GMA可控油膜軸承研究進展

吳超，張建平，尹雪梅，王文

(1.鄭州輕工業學院，河南鄭州450002;2.河南師范大學新聯學院，河南鄭州451464;3.上海大學，上海 200072)

0 前言

由動壓承載機制可知，油膜軸承的位置精度不高，通過控制油膜厚度和形狀可以改變油膜軸承的承載性能［1］。學者相繼提出了一些新型可控油膜軸承結構，能改善油膜軸承的定位精度，提高所支承轉子系統的穩定性。從執行機構的工作原理上看，可控油膜軸承的控制執行機構有液壓系統、電/磁流變新興流體和新型功能材料［2］。目前可控油膜軸承最突出的問題是執行機構的控制力和帶寬之間的矛盾。液壓系統反應速度慢，電/磁流變液潤滑材料性能不穩定，所以應用新興的功能材料是可控油膜軸承發展的新方向。

超磁致伸縮材料驅動器 (GMA)，與常用的壓電材料、形狀記憶合金材料驅動器相比，具有磁致伸縮應變大、輸出力大、能量密度高、響應速度快、可靠性高、頻帶寬、能源供應簡單等特點。在常態磁場下，GMA可以伸長幾十微米，非常適合用于油膜軸承間隙的控制［3］。自從 GMA可控油膜軸承提出之后，一些學者對其性能進行了研究，發現其具有高的位置精度和穩定性［4］。文中就GMA油膜軸承的研究現狀進行總結，并對其下一步的研究工作進行展望。

1 GMA可控油膜軸承工作原理

GMA可控油膜軸承結構如圖1，由普通徑向油膜軸承、2個GMA和2個彈簧組成［5］。彈簧處于壓縮狀態，可以為GMA提供預應力，改善GMA的力學性能，而且能保證軸承座和GMA時刻不分離。該軸承利用超磁致伸縮材料 (GMM)在磁場中產生的微位移和作用力控制軸承座的位置，通過油膜作用傳遞給轉子，起到反向調整轉子的靜態位置和抑制轉子振動的功能。

圖1 GMA油膜軸承結構簡圖

2 GMA結構研究現狀及專用GMA特點

作為可控油膜軸承關鍵執行部件的GMA已經在超精密機床、機器人、航空與航天、流體機械以及石油與海洋工程等領域中成熟應用，其結構主要有3種［6－8］，如圖 2—4。這些 GMA 一般具有 3個特點:(1)為解決溫度變化給GMM帶來的渦流和磁滯損耗的影響，采用水循環裝置冷卻GMM，保證GMM附近的環境溫度保持不變;(2)為了避免GMA的倍頻現象出現，采用直流線圈或者永磁鐵產生偏置磁場，利用交流線圈產生激勵磁場控制GMA的伸縮量;(3)為了提高GMM的伸縮特性和能量轉換率，常采用預壓彈簧產生預應力，保證GMM棒材始終處于受壓狀態，具有良好的力學性能。

圖2 日本某進給機構中的GMA結構簡圖

圖3 河北工業大學設 的GMA結構

圖4 Maryland大學研制 出的GMA結構

圖5 油膜軸承中專用 的GMA結構圖

根據現有GMA的結構，結合軸承的工作環境，上海大學［9］設計了在油膜軸承中專用的GMA，結構如圖5。在油膜間隙的動態調節中，必須保證GMA和滑動軸承套不脫離，需要給軸承套施加預作用力，為簡化設計，把GMA的預應力裝置和軸承套的預應力裝置合二為一做在軸承座上，用蝶形彈簧或者模具彈簧來提供預應力。

專用GMA不需永磁體裝置和冷卻裝置。通過改變偏置電流調節初磁場，該GMA能方便調整其靜態伸縮量，可以滿足不同載荷下油膜軸承靜平衡位置的調節。該方法產生的偏磁場與永磁體產生的偏磁場相比，易于構成閉合磁路、產生的磁場更加均勻，這也能增加GMA的有效機－磁耦合系數。對于在軸承環境中使用的GMA，其溫度的影響利大于弊。在靜態調節時，因線圈發熱溫度升高，磁致伸縮量增大，能擴大靜態調節范圍，可以用溫度引起的伸長位移來調整靜平衡位置。在動態調節時，為避免倍頻現象發生，需要預先給GMA施加偏置電流，然后進行動態調節，動態調節電流與偏置電流相比較小，對于已達熱平衡的溫度場影響很小;同時，可以通過控制潤滑油的流量，使GMM附近的溫度保持恒定，避免了溫升對GMA性能的影響。

