库的元件或元件对应的功能进行层次化数学建模并封装，建立所述元件对应的元件模型库，如基本元件模型库和特殊(或关键)元件模型库，所述特殊(或关键)元件模型库是指对滑动轴承运行性能所涉及到的关键元件进行的数学建模。建立元件模型库之后，可以随时调用库中的模型(也可以说是模块)实现模型(或模块)的重复利用，避免每次进行仿真测试时都重新建立模型。建模后再根据滑动轴承性能测试系统的真实零部件，将元件模型库通过集成和扩展，并采用封装的方式得到具有特定接口、能够传递数据、并且能依据滑动轴承性能测试系统真实零部件完成一定功能的部件模型库，犹如一个黑盒子。根据所述部件模型库建立轴承转子子系统模型库和外围辅助子系统模型库，根据所述轴承转子子系统模型库和所述外围辅助子系统模型库构建滑动轴承机械系统模型库；所述基本元件模型库、特殊/关键元件模型库以及部件模型库形成轴承转子子系统和外围辅助子系统，所述两个子系统通过耦合接口传递数据，形成滑动轴承性能仿真系统的整体模型。

所述部件模型库设有：1.模型；2.接口：用于在模型间传递参数和链接不同领域的模型；3.算法：用于定义复杂的功能或经常被调用的功能；4.包：建模过程中所建立的模型结构。其中，模型作为任何元、部件实现建模的基本结构，相当于类(class)，其数据的声明访问等操作和一般的类的规则完全相同，模型包括部分模型和整体模型，整体模型可以继承部分模型中的变量和函数，从而提高建模效率；设置包的目的是为了将某些功能相似的模型放在子包里，而子包又可以放在其所属的父包里，以建立模型的树形结构，从上而下对系统进行模块化分解，从下而上通过包建立模型的树形结构，避免重复的建模过程，提高了建模效率。

所述部件模型库包括滑动轴承库、转子库、驱动系统库、激振系统库、加载系统库、外部环境库以及测控系统库。如图2，本发明提供在已构建的系统建模的基础上，组建整个对象的模型，进行仿真控制或仿真计算，根据滑动轴承及转子的不同，通过在原有模型的基础上进一步继承、扩展得到新的模型库，进而可以建立滑动轴承性能仿真系统v1。可对仿真系统模型进行动态性能分析、整体参数匹配与结合试验数据优化等，最终获得了一个根据用户需要建立的新的滑动轴承性能仿真系统v2完整模型，以实现大型旋转机械滑动轴承的整体性能分析与结构优化设计。

本发明的仿真验证为设定滑动轴承系统模型参数，在一定的操作平台上对滑动轴承运行性能及其支撑转子的动力学性能进行仿真计算、分析和验证。所述操作平台必须支持Modelica语言规范，例如可以是Dymola，在该操作平台上以封装的模型图标代替滑动轴承性能测试系统的实际零部件，以图形化方式浏览部件模型，通过拖曳和搭积木的方式构建滑动轴承性能仿真系统模型，对滑动轴承运行性能及其转子系统稳定性进行仿真验证，能够得出在不同工况和振动状态下，滑动轴承支撑转子的振动位移、速度曲线、转子轴心轨迹以及支撑刚度阻尼、轴承油膜厚度、油膜压力、油膜温度等参数，从而为滑动轴承设计提供技术支持。

在本发明以“搭积木”的方式建立滑动轴承性能仿真系统模型中，输出/输入连接点称为节点，这些节点并非必须联结实际相连的部件。根据输入完成每个部件的计算时，把全部参数和该部件的其他特性全部传递给下一个节点。与一般的性能仿真软件，假定部件特性已知或给出部件特性模块的接口形式后由用户自行完成不同。本发明所建立的面向对象的程序中，部件特性子过程只存在于部件对象内部，只有通过类定义中的指定途径才可访问的，该子过程所允许访问和修改的外部变量也已在部件类定义中做了足够的限制，使得语法正确的子过程不会干扰主程序正常的数据交换。同时Modelica语言的非因果关系令仿真过程中的数据流不仅是单向的，也可以是双向的，从而使得下游部件性能直接影响上游部件，保证了部件之间的匹配。大大简化了用户工作量，降低了模型使用难度。

