阻尼合金轴承座结构设计与抑振性能验证

刘建昱; 李鑫斌; 许亚军; 刘静

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2600460

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (20) :8642-8654 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2600460

机械、仪表工业

阻尼合金轴承座结构设计与抑振性能验证

刘建昱 ¹^,² ,
李鑫斌 ¹^,² ,
许亚军 ¹^,² ,
刘静 ¹^,²^,^*

作者信息 +

Structural Design of a Damping Alloy Bearing Housing and Experimental Verification of the Vibration Suppression Performance

LIU Jian-yu ¹^,² ,
LI Xin-bin ¹^,² ,
XU Ya-jun ¹^,² ,
LIU Jing ¹^,²^,^*

Author information +

文章历史 +

摘要

为提升水下航行器电机推进系统中轴承座抑振能力,采用高阻尼锰铜合金替代传统钛合金材料,并提出一种针对锰铜合金轴承座的结构设计方法。在保持关键安装界面不变的前提下,在轴承座套圈区域引入周期性减重孔以控制结构重量。通过有限元方法系统分析了孔径与孔间距变化对轴承座刚度、强度和热膨胀性能的影响,明确结构参数与力学性能的关系,确定综合性能最优的结构设计方案。进一步通过振动传递率实验对优化结构进行动态性能验证。结果显示:锰铜合金轴承座在0~500 Hz频率范围内的振动传递率显著低于钛合金,展现出良好的低频振动抑制能力。高阻尼合金材料可在保障基本力学性能的同时显著提升抑振性能,为其在复杂动力装备中的应用提供了可行路径与理论支撑。

Abstract

To enhance the vibration suppression capability of bearing housings in the motor propulsion systems of the underwater vehicle, a structural optimization method based on high-damping manganese-copper (Mn-Cu) alloy was proposed as an alternative to conventional titanium alloy. To control the overall mass increase associated with the material substitution, the periodic weight-reduction holes were introduced in the sleeve region of the bearing housing, while key installation interfaces were retained. Finite element simulations were carried out to systematically investigate the effects of hole diameter and spacing on the stiffness, strength, and thermal expansion performance of the housing. The relationship between geometric parameters and mechanical behavior was clarified, and an optimized configuration with balanced performance was identified. To further verify the effectiveness of the design, vibration transmissibility tests were conducted. The results show that the Mn-Cu alloy bearing housing exhibits significantly lower vibration transmissibility than its titanium counterpart within the frequency range of 0~500 Hz, which indicates superior low-frequency vibration attenuation performance. High-damping alloys can maintain essential mechanical properties while significantly improving vibration isolation characteristics with proper structural optimization. A feasible approach and theoretical support are provided for its application in the complex power equipment.

Graphical abstract

关键词

水下航行器 / 推进系统 / 轴承座 / 锰铜合金 / 振动抑振

Key words

underwater vehicle / propulsion system / bearing housing / manganese-copper alloy / vibration suppression

引用本文

引用格式 ▾

刘建昱, 李鑫斌, 许亚军, 刘静. 阻尼合金轴承座结构设计与抑振性能验证[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(20): 8642-8654 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600460

LIU Jian-yu, LI Xin-bin, XU Ya-jun, LIU Jing. Structural Design of a Damping Alloy Bearing Housing and Experimental Verification of the Vibration Suppression Performance[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(20): 8642-8654 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600460

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

作为水下航行器等动力平台的重要组部件,推进系统的振动性能对整机稳定性、可靠性及声隐身能力具有重要影响^[1-3]。其中,轴承座作为转子与机体之间的关键连接部件,直接影响推进系统的动力学特性及振动能量传递。传统推进系统轴承座常采用钛合金、铝合金等轻质高强度金属材料制造。这些材料能够满足结构基本的强度和刚度要求。然而,受限于金属材料本身的低阻尼性能,该类结构在运行过程中难以有效耗散激励能量,可能导致转子系统振动增加,限制其在高性能动力推进系统中的应用潜力。因此,设计具有抑振性能的轴承座,已成为改善水下航行器推进系统振动性能的重要方向之一。

