滑動(dòng)軸承在大型裝備中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李 銀

（貴州航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，貴州 貴陽 550000）

0 引言

隨著我國制造水平的不斷提升，旋轉(zhuǎn)機(jī)械也向著更高速度、更加平穩(wěn)的方向飛速發(fā)展。定軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械在各行各業(yè)中應(yīng)用廣泛，而轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最核心部件，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的正常穩(wěn)定且安全地工作是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械平穩(wěn)運(yùn)行的前提。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于滑動(dòng)軸承本身具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如轉(zhuǎn)速高、抗振性好、承載力大、耐沖擊且運(yùn)轉(zhuǎn)精度高等，故在許多大型、關(guān)鍵的設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。滑動(dòng)軸承的類型根據(jù)實(shí)際需求可以分為三油葉軸承、階梯面軸承、橢圓軸承等固定瓦軸承和瓦塊可擺動(dòng)的可傾瓦軸承等。任何類型的滑動(dòng)軸承在實(shí)際使用過程中都存在自身的局限性，因?yàn)榛瑒?dòng)軸承在最初設(shè)計(jì)時(shí)通常是針對一些特定工況來考慮的，然而在實(shí)際運(yùn)行過程中，會(huì)遇到各種各樣突發(fā)的工況（例如轉(zhuǎn)速變化、載荷變化、油溫變化等），即相對于其初始設(shè)計(jì)的工況，滑動(dòng)軸承的實(shí)際工作狀態(tài)已發(fā)生較大變化，而滑動(dòng)軸承又無法適應(yīng)當(dāng)前狀態(tài)，例如當(dāng)用電量發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)組會(huì)調(diào)整其工作載荷。或者是內(nèi)燃機(jī)、壓縮機(jī)等轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)隨之發(fā)生改變。因此對于傳統(tǒng)的徑向固定瓦支撐的滑動(dòng)軸承無法適應(yīng)這種隨時(shí)變化的工作狀態(tài)，又由于固定瓦滑動(dòng)軸承的參數(shù)不能根據(jù)軸承當(dāng)前的實(shí)際工作要求來進(jìn)行調(diào)整。也就是說，固定瓦支撐的滑動(dòng)軸承無法適應(yīng)工作狀況的改變并且不能隨著工作狀況的改變而自身做出調(diào)整，也即固定瓦軸承設(shè)計(jì)的參數(shù)并不能隨著軸承實(shí)際工作的要求做出調(diào)整，導(dǎo)致固定瓦滑動(dòng)軸承不能適應(yīng)這種隨時(shí)可能變化的工況。當(dāng)滑動(dòng)軸承工作狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，隨時(shí)可能變化的，輕則造成軸承磨損、軸的異常振動(dòng)，減小軸承壽命；重則出現(xiàn)抱軸、燒瓦等嚴(yán)重事故。而作為核心部件的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)一旦損壞，整個(gè)機(jī)組將無法工作，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

所以在復(fù)雜、劇烈、甚至極端工況下，要求徑向滑動(dòng)支撐系統(tǒng)擁有足夠的適應(yīng)能力，故研究轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)在隨時(shí)間變化工況下的動(dòng)態(tài)特性尤為重要。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 軸承研究現(xiàn)狀

針對復(fù)雜及變化的工況，對徑向滑動(dòng)支承系統(tǒng)提出更優(yōu)的要求，以便能根據(jù)變化的工作狀態(tài)進(jìn)而對滑動(dòng)軸承自身的工作能力做出調(diào)整，改變由于工作狀態(tài)的改變對自身工作性能的影響，提高其適應(yīng)能力，即使在惡劣的工作狀態(tài)下也能通過調(diào)整參數(shù)以減小或消除由于工況巨變對工作性能的影響。因此，研究設(shè)計(jì)一種能夠根據(jù)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整其工作性能的滑動(dòng)軸承意義重大。

為解決上述存在的問題，針對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)工作時(shí)工作狀況的改變，國內(nèi)外專家提出了變結(jié)構(gòu)軸瓦為支撐利用主動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)工作狀況來控制轉(zhuǎn)子運(yùn)行性能，即就是監(jiān)測轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)，根據(jù)轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)來決定是否以及如何調(diào)整軸承參數(shù)，從而使轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)能及時(shí)根據(jù)自身的工作狀態(tài)通過調(diào)整參數(shù)進(jìn)而影響或者改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作性能，使轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)保持正常工作特性。該種新型軸瓦工作方式受到了國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，并進(jìn)行了大量的研究。這些研究成果陸續(xù)發(fā)表在《Mechatronics》《Tribology International》《Nonlinear Dynamics》《Tribology Letter》等期刊上。根據(jù)不同的控制方式，使具有主動(dòng)控制功能的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，如流變流體橢圓軸承、電磁軸承。