用户可以根据滑动轴承和转子的参数，在Dymola的仿真平台上经过简单的拖拽式建模，方便地搭建起一个虚拟的滑动轴承性能仿真系统模型。经过仿真就可以得到在不同工况和振动状态下滑动轴承支撑转子的振动位移、速度曲线、轴心轨迹，从而方便地判定滑动轴承转子系统设计是否满足其运行性能要求。另外，仿真过程中得到的轴承润滑膜厚度、压力、温升以及支撑刚度阻尼参数情况，也可以对滑动轴承是否满足支承性能要求提供判断依据。此外，根据Modelica语言的面向对象建模的特点和建模过程，可以方便地更改各个部件的性能参数，通过仿真得到参数改变对滑动轴承转子系统总体性能的影响。从而实现参数优化，指导滑动轴承转子系统的设计方向。

本发明技术方案包括以滑动轴承性能测试所涉及到的机械、流体、控制等元部件专业库。所有专业库都采用开放形式，用户可以根据自己的需要随时在适当的仿真平台中对所建立的库进行扩展。各个专业库又分别包括各自专业库系统的基本元件库和专业部件库。基本元件库包括反映所属专业库系统中所涉及的基本原理、基本公式等知识的元件级子库。专业部件库包含由各个元件通过所属专业库中的标准接口相互连接，组成能够实现一定的功能，反映现实滑动轴承性能测试系统中的基本零部件功能的部件。

本发明还包括基于前述一种基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统建模方法所构建的仿真系统。

如下为以某型号汽轮机支承轴承试验系统为对象，采用本发明提出的建模方法，搭建其性能仿真系统的具体实施例。

第一步,基于系统分解思想将滑动轴承性能测试系统按照图3、图4和图5进行分解，并区分基本元件库和特殊元件库。基本元件库可以从Dymola模型库中调用，特殊元件库需要自行开发，本系统中需要自行开发的特殊元件库为滑动轴承对应的各个元件库。

第二步，根据模型数学关系进行特殊元件库的搭建。此处以滑动轴承油膜压力和油膜温度模型库搭建为例进行说明。

轴承润滑膜压力是一个比较难模拟的量，它与轴承承载面结构、润滑膜厚度、润滑油粘度、环境温度、工作载荷等因素都存在一定关系。在此采用雷诺方程模拟轴承润滑膜压力，具体数学关系如下：

式(1)中各符号意义如下：

p——轴承润滑膜压力，单位Pa；

h——轴承润滑膜厚度，单位m；

U——轴颈表面周向线速度，单位m/s；

μ——润滑介质动力粘度，单位Pa·s；

x——轴承周向展开方向的坐标，单位m；

z——轴承轴向坐标，单位m；

G_x、G_z——紊流修正因子，由流场流态和紊流模型决定，其关系如下：

式(2)中各符号意义如下：

k_J和k_B——分别为轴颈和轴瓦的剪切系数，和表面状态有关；

v_x——流场沿膜厚方向平均的周向速度，单位m/s；

Ω——角速度，单位rad/s；

r——轴颈半径，单位m。

由于在润滑过程中，润滑膜受到粘性剪切和压缩作用而发热，造成温度升高，同时所产生的热量通过对流和传导而散失。因而润滑膜温度也是轴承分析过程中必须考虑的关键性因素，在此采用能量方程模拟润滑膜温度，具体数学关系如下：