Li等^[4]的研究表明,采用复合材料部件代替纯金属部件可以抑制转子系统振动。Yang等^[5]讨论了层合板参数对复合材料轴-转子系统稳定和非线性响应的影响。Zhang等^[6]分析了复合材料飞轮转子系统内部结构参数对系统稳定性的影响。Zhang等^[7]为了实现轻量化轴盘式转子的目标,将纤维编织复合材料应用于圆盘结构,同时考虑了多孔圆盘上减重孔参数对系统振动特性的影响。与此同时,拓扑优化与布局优化被广泛用于结构抑振设计,研究重点包括材料的最优分布以降低振动与声响应、面向指定频带的结构设计等^[8-11]。然而,上述方法在工程部件应用中常面临可制造性与装配约束的限制,需要进一步转化为可实施的参数化结构形式。近年来,中外学者尝试将高阻尼金属材料引入动力设备关键部位,以提高系统的振动抑制性能。其中,锰铜合金作为典型的高阻尼合金材料,因其优良的能量耗散能力、较高的强度水平和良好的耐腐蚀性,在航空航天、舰船等领域获得了广泛关注。该类材料的阻尼性能主要来源于晶界滑移、位错运动及微观组织界面摩擦等多重耗能机制,可在较宽频率范围内实现有效的振动衰减。文献[12 -14]将阻尼合金用于推进轴系艉轴承结构,实现了轴承到基础结构的振动能量隔离。文献[15-16]利用锰铜合金弹簧构建了卫星反作用轮隔振器以降低因转子高速旋转导致的结构振动。林磊等^[17]研究发现,将阻尼合金粘贴在管道壳壁上能够降低结构径向和横向振动幅值。周欣等^[18]将高阻尼合金应用于舰船设备基座,结果表明,高阻尼合金基座的减振性能优于传统钢制基座。杨坤昌^[19]采用实验方法测试了高阻尼合金制成的滑油箱安装结构的抑振性能,结果表明,在0~1 000 Hz内阻尼合金的减振性能较为显著。周楠^[20]对比分析了新型高阻尼钢与常规钢制基座的振动与声辐射特性,结果表明,高阻尼钢在低频区间对声辐射的抑制效果更为显著。雷少攀等^[21]将高阻尼合金材料应用于输流管路的减振设计,并搭建了实验平台进行测试,结果表明,该材料在低频共振区具有显著的振动衰减能力。Xiao等^[22]基于黏弹性理论建立了阻尼合金非线性本构模型,并将其引入齿轮箱壳体结构中,结果表明,在不同转速工况下,阻尼合金能有效减缓齿轮系统的振动响应。Wu等^[23]将锰铜合金阻尼元件应用于高速列车制动系统,实验结果显示,其能显著降低系统振动强度,并能改善接触界面的动态稳定性。Wang等^[24]研究发现,锰铜合金在应对摩擦诱发的黏滑振动方面具有良好的抑制能力,为其在摩擦动力学领域的拓展应用提供了理论依据与工程支撑。

综上可知,现有研究多聚焦于通过高阻尼金属材料提升隔振性能,且已取得一定进展,但关于高阻尼锰铜合金在旋转机械轴承座与转子系统中的应用,相关报道却较为鲜见。该材料的密度高于钛合金等常规金属材料,若直接替代原有材料使用,会导致结构质量大幅增加,难以满足水下航行器推进系统对轻量化与高可靠性的综合要求。因此,如何在保障抑振性能的同时,控制材料质量增加带来的影响,是研究亟待攻克的关键技术难题。

为解决这一矛盾,提出一种锰铜合金轴承座结构设计方法。在保证整体重量受控的前提下,系统考察孔径与孔距与轴承座刚度、强度和振动传递特性质之间的映射关系,并利用有限元方法对设计方案进行定量分析。该映射规律可为不同结构形式与不同性能需求下的轴承座轻量化与减振设计提供直接参考,也为其在转子支撑部件中的可行性应用提供新的思路。最终目标是在“抑振性能”与“轻量化约束”之间取得平衡,从而实现水下航行器推进系统轴承座整体刚度、强度与抑振性能的协同提升。

1 轴承座结构设计

推进系统中,轴承座作为连接轴承与支撑壳体的关键部件,其结构形式直接影响整体振动传递路径与力学响应特性^[25-26],如图1(a)所示。为提升推进系统振动抑制效果,采用高阻尼性能锰铜合金替代传统钛合金轴承座,以增加轴承座对低频振动的耗散能力。然而,相较于钛合金(密度为4.5 g/cm³),锰铜合金密度较高(为7.3 g/cm³),若直接替代可能导致整机质量显著提升,进而影响整机质量分布和系统动态响应特性。因此,为保障高阻尼材料应用的可行性,有必要在保持结构性能的前提下对轴承座进行减重设计,以控制因材料更替带来的重量增量。

轴承座结构设计过程中,轴承座需保持与电机系统的装配兼容性,包括连接界面、安装孔位及定位基准面等关键几何特征保持不变。在此基础上,选取轴承座中部套圈区域作为减重优化的主要区域,通过引入周期性布置的减重孔以降低材料使用量。为兼顾结构完整性与应力分布均匀性,减重孔的孔型设计以椭圆形与圆形为主,以减少应力集中现象的发生。同时,结构设计还需满足以下三项关键性能指标:一是确保轴承座具备足够的径向刚度,以承载运行过程中产生的径向载荷;二是满足强度要求,在各类极限载荷条件下应力水平不超过材料屈服强度限值;三是保证良好的热膨胀性能,在典型工作温度范围内保持装配尺寸的热稳定性,防止因热变形造成间隙失配或结构干涉。

选取某型水下航行器推进系统中轴承座结构作为研究对象,拟在锰铜合金轴承座质量不超过同等结构钛合金轴承座的130%的前提下,系统评估其力学性能与振动抑制能力。采用有限元方法对多组结构设计方案进行系统仿真分析,对比评估不同开孔布置方案下的应力分布、刚度变化及变形模式,最终筛选出具备最优平衡的锰铜合金轴承座设计方案,为高阻尼合金在推进系统隔振部件中的应用提供理论支撑与设计依据。图1(b)和图1(c)分别为原始钛合金轴承座及优化后锰铜合金轴承座示意图。

