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　　為了研究磁力軸承部件在艦船中的可運行性，采用有限元法對具有不同剛度的磁力軸承電機在水下爆炸沖擊作用下的結構響應和軸的受力進(jìn)行了分析；分析表明，在沖擊作用下，電機和磁力軸承上的受力同軸承剛度密切相關(guān)，因此在艦船磁力軸承部件的設計必須采用合適的力學(xué)模型來(lái)考慮沖擊作用，所得結論對磁力軸承在艦船上的應用設計提供了一定參考。
　　在艦船軸系中，軸承是其至關(guān)重要的組成，確保軸系在各種工況下正常運行，并且應具有隔音、減振、減噪等功能。目前艦船上多使用水潤滑橡膠軸承，但是這種軸承存在鳴音問(wèn)題，并不適用于隱蔽性較高的艦船，特別是常規潛艇。磁力軸承由于具有無(wú)接觸、無(wú)需潤滑、高精度、高轉速、功耗小等優(yōu)點(diǎn)翻，在艦船上的應用已經(jīng)得到了越來(lái)越多的重視。對于磁力軸承部件而言，軸承的剛度是影響電機系統可控性和穩定性的重要因素，這在必須考慮水下爆炸沖擊作用的艦船轉動(dòng)設備中顯得尤為重要。按照現有的經(jīng)驗和規范，磁力軸承如要應用到艦船上的主要設備，在設計上必須要保證在水下爆炸沖擊作用下，軸系能夠保持結構完整性，并且能夠在沖擊后正常工作。當前關(guān)于轉子系統沖擊響應的研究工作十分有限。關(guān)岱杉等㈧采用有限差分法求解動(dòng)載滑動(dòng)軸承雷諾方程，并使用接觸力學(xué)分析得到了沖擊作用下油膜壓力的分布，以及軸承與軸頸接觸表層的應力，以此對工程設計提供參考。祝長(cháng)生等采用有限元法研究了磁力軸承失效后與備用軸承的相互碰撞。在國外，關(guān)于各種轉子一軸承系統在地震載荷或者沖擊激勵作用下的響應和穩定性的研究已經(jīng)開(kāi)展了很長(cháng)時(shí)間，其中大部分均基于有限元方法。最近，An Sung Iee等采用有限元方法，推導了單轉子系統在沖擊作用下的時(shí)程分析方程，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗研究。試驗表明，轉子的瞬時(shí)響應與沖擊載荷的作用時(shí)間關(guān)系密切，特別是當沖擊頻率為1／(2×沖擊時(shí)間)時(shí)，轉子的響應最明顯，有限元計算和試驗結果吻合的也相當好。在以上已經(jīng)開(kāi)展的軸承一轉子系統的抗沖擊分析研究，大都采用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的程序進(jìn)行計算，缺乏工程實(shí)用性，并且大都針對滑動(dòng)和滾動(dòng)軸承，目前少有發(fā)現關(guān)于磁力軸承的抗沖擊性能研究。另外，這些研究中采用的沖擊載荷多是自定義的沖擊時(shí)程，和艦船環(huán)境下規范要求使用的沖擊反應譜有較大區別。因此，針對磁力軸承在艦船環(huán)境中的抗沖擊計算，必須根據艦船的特殊環(huán)境和要求進(jìn)行更深入全面的研究。作者通過(guò)大型商用有限元軟件ABAQUS，對某采用磁力軸承的電機在相關(guān)規范規定的水下爆炸沖擊作用下的瞬態(tài)響應分析，計算中考慮了不同軸承剛度對沖擊結果的影響。
　　1　計算模型
　　1.1　有限元模型