電磁軸承主動(dòng)控制方法的發(fā)展對滑動(dòng)軸承主動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步有著巨大的推動(dòng)作用，而電磁軸承的調(diào)節(jié)能力和范圍有限、生產(chǎn)成本較高，不利于大型裝備的應(yīng)用[1-4]。可控液壓滑動(dòng)軸承通過改變膜厚，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子偏心率的控制，改善軸承的工作狀態(tài)。但是該類軸承因?yàn)檩S頸與軸瓦間的間隙為固定值，因而油膜厚度變化范圍有限，調(diào)節(jié)能力較低。電流、磁流等流變流體滑動(dòng)軸承通過觸發(fā)特殊介質(zhì)或材料的某些物理特性對滑動(dòng)軸承進(jìn)行主動(dòng)控制，但是新介質(zhì)的可靠性和安全性仍未得到證明，因此流變流體滑動(dòng)軸承或新材料軸承仍處于研究階段。

1.2 主動(dòng)控制研究現(xiàn)狀

研究主動(dòng)控制行為是實(shí)現(xiàn)智能滑動(dòng)軸承的重要手段。電磁軸承的主動(dòng)控制原理給智能滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)提供了一定的參考，基本原理是：傳感器采集位移信號(hào)發(fā)送給控制器；控制器將收到的信號(hào)與參考量進(jìn)行比較，如果軸頸偏離參考點(diǎn)，控制器會(huì)發(fā)出控制信號(hào)并通過功放轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流在磁鐵中產(chǎn)生電磁力，使轉(zhuǎn)子回到穩(wěn)定位置。以此理論為指導(dǎo)，學(xué)術(shù)界對電磁軸承的主動(dòng)控制行為開展了各種各樣的研究。在國際上，HWACHANG.SUNG 等[1]在LEE 和DU 的基礎(chǔ)上分析了控制器和執(zhí)行器的耦合作用影響主動(dòng)控制的精度。K.Y.ZHU 等[3]提出了提高控制系統(tǒng)精度的聯(lián)合交叉耦合技術(shù)，減少主軸徑向同步誤差帶來的影響。SIVRIOGLU[4]提出了自適應(yīng)控制方法，并計(jì)算零偏置磁軸承的非線性控制電流，用以提高控制系統(tǒng)本身對于主軸動(dòng)態(tài)行為的適應(yīng)能力。RAO 和TIWARI[5，6]相繼提出單目標(biāo)和多目標(biāo)下的遺傳算法用于電磁軸承主動(dòng)控制系統(tǒng)。JASTRZEBSKI等[7]比較了不同控制結(jié)構(gòu)之間的優(yōu)劣，分析了多輸入、多輸出狀態(tài)下的遺傳算法對控制系統(tǒng)的影響。LEE[8]和DU等[9]基于Takagi-Sugeno 模糊模型對時(shí)變不確定信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，從而控制主軸的服役狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了智能化。JI[10]通過利用Hopf 理論對磁軸承在控制中存在的時(shí)延問題展開了研究，得到出現(xiàn)Hopf 分岔而導(dǎo)致的失穩(wěn)臨界延時(shí)與控制參數(shù)之間的關(guān)系。HUNG 等[11]提出線性化反饋與非線性化逐步逼近相結(jié)合的主動(dòng)控制概念，利用數(shù)字信號(hào)處理器對位置控制等幾種控制方法進(jìn)行比較，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證分析結(jié)果。PRZYBYLOWICZ 等[12]通過壓電致動(dòng)器調(diào)整軸承軸頸位置，使轉(zhuǎn)子振動(dòng)受到抑制。

與此同時(shí)，國內(nèi)對電磁軸承主動(dòng)控制行為的研究也取得了卓有成效的進(jìn)展。范友鵬，劉淑琴等[13]利用干擾觀測器理論的時(shí)間延時(shí)補(bǔ)償方法對磁軸承開關(guān)功率放大器中存在的固有延時(shí)和可變延時(shí)進(jìn)行了研究。趙林等[14]研究了有色噪聲對磁軸承系統(tǒng)模型辨識(shí)精度造成的影響。田野和虞烈等[15]提出一種以電磁軸承實(shí)際承載力與預(yù)分配承載力差值為最小控制目標(biāo)，通過等邊三角形為基本單元對軸承工作區(qū)域進(jìn)行劃分的磁軸承穩(wěn)態(tài)工作位置搜索算法，利用該方法可有效的分析混合軸承的穩(wěn)態(tài)控制問題。李紅等[16]對電磁軸承的功耗問題與偏置電流之間存在的關(guān)系進(jìn)行了一定的研究，通過結(jié)合約束條件，得到了在最低功耗時(shí)，偏置電流與轉(zhuǎn)子位移偏差之間的函數(shù)表達(dá)式。蘇文軍和虞烈等[17]通過研制一種結(jié)構(gòu)為重復(fù)控制和比例-積分- 微分控制相結(jié)合的混合控制器，有效地抑制了電磁軸承支撐轉(zhuǎn)子的周期性振動(dòng)。