2 仿真算法及结果

2.1 轴承座刚度特性分析

刚度作为衡量结构在外载作用下变形能力的关键指标,对轴承座的稳定运行、轴系对中性以及整体动力学性能均具有决定性作用。在采用高阻尼轴承座背景下,结构设计需在质量约束条件下合理调控刚度分布以兼顾其支撑能力。利用ANSYS Workbench平台,建立轴承座三维实体模型。模型采用 Solid186 三维结构单元,其具备较高的形状适应性与应力精度,适用于复杂结构的静力学分析。为充分揭示材料替代对轴承座力学与振动性能的影响,在有限元建模中引入高阻尼锰铜合金的材料参数,与常用的钛合金进行相关对比。模型中所用的材料参数包括弹性模量、密度以及阻尼表征等,相关数值如表1^[7]所示。为更真实地反映阻尼合金的能量耗散特性,数值求解中同时考虑了材料黏弹性的处理,使材料差异能够直接体现在动力学响应计算结果上。采用自动网格划分策略,并在开孔区域及应力集中部位使用局部加密网格,以提高计算精度。将轴承座外圈与基座接触面设置为全固定,在轴承座内圈接触面径向施加10 000 N静载荷,模拟轴系在运行状态下施加的径向力,通过有限元求解得到轴承座结构在加载条件下的最大位移分布,计算结构在该方向上的等效刚度。图2为轴承座边界条件及载荷施加方式。

为评估不同孔径与轴向孔距对轴承座结构刚度的影响规律,相关布置如图3所示。为保证比较结果的合理性,在结构总质量保持一致的前提下,对不同孔径和轴向孔距下的开孔数量进行相应调整,使各方案在减重效果上保持一致,从而避免因质量差异对性能分析造成干扰。所有开孔均布置在套圈区域,并在周向方向上保持等间距对称分布。这一布置方式不仅符合工程实践的常规做法,也有助于保证轴承座作为旋转机械关键部件的结构对称性与均匀性,从而维持整体受力稳定,避免产生偏心质量分布。基于此,通过改变孔径与轴向间距,系统研究其对轴承座刚度性能的影响规律,为结构优化提供参考。在有限元仿真分析中,保持其他结构参数与材料属性不变,通过设置不同的孔径和轴向间距对轴承座进行特性分析。在相同工况下施加统一的径向载荷,并提取轴承座在工作载荷作用下的最大径向位移作为刚度变化的主要评价指标。

图4分别显示了不同孔径下的轴承座最大变形量和刚度值。仿真结果表明,随着孔径的增大,轴承座在载荷方向的整体变形趋势呈上升趋势,结构刚度逐渐降低。其物理原因在于:孔径增大不仅减少有效承载截面,还会改变载荷传递路径分布。具体而言,当孔径由2.5 mm增至4 mm时,最大径向变形量及对应的等效刚度变化量较小,说明在该范围内,孔洞对主承载通道的切割程度有限,结构仍能维持相对连续的载荷流传递,整体刚度损失较小;当孔径由4 mm增至7.5 mm时,最大径向变形量由0.810 μm增加至0.931 μm,增幅达14.938%;对应的等效刚度由1.235×10⁷ N/mm下降至1.074×10⁷ N/mm,下降幅度约为13.036%。这表明孔径超过一定阈值后,孔洞对截面承载能力非线性放大效应。

由于较小孔径需布置更多数量的开孔,在确保加工可行性的前提下,Φ4 mm 开孔方案刚度下降幅度较小,结构仍保持良好的整体刚性;随着孔径超过4 mm,由于材料截面积进一步削弱局部刚度导致整体变形增加,整体刚度下降显著。图5为不同孔径下的轴承座变形分布云图。从变形分布云图(图5)可以观察到,大孔径方案在套圈区域的径向刚度分布更不均匀,易在孔边缘诱发局部变形集中现象,对结构疲劳寿命产生潜在不利影响。因此,在权衡减重需求与刚度保持时,应优先选择较小孔径设计,以实现性能与质量的优化平衡。

孔轴向分布间距作为另一关键几何参数,其设置可能导致结构局部刚度发生改变,影响轴承座在工作载荷作用下的整体变形控制能力。为研究孔间距变化对刚度性能的具体影响,在保持孔径不变(统一为Φ4 mm)的前提下,将不同间距参数下的轴承座有限元模型进行仿真分析。图6为不同孔间距下的轴承座最大变形量和刚度值。仿真结果显示,随着孔间距逐渐增大,轴承座在固定载荷作用下的最大径向变形呈现先减小再增加的趋势。但仍然能够观察到,当孔间距小于6 mm时,结构的最大变形及刚度变化较小。当孔间距超过6 mm时,轴承座刚度下降。当孔距由6 mm增至8 mm时,最大径向变形量由0.812 μm增至0.833 μm,增幅达2.84%;对应的等效刚度由1.232×10⁷ N/mm下降至1.20×10⁷ N/mm,下降幅度约为2.75%。图7分别显示了不同孔间距下的轴承座变形分布云图。