式(3)至(6)中各符号意义如下：

T——润滑膜温度，单位℃；

Cp——滑介质在流场中沿膜厚方向平均比热，单位J·kg^-1·℃^-1；

ρ——润滑介质密度，单位kg/m³；

τ_xy|^h——轴颈上受到的剪切流引起的剪应力τ_xy；

——轴瓦在x方向上受到的压力流引起的剪应力τ_xy；

——轴瓦在z方向上受到的压力流引起的剪应力τ_zy；

k_x——x方向壁面剪切系数，

k_z——z方向壁面剪切系数，

其它符号意义同上。

根据以上数学关系采用Dymola对油膜压力和油膜温度模型进行开发并设置模型输入输出接口。

第三步，根据基本元件库模型和特殊元件库模型进行子系统部件库的搭建。此处分别以电机模型和滑动轴承模型搭建为例进行说明。

电机采用变频调速，通过改变输入三相电流的频率与电压来实现调节转速功能。电机仿真模型中包括电源、变频控制模块、电机本体等部分，采用三相380V交流电源供电，电机额定频率162.3Hz，变频调速控制。电机仿真模型如图6所示，采用基本元件库模型进行搭建。

基于前期开发的特殊元件库——润滑膜厚度、雷诺方程、能量方程、瓦块运动关系和润滑膜粘度-温度关系元件库集成搭建滑动轴承部件库。此实施例中所使用的滑动轴承为四瓦可倾瓦径向滑动轴承，其结构示意图如图7所示。

第四步，根据轴承转子子系统部件库和外围辅助子系统部件库进行子系统模型搭建，并集成得到仿真系统模型。

第五步，根据试验数据对仿真系统进行修正，得到滑动轴承性能仿真系统优化模型。基于试验数据，修正后的仿真模型更加接近实际，仿真结果更加准确。

最后，运行滑动轴承性能仿真系统优化模型进行仿真验证，仿真结果如表1所示。比较可知仿真值与试验值的误差在15％以内，满足工程计算要求，由此也验证了开发仿真模型的正确性和有效性。

表1滑动轴承性能仿真系统仿真值与试验值比较

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种基于Modelica语言的滑动轴承性能仿真系统建模方法，其特征在于，包括：

(1)分解系统：将整个滑动轴承系统模块化分解为轴承转子子系统和外围辅助子系统，再将所述轴承转子子系统和外围辅助子系统分解为元件；

(2)系统建模：建立(1)中所述的元件对应的元件模型库，将所述元件模型库组合成部件模型库，根据所述部件模型库建立轴承转子子系统模型库和外围辅助子系统模型库，根据所述轴承转子子系统模型库和所述外围辅助子系统模型库构建滑动轴承系统模型；

(3)仿真验证：设定(2)中所述滑动轴承系统模型的参数，对滑动轴承运行性能及其支撑转子的动力学性能进行仿真分析和验证。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述轴承转子子系统包括滑动轴承和转子。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述滑动轴承包括：

润滑膜厚度；

瓦块运动关系；

润滑膜粘度-温度关系；

雷诺方程，包括层流、紊流、雷诺方程自然边界和雷诺方程强制边界各状态；

能量方程，包括对流、对流传导、能量方程自然边界和能量方程强制边界各状态。

4.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述转子包括轴段和转盘。

5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述外围辅助子系统包括：

驱动系统、激振系统、加载系统、外部环境和测控系统。

6.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，

所述驱动系统包括驱动机械部分和驱动控制部分；

所述激振系统采用单频激振、宽频激振和脉冲激振中至少一种激振方式；

所述加载系统包括加载机械部分、加载液压部分和加载控制部分；

所述外部环境包括环境噪声和环境温度，所述环境噪声包括周期噪声和白噪声。

7.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述部件模型库设有：

模型；

接口：用于在模型间传递参数和链接不同领域的模型；

算法：用于定义复杂的功能或经常被调用的功能；

包：建模过程中所建立的模型结构。

8.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述部件模型库包括滑动轴承库、转子库、驱动系统库、激振系统库、加载系统库、外部环境库以及测控系统库。

9.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，在已构建的系统建模的基础上，根据滑动轴承及转子的不同，通过继承原有模型的基础上进一步扩展得到新的模型库。

10.一种使用如权利要求1-9任一项所述的建模方法构建的滑动轴承性能仿真系统。