GMA止推油膜軸承瓦塊均載調(diào)整試驗(yàn)研究

吳　超　王　文

1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州，450002　　2.上海大學(xué)，上海，200072

GMA止推油膜軸承瓦塊均載調(diào)整試驗(yàn)研究

吳超1王文2

1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州，4500022.上海大學(xué)，上海，200072

摘要：介紹了一種基于超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器(GMA)的止推油膜軸承的結(jié)構(gòu)和工作原理，搭建了GMA止推油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了止推油膜軸承的跑合試驗(yàn)、單瓦載荷調(diào)節(jié)試驗(yàn)以及手動(dòng)和自動(dòng)均載調(diào)節(jié)試驗(yàn)。該軸承以瓦塊的溫度作為反饋信號(hào)，改變GMA的伸長(zhǎng)量可控制止推瓦塊的油膜間隙，使同一止推軸承的不同瓦塊承受載荷盡量均勻，能夠防止止推軸承偏載現(xiàn)象發(fā)生，避免止推油膜軸承由于偏載引起的局部高溫。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用GMA調(diào)節(jié)止推軸承的油膜間隙、實(shí)現(xiàn)止推瓦塊的均載方案是可行的。

關(guān)鍵詞：止推油膜軸承；超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器；溫升；均載

0引言

引起止推油膜軸承不同瓦塊的油膜間隙相差比較大的原因主要有兩個(gè)[1]：由于制造和安裝誤差，很難做到各瓦塊的工作面在同一平面上；在工作時(shí)轉(zhuǎn)子存在彎曲變形，導(dǎo)致止推盤傾斜。止推軸承瓦塊間隙的變化對(duì)承載載荷影響非常大，容易發(fā)生偏載現(xiàn)象，引起軸承局部瓦塊溫度升高而不能正常工作[2-3]。Kingsbury公司提出了均載止推軸承，利用杠桿原理巧妙地解決了止推軸承的偏載問(wèn)題[4]，但該軸承采用被動(dòng)的機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，接觸點(diǎn)易磨損，也不能根據(jù)工況主動(dòng)調(diào)節(jié)止推瓦塊與止推盤間的油膜間隙。吳超等[5]研究了止推瓦塊的油膜間隙、承載載荷和溫升的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)它們之間是單調(diào)函數(shù)關(guān)系，能夠通過(guò)改變油膜間隙控制單個(gè)瓦塊的承載載荷，限制軸承的溫度升高。文獻(xiàn)[6-8]對(duì)超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器(gaint magnetostrictive actuator， GMA)(超磁致伸縮棒的直徑為10 mm、長(zhǎng)度為30 mm)的研究發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)磁場(chǎng)強(qiáng)度下GMA能夠伸長(zhǎng)40 μm，這與止推油膜軸承的間隙在同一數(shù)量級(jí)；文獻(xiàn)[9-10]提出利用GMA主動(dòng)調(diào)節(jié)止推軸承的油膜間隙，嘗試解決瓦塊的偏載問(wèn)題。

為了驗(yàn)證GMA止推油膜軸承的工作原理，本文搭建試驗(yàn)臺(tái)，模擬該軸承在不同工況下的運(yùn)行情況，測(cè)量各止推瓦塊的溫升，利用控制程序判斷承受最大載荷的瓦塊，通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)減小支承該瓦塊的GMA電流，降低該瓦塊的支承高度，減小該瓦塊承受的載荷，使止推軸承各瓦塊承受的載荷基本相同，避免軸承偏載現(xiàn)象發(fā)生。

1GMA止推油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)

GMA止推軸承試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)上部是液壓加載裝置，中間是驅(qū)動(dòng)裝置，下部是試驗(yàn)軸承。這樣布置可以提高軸的彎曲剛度，減小因皮帶振動(dòng)引起的軸的振動(dòng)。為了便于調(diào)整止推瓦塊的初始位置以及避開復(fù)雜的動(dòng)態(tài)密封結(jié)構(gòu)，把止推瓦塊、GMA和油箱放在最下部。載荷通過(guò)止推滾動(dòng)軸承加載到豎直旋轉(zhuǎn)軸上，這是因?yàn)闈L動(dòng)軸承能夠進(jìn)行微小滑動(dòng)，同時(shí)試驗(yàn)軸承的油膜剛度大于蝶形彈簧的剛度，可以確保載荷完全施加給試驗(yàn)軸承。