从图7可以看出,孔间距通过改变材料连续性和载荷传递路径,从而决定轴承座的等效刚度。当孔间距较小时,轴承座开孔密度增加,相邻孔之间的材料带宽较窄,主载荷路径被频繁切割,有效承载面同步下降,导致局部刚度削弱以及整体结构刚度降低;随着间距适度增大,相邻孔间形成了更为连续的材料支撑通道,载荷传递路径趋于稳定,结构刚度得到提升;当孔间距进一步扩大时,尽管孔之间的残余材料带更宽,但是整体材料去除位置分布更为稀疏,载荷传递由面内分散转向少数通道集中,降低了开孔区域的协同支撑效应导致孔边区域变形幅度增加,结构整体刚度下降。因此,在保证减重需求的前提下,轴向开孔间距应控制在一定合理区间范围内(约为6 mm),以实现材料连续和质量之间获得更优的刚度平衡。

综上所述,孔径与轴向孔间距均对轴承座的结构刚度表现产生影响。孔径增大会削弱局部截面积导致整体刚度降低;而孔间距变化对轴承座刚度响应呈现非单调性作用。其中孔径变化对于结构刚度的影响更大。在本研究中,通过有限元仿真对比分析发现,当孔径设置为Φ4 mm、孔间距为6 mm时,轴承座具备较优的抗变形能力与结构刚度性能,该开孔布置方案可为后续结构设计提供参数参考。

2.2 轴承座强度特性分析

在轴承座结构设计中,强度性能是保障其在实际载荷条件下安全可靠运行的另一关键指标。轴承座需承受来自电机本体质量、自重载荷以及工况中可能出现的冲击与振动载荷。若局部应力集中过大或超过材料屈服极限,将导致塑性变形甚至结构破坏,进而影响整个推进系统的运行。因此,结构优化过程中必须保证在材料强度允许范围内,各种载荷工况下的最大等效应力应满足安全要求。为评估结构设计对轴承座强度性能的影响,本研究基于前述几何模型,采用有限元方法对不同孔径与孔间距下的轴承座进行静力强度仿真分析。仿真加载工况为分别在轴承内圈施加轴向和径向的30g重力加速度(约70 kN等效载荷),提取结构在该载荷下的最大Von Mises等效应力作为强度评估指标。材料参数采用锰铜合金的屈服强度下限值(245 MPa)作为判据。仿真结果表明,在保持相同质量削减的前提下,各方案在轴承座冲击载荷作用下的最大等效应力均低于材料屈服极限,满足结构强度要求。然而,孔径与间距的变化对局部应力分布特征具有显著影响。

对于径向载荷作用下的应力分布,图8和图9分别显示了不同孔径下锰铜合金轴承座最大应力值及分布云图。当孔间距固定时,孔径增大会加剧局部应力集中效应,最大应力值呈现上升趋势。仿真中观察到,当孔径小于4 mm时,由于开孔截面积小,结构连续性较好,载荷在周边能够较均匀地扩散,局部最大应力增长缓慢;而当孔径超过4 mm后,材料削弱加剧,孔边结构在垂直载荷下变形增大,导致应力在局部区域集中,呈现出非线性增长的趋势。当孔径由4 mm增至7 mm时,最大应力值由30.155 MPa增加至40.323 MPa,增幅达33.719%。

对于轴向载荷作用下的应力分布,仿真显示轴向最大应力值随孔径变化呈先减小后增加的趋势;其中,孔径为4 mm时,其应力值最小,如图10和图11所示。当孔径由3 mm增至4 mm时,最大应力值由48.39 MPa下降至30.155 MPa,下降幅度为37.683%;当孔径由4 mm增至7 mm时,最大应力值由30.155 MPa增至43.012 MPa,增幅为42.636%。当孔径较小而布孔数量相对较多时,主载荷路径在多孔中被频繁切割,导致载荷在孔边与狭窄桥带处发生显著重分布,局部应力升高并叠加几何不连续引起的应力集中,使最大应力偏大。随着孔径适度增大,载荷可通过多个开孔之间的残余材料带传递与分散,载荷传递逐渐从“多通道分担”转向“少数通道集中”,减少应力集中现象。然而,随着孔径增大,虽然孔数减少导致残余材料带变宽,但由于缺乏足够的并联支撑路径进行协同卸载,孔边局部应力集中效应再次增强,从而导致轴向最大应力回升。