3 GMA可控油膜軸承研究綜述及展望

根據設計的專用GMA，張娟等人［10］搭建了杠桿實驗裝置，對其進行了靜態實驗，發現在常態磁場下該GMA能伸長40 μm，滿足油膜間隙調整的需要。馬柯達等［11］在材料試驗機上對其動態性能進行了試驗，發現激勵電流頻率達到2 000 Hz時仍具有良好的頻響特性，說明所研制的GMA滿足轉子減振頻率的需要。王晨等人［12］建立了該GMA的動態理論模型，結合動態響應性能測試結果，獲取了該GMA的場耦合系數d33、阻尼比ζ等動特性參數。李寶福等［13］開發了 GMA的驅動電源和控制算法。LAU等［14］搭建了GMA油膜軸承的測控系統，建立了傳遞函數，證實了GMA可以用來控制油膜軸承的間隙。這些研究為GMA在油膜軸承中的應用打下了基礎。

吳超和王文等人［15－16］建立了 GMA 軸承－Jeffcott轉子系統的動力學模型。納入GMA的機－磁耦合模型，編制了考慮基礎參振的滑動軸承－轉子系統性能的計算程序，計算了軸心軌跡，考察了控制參數對系統不平衡振動和穩定性的影響。結果表明選擇合適的控制參數，GMA軸承支承可以減小轉子的不平衡振動，降低系統的半頻渦動，大大提高系統的穩定性。P L WONG等［17］在用車床改裝的試驗臺上測試了GMA油膜軸承的定心性能，試驗表明該軸承能保持車床軸心位置始終不變。吳超等人［18］搭建了一端用角接觸滾動軸承支承、另一端用GMA軸承支承的試驗臺，進行了調心試驗。試驗表明GMA油膜軸承能有效的把不同工況下轉子軸心的靜平衡位置調整到同一位置。梁爽等人［19］搭建了GMA軸承懸臂試驗臺，更進一步驗證了該軸承支撐的轉子具有好的自動調心功能和高的位置精度，定位精度能達到微米級。文獻［5］研究了GMA油膜軸承的動態試驗。結果表明該可控油膜軸承所支承的轉子的工頻振動幅值大大降低，軸心動態振動軌跡明顯減小。

這些結果表明GMA油膜軸承具有很好的定心精度和穩定性，具有良好的應用前景，如高速磨床。但控制后，該軸承內部容易形成氣穴、負壓，嚴重影響軸承的動特性和承載能力，這關系到受控軸承所支承轉子系統的穩定性與安全性，具體體現在兩方面:(1)在高速旋轉的情況下，通過GMA對油膜軸承的殼體進行主動控制，抑制轉子振動，容易形成動態氣穴和負壓，轉子也易傾斜，對油膜軸承的動特性影響很大，甚至會威脅到轉子系統的安全運行;(2)該軸承作為支承的轉子系統在高速時的穩定性如何，是該系統能否應用的關鍵所在。這些方面需要進一步探討，也需要從對可控油膜軸承的研究擴展到整個可控軸承－轉子－執行器系統，進一步考察其在高速時的性能。

4 結束語

GMA油膜軸承具有一些優點，但要想在工業上應用，應針對存在的問題，還需要進行如下工作:建立存在動態氣穴和負壓的油膜力模型，利用數值模擬方法和試驗手段研究這種新穎軸承的動、靜態特性;建立軸承－轉子－執行器系統的動力學方程，考察GMA參數、負壓效應、氣穴效應對軸承－轉子系統高速穩定性的影響;采用基于現代控制理論的各種方法，建立該軸承所支撐轉子系統的穩定性判據。這些研究可為GMA油膜軸承在高速高精度旋轉機械中的應用打下堅實基礎，也為提高我國旋轉機械的精加工能力貢獻力量。

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