圖1　試驗(yàn)臺(tái)照片

圖2　試驗(yàn)止推軸承照片

圖2是試驗(yàn)軸承照片，每個(gè)試驗(yàn)瓦塊被獨(dú)立的GMA支承，并安裝一套瓦塊溫度測(cè)量裝置。通過(guò)閉環(huán)控制建立止推軸承的各個(gè)瓦塊溫度、承載載荷和油膜間隙之間的聯(lián)系。用溫度傳感器測(cè)量瓦塊的溫升，基于瓦塊的溫升和承載的載荷是單調(diào)關(guān)系，可以確定承受最大載荷的瓦塊，通過(guò)減小支承該瓦塊對(duì)應(yīng)GMA的工作電流，減小該GMA的伸長(zhǎng)量，降低該瓦塊的支承高度，從而減小其受載，而其他瓦塊的載荷會(huì)相應(yīng)增加。形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以使止推軸承各個(gè)瓦塊所承受的載荷基本相等，避免了由于偏載所引起的止推軸承局部溫度過(guò)高的現(xiàn)象。

2軸承結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)止推軸承由四個(gè)扇形瓦塊組成，瓦塊材料選用45鋼，厚度10 mm，表面鍍有1.5 mm的巴氏合金，并進(jìn)行了拋光處理。每個(gè)試驗(yàn)瓦塊上安裝一套PT100鉑電阻溫度傳感器，傳感器處于瓦塊厚度的中間位置，傳感器一端位于周向位置角0°、徑向半徑73 mm處；另一端(感溫端)位于周向位置角40°、徑向半徑96 mm的位置。

瓦塊張角β=45°，外半徑104 mm，內(nèi)半徑42 mm；瓦塊采用球面支承結(jié)構(gòu)，球面支承點(diǎn)位于瓦塊徑向的正中間，支承點(diǎn)的周向位置角為25.2°，支承球面半徑為5 mm。

GMA內(nèi)的超磁致伸縮棒直徑10 mm、長(zhǎng)度30 mm；纏繞線圈的匝數(shù)為3000；線圈采用銅漆包線，銅線直徑1.2 mm。

試驗(yàn)所用潤(rùn)滑油密度ρ=875 kg/m3，比定壓熱容cp=2000 J/(kg·K)，40 ℃下的黏度為0.028 Pa·s，試驗(yàn)室溫度10 ℃。

3跑合試驗(yàn)

止推瓦塊依靠幾個(gè)零件裝配而成的GMA支承[11-13]，由于存在制造和裝配誤差，使得不同瓦塊的工作面并不一定在同一高度上，在豎直方向上可能相差上百微米，超過(guò)GMA的調(diào)節(jié)范圍。進(jìn)行試驗(yàn)前，試驗(yàn)機(jī)需進(jìn)行空載跑合，通過(guò)察看瓦塊表面的磨痕，判斷止推軸承的各個(gè)瓦塊的工作面是否在同一高度。

試驗(yàn)機(jī)空載跑合試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速為300 r/min。工作一段時(shí)間后停機(jī)，拆開試驗(yàn)機(jī)，看到瓦塊磨損情況如圖2所示，上方的1號(hào)瓦塊出現(xiàn)比較明顯的劃痕。由于試驗(yàn)機(jī)豎直放置，所以試驗(yàn)機(jī)自重主要由該瓦塊承載，這說(shuō)明瓦塊1的支承高度過(guò)高，甚至和止推盤表面接觸，使瓦塊1表面出現(xiàn)了劃痕。此時(shí)需要對(duì)劃痕比較明顯的1號(hào)瓦塊進(jìn)行研磨修配，直到空載試驗(yàn)后所有瓦塊不出現(xiàn)明顯磨痕，試驗(yàn)機(jī)跑合過(guò)程方可結(jié)束，此時(shí)瓦塊的工作表面在同一高度范圍。