在國內(nèi)，以西安交通大學(xué)為代表的學(xué)者們在滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方面的研究取得了顯著的成績[18-20]。近年來，對于滑動(dòng)軸承的研究更多的考慮了多因素對轉(zhuǎn)子動(dòng)特性的影響，如張帆[20]在結(jié)合實(shí)際工況的前提下對容量為1 750 MW 的發(fā)電機(jī)進(jìn)行理論分析，從而得到了滑動(dòng)軸承的動(dòng)態(tài)性能。陳紅霞、陳國定等[21]研究了橢圓軸承在偏載工作的條件下，其動(dòng)靜態(tài)特性。張宏獻(xiàn)、徐武彬等[22]研究了橢圓滑動(dòng)軸承的橢圓度對其工作狀態(tài)穩(wěn)定性的影響。易均、劉恒等[23]研究了通過對組配的軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行歪斜裝配，研究其對動(dòng)力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)由于歪斜安裝，軸承存在非均勻間隙，通過合理利用這一特性可以提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在動(dòng)力方面的性能；王琳、裴世源等[24]通過實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在軸頸表面位置處設(shè)計(jì)合理的織構(gòu)類型，將可以顯著提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐穩(wěn)定性；王欣彥等[25]通過采用有限體積法建立了橢圓軸承流場的數(shù)值分析模型，分析了軸承橢圓度、偏心率等參數(shù)對軸承動(dòng)特性的影響。郭勇等[26]通過選擇特征位置的壓力差并結(jié)合軸承理論來表征轉(zhuǎn)子的偏斜程度，以此進(jìn)行了轉(zhuǎn)子偏斜程度對橢圓軸承性能影響的研究。楊建剛等[27]通過建立線性函數(shù)，即軸頸處的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)速度之間的線性函數(shù)關(guān)系，并以此來表示圓柱軸承處的油膜力，最后利用有限元法計(jì)算了油膜力大小。張文等人[28]針對有限長橢圓軸承，通過用Ritz 法近似計(jì)算求解了轉(zhuǎn)變?yōu)榈葍r(jià)變分問題的雷諾方程，從而得到了其近似的油膜力。

2 發(fā)展趨勢

2.1 智能軸承

顯然目前學(xué)術(shù)界已經(jīng)對主動(dòng)控制行為及其相關(guān)研究內(nèi)容有了初步的認(rèn)識(shí)，但是由于智能滑動(dòng)軸承屬于一個(gè)全新的概念，相關(guān)的理論研究并未完善，對智能軸承的研究相對較少，現(xiàn)有的研究主要分析電磁軸承的主動(dòng)控制行為，而智能滑動(dòng)軸承與電磁軸承的工作原理是截然不同的，因而電磁軸承的主動(dòng)控制方法雖然為智能滑動(dòng)軸承的研究提供了一定的借鑒，但是電磁軸承主動(dòng)控制理論并不完全適合智能滑動(dòng)軸承主動(dòng)控制行為的研究。智能橢圓軸承是通過機(jī)械系統(tǒng)改變軸承的預(yù)負(fù)荷狀態(tài)來調(diào)節(jié)支撐軸承的橢圓度，從而調(diào)整軸瓦與軸頸的間隙，最終改變轉(zhuǎn)子的平衡位置。

本研究提出了一種機(jī)電耦合作用下主動(dòng)可調(diào)、可控的智能型滑動(dòng)軸承，其目的在于可實(shí)時(shí)監(jiān)測軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，通過主動(dòng)調(diào)節(jié)、控制滑動(dòng)軸承參數(shù)以適應(yīng)多種時(shí)變工況。時(shí)變的工況包括：轉(zhuǎn)速的漸變、突變、周期變化，載荷的漸變、階躍、周期變化、瞬態(tài)沖擊以及載荷方向的突變和周期變化等。

智能軸承系統(tǒng)如圖1 所示。該系統(tǒng)的部分組成包括：間隙可調(diào)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、傳感器、控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其基本原理為：當(dāng)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的工作狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，傳感器采集到轉(zhuǎn)子工作的狀態(tài)信息并發(fā)送到控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)通過計(jì)算分析轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)目前所處的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測其運(yùn)行狀況使符合工作要求，否則便會(huì)發(fā)出信號(hào)給報(bào)警器。如果此時(shí)的轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)偏離了設(shè)定的工作狀態(tài)，則控制系統(tǒng)發(fā)送指令，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改變軸承與軸頸之間的間隙，從而調(diào)整智能滑動(dòng)軸承的油楔形狀，進(jìn)而改變潤滑油膜厚度，改變軸承的工作參數(shù)，最終改善轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。轉(zhuǎn)子在改變工作狀態(tài)后，傳感器將繼續(xù)對轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，若滿足要求則積雪監(jiān)測而不做調(diào)整。若不滿足要求，傳感器將轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)再次發(fā)送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算判斷，再次發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變軸頸與軸承之間的間隙，直至達(dá)到設(shè)定工作狀態(tài)，從而保證軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 智能軸承系統(tǒng)示意圖

2.2 發(fā)展趨勢

滑動(dòng)軸承未來發(fā)展的一大趨勢是主動(dòng)控制，其是應(yīng)對突發(fā)狀況的重要手段。但是目前成熟的控制方法或控制系統(tǒng)卻是少之又少，大部分研究尚處于實(shí)驗(yàn)階段。所以針對智能滑動(dòng)軸承在機(jī)電耦合作用下主動(dòng)控制行為的研究還應(yīng)更加深入的擴(kuò)展。