保持孔径为4 mm时,进一步研究了孔间距对强度性能的影响规律,如图12~图15所示。仿真结果发现,径向与轴向载荷作用下,轴承座最大应力值随着孔距的变化均呈现“先减小后增大”的变化趋势;其中,在间距为6 mm时,其表现出最小应力水平。这一趋势可归因于孔间距对局部材料连续性与应力传递路径的调控作用。当间距较小时,孔之间距离过近导致残余材料带过窄,主载荷路径在短距离内被频繁切割,导致载荷在狭窄桥带及孔边区域发生重分布,形成薄弱承载区,从而诱发显著的应力集中并抬升最大应力;当间距适度增加至6 mm时,相邻孔间形成更连续的材料支撑通道,多孔结构能够提供更稳定的承载,载荷得以在多个桥带间更有效地分担与扩散,孔缘峰值应力受到抑制,因此最大应力降低并达到最小值,应力得以有效分散;而当间距继续增大时,尽管孔间材料带更宽,但由于开孔数量减少,局部承载转移能力降低,最终引起应力反弹上升。在径向载荷作用下孔距改变可以使最大应力增加99.635%,在轴向载荷作用下孔距改变可以使最大应力增加51.665%。

综上所述,结构强度在受到孔径与间距变化的作用下呈现出非线性响应,局部应力集中机制在结构设计中不容忽视。优化过程中应在满足质量控制与装配约束的前提下,优先选择应力分布均匀、孔边响应平稳的参数组合,以提高结构使用安全性与疲劳寿命。在本研究中,孔径4 mm,间距为6 mm时结构强度性能表现最佳。

2.3 轴承座热膨胀性能分析

推进系统运行过程中,轴承座长期处于较大的温度梯度环境中。热膨胀性能对轴承座的配合精度具有直接影响。因此,必须充分评估结构在热载荷作用下的尺寸变化情况,确保在升温状态下不发生过度变形。为分析结构参数对热膨胀响应的影响,在设定环境温度由20 ℃升高至70 ℃的工作条件下,采用有限元方法对不同开孔下的轴承座进行热变形仿真。模型中设定边界支撑面固定,轴承座整体自由膨胀,重点提取套圈内圈区域的最大径向位移作为热膨胀性能评价指标。所分析的结构方案覆盖不同孔径与不同间距,确保在等质量减重前提下系统评估结构响应差异。图16显示了不同孔径和孔间距下的轴承座最大变形值。仿真结果表明,所有方案下的最大热变形量均控制在0.03 mm以内,满足轴承配合间隙要求,但不同结构配置之间仍存在明显的热响应差异。总体来看,孔径增大与孔间距增大均可能引起结构热膨胀量的增加。这是因为在孔径大、间距大时,传热过程局部不均,导致不同区域热应变发展不同步,这种不均匀热应力场将转化为更多的结构热变形。

2.4 轴承座结构参数选择

综合上述分析,轴承座的结构参数优化目标在于满足整体质量约束的前提下,通过合理调整孔径与孔距等几何参数,使优化后的锰铜合金轴承座在刚度方面可恢复至钛合金结构约70%的水平,同时兼顾强度与热膨胀控制的基本需求。该结果属于案例结论,不同转子系统由于结构尺度、支撑形式与工况差异,其刚度裕度与允许降低幅度并不相同。不同轴承座可通过调整孔径、孔距与分布参数,在满足约束的同时实现目标性能。本文案例结果表明,当孔径设置小于 4 mm、孔间距小于 6 mm 时,锰铜合金轴承座在刚度、强度及热膨胀性能方面表现最为优越。与钛合金相比,锰铜合金因密度较高、弹性模量和屈服强度相对较低,其整体刚度和承载能力在相同结构条件下存在一定下降。然而,通过结构层面的设计,如在非承载区域合理布置减重孔并优化孔径与孔距的匹配关系,可以显著改善应力分布与变形响应,使整体性能满足推进系统对支撑刚度、承载能力和配合精度的要求。

由此可见,高阻尼材料在轴承座等转子支撑部件中的应用,应在“材料性能不足”与“结构设计补偿”之间寻求平衡。通过几何参数优化,不仅能够在重量与强度约束条件下弥补材料刚度的不足,还能够充分发挥高阻尼合金的减振优势,从而为其在关键支撑结构中的工程化应用提供可行路径与设计参考。

3 实验设计与测试

为验证锰铜合金轴承座在推进系统中的抑振能力,评估高阻尼材料在转子支撑结构中的应用潜力,开展基于不同材料轴承座样件的振动响应对比试验分析。通过获取不同样件在激励下的频率响应特性,分析材料替代对系统隔振性能的影响趋势,为推进系统中抑振轴承座的结构选型与设计优化提供实验依据。

根据前述研究加工孔径为4 mm,孔间距为6 mm的锰铜合金轴承座以及完整钛合金轴承座作为实验对比对象。所有样件在边界尺寸上保持一致,仅材料属性存在差异,如图17所示。试验中将轴承座使用虎头钳固定在刚性平台上,分别在轴承内圈与外圈结构表面布置加速度传感器,在内圈处施加力锤冲击激励。该边界条件虽然与实际工况下轴承座周向固定形式存在一定差异,但其设置可以有效简化实验装置,保证测试过程的可控性与可重复性。更重要的是,轴承座在主要工作频率范围内的振动特性能够在此条件下得到合理反映,因此该实验结果对于揭示材料本身的减振特性仍具有代表性。传感器采集结构输入输出加速度信号,经数据采集系统处理后,计算不同材料样件在特定频率范围内的振级传递率。实验中传感器布置及激励位置,如图18所示。本试验以振动传递率作为评估结构隔振性能的主要指标,其定义为:被隔振结构响应的有效值与激励点响应有效值之比的常用对数的20倍,单位为dB。当采用加速度作为振动评价量时,加速度振动传递率计算公式为