4均載調(diào)節(jié)試驗(yàn)

跑合試驗(yàn)結(jié)束后，當(dāng)潤(rùn)滑油不循環(huán)時(shí)，進(jìn)行GMA無(wú)調(diào)節(jié)、單瓦調(diào)節(jié)、多瓦手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)下的試驗(yàn)，以驗(yàn)證GMA止推油膜軸承的均載調(diào)節(jié)性能。試驗(yàn)條件為，主軸轉(zhuǎn)速100～1400 r/min、載荷0～9800 N。

由于潤(rùn)滑油不循環(huán)，止推盤攪油和摩擦生熱不能帶出，故整個(gè)系統(tǒng)在短期內(nèi)很難達(dá)到熱平衡，試驗(yàn)軸承的溫度一直處于上升狀態(tài)，導(dǎo)致每個(gè)瓦塊的溫度都是升高的。因此，利用瓦塊溫升曲線斜率來(lái)反映某時(shí)刻瓦塊承受載荷的相對(duì)變化情況，這比直接采用瓦塊溫度作為表征參數(shù)更直觀。以主軸轉(zhuǎn)速710 r/min、試驗(yàn)載荷4900 N的條件為例，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1試驗(yàn)軸承正常工作驗(yàn)證

當(dāng)GMA不工作、在冷啟動(dòng)20 s后施加推力載荷F=4900 N時(shí)，各個(gè)瓦塊的溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，加載前(運(yùn)轉(zhuǎn)20 s內(nèi))，瓦塊2和瓦塊3的溫升比瓦塊1和瓦塊4的高；加載后，瓦塊1和瓦塊4的溫度上升更快，最后瓦塊4的溫度最高。

圖3　GMA無(wú)激勵(lì)電流瓦塊溫升曲線

試驗(yàn)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，除轉(zhuǎn)子和止推盤自重外沒(méi)有外加載荷，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也低，這種工況很難改變瓦塊的初始狀態(tài)。開機(jī)前瓦塊2和瓦塊3的擺角可能較大，止推盤的自重完全由瓦塊2和瓦塊3來(lái)承載，瓦塊1和瓦塊4基本不承受什么載荷，這才出現(xiàn)剛開機(jī)時(shí)瓦塊2和瓦塊3的溫升較高、瓦塊1和瓦塊4溫度變化不大的現(xiàn)象。

加載的瞬時(shí)，瓦塊溫升曲線的斜率最大，說(shuō)明瓦塊的溫升對(duì)承載載荷很敏感，也說(shuō)明在止推盤和止推瓦塊之間形成了潤(rùn)滑油膜。加載幾分鐘后，瓦塊4的溫度最高，瓦塊1的溫度最低，說(shuō)明瓦塊4承受的載荷最大，瓦塊1承受的載荷最小。又由于各個(gè)瓦塊的溫升差別在2 ℃以內(nèi)，說(shuō)明各個(gè)瓦塊承受的載荷和油膜間隙基本相等，這也證明了跑合研磨試驗(yàn)非常成功。

4.2單瓦載荷調(diào)節(jié)試驗(yàn)

圖4是對(duì)支承瓦塊3的GMA施加2A的階躍電流，各個(gè)瓦塊的溫升隨時(shí)間的變化曲線,可以看出，瓦塊3施加階躍電流前，各個(gè)瓦塊的溫升曲線的斜率基本相等；施加階躍電流后，瓦塊3的溫升曲線的曲率明顯增大，瓦塊2的溫升曲線的曲率明顯減小。

圖4　支承瓦塊3的GMA施加激勵(lì)電流后各瓦塊溫升曲線

階躍電流施加前，試驗(yàn)機(jī)已穩(wěn)定工作，各個(gè)瓦塊承受的載荷基本相等，瓦塊的溫升主要由攪油發(fā)熱和摩擦生熱引起，各個(gè)瓦塊的溫升曲線基本平行。