　　該文旨在研究軸承剛度對電機轉子一軸承系統在沖擊條件下響應的影響，為磁力軸承在艦船上的應用提供參考。如果要考慮軸、磁力軸承、電機、基礎乃至艦船本身，所需要的計算模型規模巨大，采用時(shí)程分析在現有計算條件下幾乎不可能，因此在文中對磁力軸承系統進(jìn)行了一些合理的簡(jiǎn)化。不考慮在艦船中的電機系統的隔振系統，這樣簡(jiǎn)化的結果將使得電機的響應比實(shí)際情況大，即結果更加保守；在轉子一軸承系統中，當受到?jīng)_擊后軸與軸承、保護軸承之間的碰撞簡(jiǎn)化不考慮。另外在沖擊過(guò)程中，沖擊載荷的作用時(shí)間一般都極短，因此在計算中忽略了系統的阻尼和磁力軸承剛度的非線(xiàn)性變化。電機抗沖擊分析的模型包括機座筒、端蓋、支座、軸、定子和轉子，如圖1(a)所示。真實(shí)結構中，機座筒、端蓋等均使用預緊螺栓緊密連接。如果考慮連接螺栓，就需要在電機各部件之間采用接觸邊界條件、施加螺栓預緊力等，這些非線(xiàn)性因素將大大增加計算時(shí)間和成本。因此沒(méi)有考慮連接預緊螺栓的作用，將部件在相鄰面處連為一體，這樣建模使得結構的整體剛度變大，但是由于軸承一轉子之間的剛度與電機匣相比要小得多，這樣的簡(jiǎn)化不會(huì )導致電機系統前幾階自振頻率有明顯的變化，從而對結構在沖擊載荷作用下的響應影響不大。
　　電機軸和軸承之間的作用采用彈簧單元模擬，磁力軸承的剛度由控制系統調節，一般可以保持在設定值。阻尼的選擇則取決于剛度，由于沖擊問(wèn)題中外載作用時(shí)間極短，一般可以忽略阻尼，這樣的結果也同樣保守。電機中共有3個(gè)磁力軸承，其中2個(gè)為徑向軸承，1個(gè)為軸向軸承，計算時(shí)考慮了不同的軸承剛度，包括106N／m、107N／m、108N／m和109N／m。電機軸材料為合金鋼，電機風(fēng)罩筒、風(fēng)罩窗及定子等材料為Q235A，端蓋、軸承外蓋和內蓋及機座等材料為球墨鑄鐵QT450-10。
　　根據部件的幾何特點(diǎn)，采用實(shí)體單元建模，機座筒、端蓋、支座、軸、定子、轉子等均采用四面體單元描述。電機軸與軸承對應點(diǎn)通過(guò)彈簧單元相連，通過(guò)設置不同彈簧單元的剛度，來(lái)模擬不同軸承剛度下電機受到?jīng)_擊作用后的響應，阻尼不計。電機支座通過(guò)4個(gè)地腳螺栓固定在底板上，由于計算不考慮底座和隔振器，因此計算中將4個(gè)連接螺栓所在的螺栓孔約束，并在此施加沖擊載荷。這樣施加邊界條件忽略了電機與底座之間的接觸，計算結果更為保守。有限元網(wǎng)格模型如圖1(b)所示，整個(gè)模型共包含81812個(gè)四面體單元，22599個(gè)節點(diǎn)。
　　1.2　沖擊輸入
　　沖擊載荷采用設計沖擊輸入譜的等效加速度時(shí)程。譜分析按照某規范所規定的沖擊譜輸入為：小于10Hz，按等位移譜20mm；10～160Hz，按等速度譜，受橫向和垂向沖擊時(shí)為1.22m／s，縱向為0.61m／s；在計算中保守取各方向均為1.22m／s；大于160Hz，按等加速度譜125g，該設計沖擊譜可用于沖擊譜響應分析。但是對于文中的沖擊計算，由于要考慮在沖擊過(guò)程中不同軸承剛度對結構響應的影響，譜響應分析并不適用，因此需要將這個(gè)沖擊譜轉換為合適的加速度時(shí)程譜。
　　根據德國B(niǎo)V0430―85，可以將上述三折線(xiàn)沖擊譜簡(jiǎn)化為三角形變化歷程或正弦變化歷程對設備進(jìn)行沖擊加載輸入。采用三角形變化歷程簡(jiǎn)化。圖2是根據設計沖擊譜得到的等效加速度時(shí)程曲線(xiàn)，可用于時(shí)程響應分析。該沖擊加速度譜由正負兩個(gè)面積相等的三角形組成。
　　2　計算結果
　　2.1　系統振動(dòng)模態(tài)