(1)

$A=20lg\frac{{a}_{out}}{{a}_{in}}$

式(1)中:A为轴承座加速度振动传递率;a_out为轴承座外圈振动加速度;a_in为轴承座内圈振动加速度。

每次测试中试样在夹具(虎头钳)中的夹紧力与接触状态存在微小变化,从而引入边界条件差异。为定量评估重复性误差,在相同工况下进行了 3次重复测量。对最大响应幅值采用统计量表征,重复测量的变异系数为 2.24%。这表明实验结果离散性低、重复性较好,因此选取其中一组典型测量结果作为后续分析与对比的参考。

图19分别为位置1 和位置2处的两种轴承座加速度振动传递率。实验结果显示,在0~500 Hz频率范围内,锰铜合金轴承座的振动传递率整体低于钛合金轴承座,最大降幅可达5.63 dB, 平均振动传递率降低1.13 dB, 说明其在该频段内锰铜合金轴承座具有更强的振动隔离能力和更优的抑振性能。该结果验证了锰铜合金材料较高的内部阻尼比所带来的能量耗散效果,在低频激励条件下表现出良好的振动衰减能力。相比之下,钛合金尽管具备更高的刚度,但由于其内耗能力有限,易在低频共振区域产生较高的传递峰值,隔振性能受限。

4 推进系统振动响应分析

为深入评估高阻尼锰铜合金轴承座在实际推进系统环境中的减振性能,基于典型推进系统结构,开展锰铜合金与钛合金轴承座下的系统级振动响应仿真对比分析。通过构建转子-轴承-轴承座耦合动力学模型,分析材料替代及结构优化对系统振动响应的影响,为锰铜合金轴承座应用提供系统层面的性能参考。

建立的推进系统包含电机、推进轴、滚动轴承及轴承座,系统结构如图20所示。模型采用集中质量法和有限元思想相结合的建模策略,基于铁木辛柯梁理论将推进轴简化为多自由度柔性梁结构,并考虑轴段弯曲刚度、轴承支承刚度与轴承座刚度等参数的影响。在柔性轴建模方面,基于哈密尔顿原理推导其动力学控制方程为

(2)

${M}_{s}{\ddot{u}}_{s}+{C}_{s}{\dot{u}}_{s}+{K}_{s}{u}_{s}={F}_{s}$

式(2)中:M_s、C_s和K_s分别为推进轴的质量、阻尼和刚度矩阵;u_s、${\dot{u}}_{s}、{\ddot{u}}_{s}$分为柔性轴段的位移、速度和加速度向量;F_s为柔性轴承受的外部力。

推进轴和轴承座之间通过轴承连接,轴承座的动力学方程为

(3)

${M}_{o}{\ddot{u}}_{o}+{C}_{o}{\dot{u}}_{o}+{K}_{o}{u}_{o}={F}_{o}$

式(3)中:M_o、C_o和K_o分别为轴承座的质量、阻尼和刚度矩阵;u_o、${\dot{u}}_{o}、{\ddot{u}}_{o}$分别为轴承座的广义位移、速度、加速度向量;F_o为轴承座受到的外部力,包括轴承的接触力以及轴承座外部的支撑力,可表示为

(4)

${F}_{o}={F}_{b}-{F}_{t}$

式(4)中:F_t 为轴承座支撑力;F_b为轴承的接触力。

(5)

${F}_{o}=\left[\sum _{j=1}^{{N}_{b}}{Q}_{j}cos{\psi }_{j}　\sum _{j=1}^{{N}_{b}}{Q}_{j}sin{\psi }_{j}　\sum _{j=1}^{{N}_{b}}{Q}_{j}\right]{ }^{T}$

(6)

${Q}_{j}={k}_{b}{\delta }_{j}^{1.5}$

(7)

${F}_{t}={k}_{t}{u}_{o}+{c}_{t}{\dot{u}}_{o}$

式中:ψ_j为第j个接触点的轴承角位置;Q_j为第j个接触点的接触力大小;N_b为轴承接触点总数;k_b为轴承接触刚度;δ_j为第j个接触点接触变形;k_t和c_t分别为轴承座外部支架的等效刚度和阻尼系数。

综合柔性转子、滚动轴承及轴承座三者的动力学行为进行系统耦合,建立推进系统的整体动力学控制方程:

(8)