施加階躍電流后，瓦塊3的支承高度增大，該瓦塊的油膜間隙減小，其承受的載荷增大，溫度升高較快，所以瓦塊3的溫升曲線斜率最大。又由于瓦塊2和瓦塊4在瓦塊3的兩邊，瓦塊1安裝在瓦塊3的對(duì)面，要保持整個(gè)止推盤平衡，載荷主要由瓦塊1和瓦塊3來(lái)承受，這也引起了瓦塊1溫升加快，導(dǎo)致了瓦塊1溫升曲線的斜率增大，瓦塊2和瓦塊4的溫升曲線斜率減小。

4.3手動(dòng)和自動(dòng)控制均載調(diào)節(jié)試驗(yàn)

圖5為手動(dòng)和自動(dòng)控制時(shí)瓦塊均載的溫升變化曲線。為防止出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象，先給每個(gè)GMA施加2A的電流。0～10 min內(nèi)進(jìn)行手動(dòng)控制，10～21 min內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)控制，21 min后卸載。從圖5中可以看出，通過(guò)閉環(huán)控制，各個(gè)瓦塊的溫升基本相同，說(shuō)明各個(gè)瓦塊承受的載荷也基本一樣，各個(gè)瓦塊的油膜間隙基本相等，同時(shí)自動(dòng)控制比手動(dòng)控制對(duì)瓦塊的均載效果和溫度控制效果更好。

圖5　手動(dòng)和自動(dòng)控制瓦塊均載的溫升曲線

當(dāng)潤(rùn)滑油不循環(huán)時(shí)，GMA止推軸承試驗(yàn)結(jié)果表明，可以用GMA控制止推軸承的油膜間隙、調(diào)節(jié)止推軸承內(nèi)不同瓦塊的承載載荷，降低最大載荷瓦塊的溫升，使止推軸承的各個(gè)瓦塊受載均勻，從而解決止推軸承的偏載問(wèn)題。

5結(jié)語(yǔ)

(1)GMA止推油膜軸承以瓦塊的最高溫度作為反饋信號(hào)，控制支承瓦塊的GMA的伸長(zhǎng)量，改變止推瓦塊的油膜間隙，使各個(gè)瓦塊承受的載荷均勻，能夠防止止推軸承局部溫升過(guò)高。

(2)用GMA調(diào)節(jié)油膜間隙，實(shí)現(xiàn)止推軸承推力瓦塊間的均載功能的方案經(jīng)初步驗(yàn)證是可行的，但要實(shí)現(xiàn)該止推軸承在工業(yè)上的應(yīng)用，還需要展開進(jìn)一步的研究工作。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Experimental Investigationon for Uniform-loading Adjustment among Different Pads of an Oil-film Thrust Bearing with GMA

Wu Chao1Wang Wen2

1.Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou,4500022.Shanghai University, Shanghai,200072

Abstract：The structure and the principles of an oil-film thrust bearing were introduced based on GMA. The testing rig supported by this type of the bearings was built up. Running-in experiments, single-pad loading adjustment experiments and uniform-loading adjustment experiments including manual and automactic methods among different pads on the testing rig under different working conditions were completed to verify the performance of the thrust bearing. GMA was located at the supporting place of the pad and used to support the pad of the controllable bearing. Temperature signals as feedback parameters were used to control the magnetic field of GMA to alter oil-film clearance of the pad, which the load on a pad might be changed and was homogeneous to prevent the local high-temperature phenomenon of the bearing by controlling oil-film clearance at the supporting place of the pad. The results indicate that the controllable bearing with the GMA devices has the ability to adjust oil-film clearance of a pad and avoids imbalance load phenomenon among different pads and bears the uniform load for every pad for the same thrust bearing.

Keywords：oil-film thrust bearing; gaint magnetostrictive actuator(GMA); temperature rise; uniform loading

收稿日期：2015-07-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金-河南省人才培養(yǎng)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1404515)；鄭州輕工業(yè)學(xué)院骨干教師項(xiàng)目(2013000356)

中圖分類號(hào)：TH133.3

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.014

作者簡(jiǎn)介：吳超，男，1978年生。鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授、博士。主要研究方向?yàn)闈?rùn)滑理論與滑動(dòng)軸承技術(shù)。發(fā)表論文20篇。王文，男，1968年生。上海大學(xué)軸承研究室副研究員、博士。