CN109977573A - 一种双矩形腔油垫油膜压力场重构方法 - Google Patents

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高维铖
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Abstract

本发明公开了一种双矩形腔油垫油膜压力场重构方法。为解决准确的获取压力油膜的压力场信息的问题，本发明采用分步骤、分区域的油膜压力场重构方法，提出了适用于工业现场的油膜压力场重构方法。该方法主要包括五个步骤：（1）布置压力传感器；（2）采集各个压力传感器的数据；（3）对油腔内部区域压力场进行重构；（4）离散化处理；（5）对封油边区域进行压力场重构。本发明适用于静压支承领域。

Description

一种双矩形腔油垫油膜压力场重构方法
技术领域
本发明涉及静压支承油垫压力场重构方法，尤其涉及一种双矩形腔油垫油膜压力场重构方法，属于静压支承领域。
背景技术
静压轴承通过外部油泵提供液压油来形成压力油膜，用以承受载荷。压力油膜虽然尺寸极薄，确实静压轴承，因此压力油膜的压力分布状态是判定静压轴承是否正常工作的一项重要指标，需要人们加以格外关注。
目前，研究及设计人员常用计算流体力学仿真来了解各种工况下压力油膜的压力场分布，该方法具有精确度高，可视化效果好等优点，但其计算较为复杂，花费时间成本较高，且在使用过程中通常会为简化计算而忽略某些条件，与实际情况存在一定误差，不适用于在工业现场使用。
然而，受静压油垫结构尺寸限制，且又出于对成本的考量，通常只在静压油垫区域布置少数有限个压力传感器。由于在不同工况下，压力油膜的压力场分布均有不同，但传感器一旦布置其位置即不可变动，仅靠压力传感器直接测得的几个测点位置的压力值不足以表征压力油膜的压力场状况。因此，如何准确的获取压力油膜的压力场信息成为了当前急需解决的问题。
发明内容
一种双矩形腔油垫油膜压力场重构方法，其特征在于本发明采用分步骤分区域的油膜压力场重构方法，包括以下步骤：
(1)布置压力传感器：以双矩形腔油垫中心点为坐标原点，x轴正方向指向流体流动方向；y轴正方向指向静压轴承旋转中心；布置2n个压力传感器，且须保证在每个矩形油腔内部布置不少于3个压力传感器；油腔内部压力传感器应保证均匀对称分布，两个独立的油腔之间的压力传感器布局一致。
(2)采集各个压力传感器的数据，并剔除异常数据点。
(3)对油腔内部区域压力场进行重构：采用平面拟合加约束规划的方法得到油腔内部压力场，公式如下：
式中，a1，a2，α3，α4为待拟合参数；e1,i，e2,j分别为油腔1、油腔2内相应位置处的压力传感器的误差上限；xi，yi分别为油腔1中的压力传感器i的横坐标与纵坐标；zi为油腔1中的压力传感器i的读数；xj，yj分别为油腔2中的压力传感器j的横坐标与纵坐标；zj为油腔2中的压力传感器j的读数。
得到油腔1、油腔2的压力场分布方程分别为：
(4)将压力拟合方程做离散化处理。
(5)对封油边区域进行压力场重构：将封油边区域划分为A、B、C三个区域，其中封油边到有效承载面积边缘线性插值，分区域完成全部插值；
在区域A处沿y方向进行一维线性插值，得到区域A内全部网格节点处的压力值：
在区域B处沿x方向进行一维线性插值，得到区域B内全部网格节点处的压力值：
式中，xin，yin，zin为封油边内圈的网格节点处的横纵坐标及压力值；xout，yout，zout为封油边外圈的网格节点处的横纵坐标及压力值。
在区域C处沿x,y方向进行二维线性插值，得到区域C内全部网格节点处的压力值：
其中，(x1，y1，z1，1)为封油边内侧角点处的横纵坐标及压力值；(x2，y1，z2，1)，(x1，y2，z1，2)，(x2，y2，z2，2)为封油边外侧的插值节点处的横纵坐标及压力值。
本发明主要采用分步骤、分区域的压力油膜压力场重构方法，解决了压力油膜的全局压力场信息的获取问题。相较于采用计算流体力学仿真的现有技术方案，该发明的压力场重构方法提高了计算效率，使得计算的时间成本大大降低，适合于在工业现场的应用；本发明能够在使用较少数量的压力传感器情况下，得到准确的静压支承压力油膜的压力场分布，相较于现有技术方案，能够减少所需布置的传感器数量，有效节省硬件成本。
附图说明
附图1：本发明方法的流程图；
附图2：双矩形腔油垫坐标系建立示意图；
附图3：双矩形腔区域划分示意图；
附图4：实施例双矩形腔压力传感器布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步描述：
本实施例以双矩形油腔布置6个压力传感器为例说明本发明的具体实施过程：(1)以双矩形腔油垫中心点为坐标原点，双矩形腔沿径向方向为轴对称体，x轴垂直于该对称轴，其正方向指向流体流动方向；以对称轴为y轴，其正方向指向静压轴承旋转中心。在双矩形油腔内安装6个压力传感器，油腔内的传感器以y轴为对称轴分布在油腔内部，且油腔内部压力传感器布局可通过平移得到，6个压力传感器布局如图所示，其中P1,1，P1,2，P1,3位于油腔1内，P2,1，P2,2，P2,3布置在油腔2内。