$M\ddot{u}+C\dot{u}+Ku=Q$

式(8)中:系统质量矩阵M、阻尼矩阵 C、刚度矩阵 K由转子梁段、轴承单元及轴承座基础刚度共同组成;激励项Q主要包含转动不平衡激励及重力。

在上述推进系统动力学分析框架下,开展了不同材料轴承座上受到的传递力对比研究。轴承支撑分别采用前述两种材料轴承座(钛合金与锰铜合金)。两种轴承座的刚度来源于前述仿真结果并分别嵌入至动力学模型中,其他结构参数保持一致,以明确比较材料差异引起的系统响应变化。

系统时域计算结果表明,两种材料轴承座对应的推进系统传递力幅值存在显著差异。图21显示了在1 500 r/min下,钛合金轴承支撑下轴承座的传递力峰峰值为149.33 N,而当采用高阻尼锰铜合金材料替代后,传递力峰峰值为106.12 N,减幅达28.94%。仿真结果说明了锰铜合金轴承座在推进系统实际工况下的减振优势。锰铜合金轴承座在结构性能可接受的基础上,具有更优的系统级振动控制潜力,适合应用于振动敏感的复杂动力系统。

为深入揭示转速变化对高阻尼材料减振性能的影响规律,在500~2 500 r/min转速范围内开展两种轴承座材料下推进系统振动传递力响应的对比仿真分析,如图21所示。结果显示,随着转速的提升,锰铜合金轴承座相较于钛合金轴承座在减小振动传递力响应方面的效果更加显著。尤其在高转速区间,锰铜合金方案下的传递力峰峰值显著降低,展现出稳定的抑振性能。

5 结论

以某型推进系统中的典型轴承座结构为研究对象,围绕高阻尼锰铜合金材料的应用可行性,开展了结构设计、有限元性能分析及振动试验验证工作。得到如下主要结论。

(1)获得了轴承座套圈区域引入减重孔并系统分析孔径与孔间距对性能的影响规律。确定孔径为4 mm、间距为6 mm的优化方案能在质量增长不超过30%的前提下,使锰铜合金轴承座的刚度达到钛合金的70%且同时满足强度与热变形的工程要求。

(2)在0~500 Hz范围内,锰铜合金轴承座传递率整体较钛合金低,有效抑制了低频振动响应,展现出良好的振动隔离能力。

(3)锰铜合金轴承座对振动响应的衰减作用随转速提升而显著增强。在中高转速区间,其对系统振动幅值的抑制效果尤为显著,体现出良好的动态适应能力。

研究表明,锰铜合金类高阻尼金属材料在满足基本刚度与强度需求的基础上,其优越的能量耗散能力使其更适用于对振动控制要求较高的推进系统支撑部件。研究成果为此类材料在复杂工程场景中的推广应用提供了理论支撑与设计参考。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	李鑫, 钟榈, 张甜甜, 等. 涡桨发动机减速器轴承局部故障的检测与诊断[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(19): 8058-8063.

[2]	Li Xin, Zhong lü, Zhang Tiantian, et al. Local fault detection and diagnosis of the bearings in turboprop engine reduction gearbox[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(19): 8058-8063.

[3]	闫海鹏, 刘孟林, 杨雪, 等. 全陶瓷角接触球轴承故障声信号特性分析[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(10): 4118-4128.

[4]	Yan Haipeng, Liu Menglin, Yang Xue, et al. Analysis of fault acoustic signal characteristics of full ceramic angular contact ball bearings[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(10): 4118-4128.

[5]	张依, 李明. 船舶垂荡运动下具有平行不对中故障的转子-轴承系统动力学特性[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(24): 10116-10126.

[6]	Zhang Yi, Li Ming. Nonlinear dynamics of rotor-bearing system with parallel misalignment falut under ship heaving motion[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(24): 10116-10126.

[7]	Li Y, Zhao G, Yuan Y, et al. Self-excited vibration suppression in floating splined rotor systems via a composite spline ring[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2025, 303: 110598.

[8]	Yang M, Xuan H, Qin T, et al. Effect of laminate parameters on nonlinear dynamic characteristic of the composite rotor-bearing system with pedestal looseness[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2023, 15(9): 189082.

[9]	Zhang H, Wei T, Run Q, et al. Stability analysis of composite energy storage flywheel rotor[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2025, 39: 1073-1087.

[10]	Zhang H, Shen M, Liu T, et al. Dynamic modeling and vibration characteristic analysis of fiber woven composite shaft-disk rotor with weight-reducing holes[J]. Applied Sciences, 2024, 14(19): 2076-3417.

[11]	Zhang J, Chen Y, Zhai J, et al. Topological optimization design on constrained layer damping treatment for vibration suppression of aircraft panel via improved evolutionary structural optimization[J]. Aerospace Science and Technology, 2021, 112: 106619.

[12]	Wu Q, Li Q, Liu S. Dynamic topology optimization for structures exhibiting frequency-dependent material properties with prescribed frequency forbidden band[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2024, 432: 117439.

[13]	Wu Q, Liu S, Li Q. Targeted-frequency band gap maximization for phononic crystals via topology optimization[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2025, 302: 110553.