　　在進(jìn)行沖擊作用下的時(shí)程分析之前，首先對各個(gè)軸承剛度下電機系統的自振頻率進(jìn)行了計算，以此確定主要振動(dòng)模式。不同軸承剛度下的電機系統模態(tài)如表1所示，當外界激勵輸入接近電機的各階固有頻率，將導致共振，電機響應會(huì )很大，因此在設計磁力軸承電機的隔振器時(shí)應避開(kāi)這些頻率。
　　當軸承剛度較低時(shí)(106N／m和107N／m)，前5階均為電機軸在電機內的擺動(dòng)，電機殼體本身的振動(dòng)頻率為226.21Hz。當軸承剛度較大時(shí)(109N／m)，電機軸的擺動(dòng)并不明顯，即電機軸與電機殼體、底座之間的連接強度很大，接近于一個(gè)整體。
　　2.2　沖擊作用下有限元計算結果
　　在受到沿電機軸軸向沖擊時(shí)，電機與軸的相互作用主要由軸向磁力軸承承擔；對于整個(gè)電機而言，其底座處的變形和應力比較明顯。當軸承剛度為106N／m時(shí)，電機最大應力如圖3(a)所示。電機上的最大Tresca應力為521 MPa，該應力包含集中應力，電機底座上的應力大部分均小于150MPa。軸承剛度增加到109N／m時(shí)，電機最大應力如圖3(b)所示。電機上的最大Tresca應力為788MPa，同樣位于底座上，為集中應力。比較這兩個(gè)結果，當軸承剛度增大，沖擊條件下電機上的最大應力也有較為明顯的增加，應力最大位置均位于電機端座處的結構不連續處，這一部分的應力主要是集中應力，而工程中較為關(guān)注的一次應力很小。但是當軸承剛度為106N／m時(shí)，軸向軸承上的應力較大，在設計中應注意此處的強度校核。軸承剛度為109N／m和108N／m的結果介于上述兩種情況之間。
　　通過(guò)計算用于模擬軸承剛度的彈簧上的受力，可以得到軸與軸承的相互作用力。圖4為4種軸承剛度下，在受到?jīng)_擊后0.1s內各軸承和軸的相互作用力，從圖4中可以看到，在軸承剛度很小(106N／m)或者很大(109N／m)的情況下，軸承與軸相互作用力較小；當軸承剛度在107N／m時(shí)，該作用力最大。
　　雖然在使用較小的軸承剛度時(shí)，電機和電機軸在沖擊載荷作用下的應力變形均較小，但是電機軸的位移較大，計算結果顯示在軸承剛度為106N／m和107N／m時(shí)，軸承與電機軸的相對位移大于實(shí)際間隙，同時(shí)也大于保護軸承與軸的間隙。在電機基礎上安裝隔振器將會(huì )很明顯地減小軸承與軸的相對位移，在這種情況下，軸承受力與軸承剛度的關(guān)系依然保持上述規律。
　　3　結論
　　通過(guò)對某磁力軸承電機進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，建立其實(shí)體模型，考慮不同軸承剛度的影響，在時(shí)域上對其進(jìn)行沖擊加載計算，分析其結果可得到以下結論：
　　a.不同的軸承剛度會(huì )導致不同的沖擊計算結果，隨著(zhù)軸承剛度的增大，電機和軸上的應力也隨之增大，但是軸承一轉子的相對位移變形減小；另外軸承一轉子的相互作用力與軸承剛度、沖擊載荷形式和電機系統結構參數相關(guān)，因此艦船中的磁力軸承設計必須采用合適的整體來(lái)考慮沖擊作用的影響。
　　b.通過(guò)增加軸承剛度，或者在電機底座下安裝隔振器的方法，可以減小軸承與軸的相對變形。在以后的工作中，應考慮保護軸承的作用和磁力軸承剛度在沖擊過(guò)程中的非線(xiàn)性變化；另外應選擇具有合適質(zhì)量和剛度的柔性基礎。

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