优选的，采用的全部压力传感器精确度均为+0.25％FS，量程均为0～1MPa，则其误差限为0.0025MPa。
(2)如图所示，实时采集各个压力传感器的读数，并求出 的值，然后计算两两比值k之间的差值，根据工程经验将比值之差的阈值设为0.15，若差值小于等于阈值则认为压力传感器工作正常，若差值大于阈值则存在压力传感器工作异常。
(3)采用平面拟合加约束规划的方法得到油腔内部压力场：
式中，a1，a2，a3，a4为待拟合参数；e1,i，e2,j分别为矩形油腔1,2内相应位置处的压力传感器误差限；xi，yi分别为油腔1中的压力传感器i的横坐标与纵坐标；zi为油腔1中的压力传感器i的读数；xj，yj分别为油腔2中的压力传感器j的横坐标与纵坐标；zj为油腔2中的压力传感器j的读数。
求解得到矩形油腔1，2的压力场分布方程分别为：
(4)依据所需要的精度对封油边区域进行网格划分，并将压力拟合方程做离散化处理，提取双矩形油腔内侧边缘网格节点处的压力值。
(5)对油腔内部区域压力场进行重构：将封油边区域划分为A、B、C三个区域，其中封油边到有效承载面积边缘线性插值，分区域完成全部插值，由于封油边外圈与大气直接相连，则封油边外圈节点处的压力值zout，z2,1，z1,2，z2,2均为0。
在区域A处沿y方向进行一维线性插值，得到区域A内全部网格节点处的压力值：
在区域B处沿x方向进行一维线性插值，得到区域B内全部网格节点处的压力值：
式中，xin,yin,zin为封油边内圈的网格节点处的横纵坐标及压力值；xout,yout,zout为封油边外圈的网格节点处的横纵坐标及压力。
在区域C处沿x,y方向进行二维线性插值，得到区域C内全部网格节点处的压力值：
其中，(x1,y1,z1,1)为封油边内侧角点处的横纵坐标及压力值；(x2,y1,z2,1)，(x1,y2,z1,2)，(x2,y2,z2,2)为封油边外侧的插值节点处的横纵坐标及压力值。
本实施方案效果：本发明主要采用分步骤、分区域的压力油膜压力场重构方法，解决了压力油膜的全局压力场信息的获取问题。相较于采用计算流体力学仿真的现有技术方案，该发明的压力场重构方法提高了计算效率，使得计算的时间成本大大降低，适合于在工业现场的应用；本发明能够在使用较少数量的压力传感器情况下，得到准确的静压支承压力油膜的压力场分布，相较于现有技术方案，能够减少所需布置的传感器数量，有效节省硬件成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双矩形腔油垫油膜压力场重构方法，其特征在于本发明采用分步骤分区域的油膜压力场重构方法，包括以下步骤：
布置压力传感器：以双矩形腔油垫中心点为坐标原点，x轴正方向指向流体流动方向；y轴正方向指向静压轴承旋转中心；布置2n个压力传感器，且须保证在每个矩形油腔内部布置不少于3个压力传感器；油腔内部压力传感器应保证均匀对称分布，两个独立的油腔之间的压力传感器布局一致；
采集各个压力传感器的数据，并剔除异常数据点；
对油腔内部区域压力场进行重构：采用平面拟合加约束规划的方法得到油腔内部压力场，公式如下：
式中，a1，a2，a3，a4为待拟合参数；e1,i，e2,j分别为油腔1、油腔2内相应位置处的压力传感器的误差上限；xi，yi分别为油腔1中的压力传感器i的横坐标与纵坐标；zi为油腔1中的压力传感器i的读数；xj，yj分别为油腔2中的压力传感器j的横坐标与纵坐标；zj为油腔2中的压力传感器j的读数；
得到油腔1、油腔2的压力场分布方程分别为：
将压力拟合方程做离散化处理；
对封油边区域进行压力场重构：将封油边区域划分为A、B、C三个区域，其中封油边到有效承载面积边缘线性插值，分区域完成全部插值；
在区域A处沿y方向进行一维线性插值，得到区域A内全部网格节点处的压力值：
在区域B处沿x方向进行一维线性插值，得到区域B内全部网格节点处的压力值：
式中，xin,yin,zin为封油边内圈的插值节点处的横纵坐标及压力值；xout,yout,zout为封油边外圈的插值节点处的横纵坐标及压力值；
在区域C处沿x,y方向进行二维线性插值，得到区域C内全部网格节点处的压力值：
其中，(x1,y1,z1,1)为封油边内侧角点处的横纵坐标及压力值；(x2,y1,z2,1)，(x1,y2,z1,2)，(x2,y2,z2,2)为封油边外侧的插值节点处的横纵坐标及压力值。
2.根据权利要求1所述的一种双矩形腔油垫油膜压力场重构方法，其特征在于：所述步骤(3)采用平面拟合加约束规划的方法得到油腔内部压力场，其规划目标为两个油腔内拟合得到的油膜压力场平面的方差之和达到最小值。
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