[14]	林梦寒, 陈亮亮, 程柳峰, 等. 基于多维可视化的磁悬浮飞轮储能转子系统多目标优化控制[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(31): 13405-13415.

[15]	Lin Menghan, Chen Liangliang, Cheng Liufeng, et al. Multi-objective optimal control for rotor system of magnetic levitation flywheel energy storage based on muliti-dimensional visualization[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(31): 13405-13415.

[16]	马俊, 刘海鹏, 羊慧, 等. 自适应水润滑尾轴承摩擦学及动力学性能分析[J]. 舰船科学技术, 2022, 44(15): 66-70.

[17]	Ma Jun, Liu Haipeng, Yang Hui, et al. Analysis of tribology and dynamics performance of self-adaptation water-lubricated stern bearing[J]. Ship Science and Technology, 2022, 44(15): 66-70.

[18]	Liu Y, Zhou Y, He T, et al. The utilization of a damping structure in the development of self-adaptive water-lubricated stern bearings[J]. Lubricants, 2024, 12(2): 32.

[19]	He T, Xie Z, Tao X, et al. Analysis of the tribological and dynamic performance of the self-adapting water-lubricated stern bearing[J]. Lubricants, 2022, 10(10): 245.

[20]	王怡鑫, 徐洋, 盛晓伟, 等. 基于锰铜高阻尼合金弹簧的反作用轮隔振器性能研究[J]. 振动与冲击, 2023, 42(14): 314-320.

[21]	Wang Yixin, Xu Yang, Sheng Xiaowei, et al. Performances of a reaction wheel vibration isolator with a spring made of manganese-copper high damping alloy[J]. Journal of Vibration and Shock, 2023, 42(14): 314-320

[22]	Yin X, Xu Y, Sheng X, et al. Study on the micro-vibration suppression of a Mn-Cu spring isolation platform with low stiffness and high damping[J]. International Journal of Aeronautical and Space Sciences, 2023, 24(3): 753-765.

[23]	林磊, 徐德城, 陈志林, 等. 锰铜阻尼合金在管道壳壁振动缓解中的应用[J]. 噪声与振动控制, 2021, 41(4): 221-227.

[24]	Lin Lei, Xu Decheng, Chen Zhilin, et al. Application of Mn-Cu damping alloy in pipe shell-wall vibration mitigation[J]. Noise and Vibration Control, 2021, 41(4): 221-227.

[25]	周欣, 武凯, 邹夏景. 高阻尼合金基座减振特性研究[J]. 船舶工程, 2024, 46(4): 90-95, 104.

[26]	Zhou Xin, Wu Kai, Zou Xiajing. Study on vibration reduction characteristics of high damping alloy foundations[J]. Ship Engineering, 2024, 46(4): 90-95, 104.

[27]	杨坤昌. 高阻尼合金安装结构动态特性分析及优化设计研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2022.

[28]	Yang Kunchang. Dynamics characteristic analysis and optimation design of high damping alloy installation structure[D]. Shenyang: Northeastern University, 2022.

[29]	周楠. 水下航行体典型基座结构声学优化设计及高阻尼钢应用研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2020.

[30]	Zhou Nan. Research on acoustic optimization design of typical base structure of underwater vehicle and application of high damping steel[D]. Wuhan: Huazhong University of Science & Technology, 2020.

[31]	雷少攀, 刘宝会, 冀璞光, 等. 基于锰铜高阻尼合金输流管路减振设计实验研究[J]. 河北工业大学学报, 2023, 52(6): 53-59.

[32]	Lei Shaopan, Liu Baohui, Ji Puguang, et al. Experimental research on vibration reduction design of conveying pipeline based on Mn-Cu high-damping alloy[J]. Journal of Hebei University of Technology, 2023, 52(6): 53-59.

[33]	Xiao P, Yang W, Jiang K, et al. Study on vibration reduction performance of gear pairs made by a high-strength Fe-Mn damping alloy[J]. Applied Sciences, 2022, 12(8): 3925.

[34]	Wu Y, Xu J, Wang X, et al. The effect of damping components on the interfacial dynamics and tribological behavior of high-speed train brakes[J]. Applied Acoustics, 2021, 178: 107962.

[35]	Wang X, Mo J, Ouyang H, et al. An investigation of stick-slip oscillation of Mn-Cu damping alloy as a friction material[J]. Tribology International, 2020, 146: 106024.

[36]	王康, 张一凡, 孙天翔, 等. 自制旋转机械故障模拟试验台的转子振动特性研究[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(4): 1480-1487.

[37]	Wang Kang, Zhang Yifan, Sun Tianxiang, et al. Rotor vibration characteristics of self-made rotating machinery fault simulation test bench[J]. Science Technology and Engineering, 2024, 24(4): 1480-1487.

[38]	聂卫健, 杨晓光, 唐广, 等. 突加冲击载荷下航空发动机转子动力响应试验[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(5): 2153-2160.

[39]	Nie Weijian, Yang Xiaoguang, Tang Guang, et al. Dynamics response experiment of aero-engine rotor under sudden impact load[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(5): 2153-2160.