GMA止推油膜軸承瓦塊均載調整試驗研究

吳　超　王　文

1.鄭州輕工業學院，鄭州，450002　　2.上海大學，上海，200072

GMA止推油膜軸承瓦塊均載調整試驗研究

吳超1王文2

1.鄭州輕工業學院，鄭州，4500022.上海大學，上海，200072

摘要：介紹了一種基于超磁致伸縮驅動器(GMA)的止推油膜軸承的結構和工作原理，搭建了GMA止推油膜軸承試驗臺，進行了止推油膜軸承的跑合試驗、單瓦載荷調節試驗以及手動和自動均載調節試驗。該軸承以瓦塊的溫度作為反饋信號，改變GMA的伸長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象發生，避免止推油膜軸承由于偏載引起的局部高溫。試驗結果表明，利用GMA調節止推軸承的油膜間隙、實現止推瓦塊的均載方案是可行的。

關鍵詞：止推油膜軸承；超磁致伸縮驅動器；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[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；在工作時轉子存在彎曲變形，導致止推盤傾斜。止推軸承瓦塊間隙的變化對承載載荷影響非常大，容易發生偏載現象，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題[4]，但該軸承采用被動的機械調節機構，接觸點易磨損，也不能根據工況主動調節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系，發現它們之間是單調函數關系，能夠通過改變油膜間隙控制單個瓦塊的承載載荷，限制軸承的溫度升高。文獻[6-8]對超磁致伸縮驅動器(gaint magnetostrictive actuator， GMA)(超磁致伸縮棒的直徑為10 mm、長度為30 mm)的研究發現，在常規磁場強度下GMA能夠伸長40 μm，這與止推油膜軸承的間隙在同一數量級；文獻[9-10]提出利用GMA主動調節止推軸承的油膜間隙，嘗試解決瓦塊的偏載問題。

為了驗證GMA止推油膜軸承的工作原理，本文搭建試驗臺，模擬該軸承在不同工況下的運行情況，測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，通過閉環控制系統減小支承該瓦塊的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，避免軸承偏載現象發生。

1GMA止推油膜軸承試驗臺

GMA止推軸承試驗臺如圖1所示。試驗臺上部是液壓加載裝置，中間是驅動裝置，下部是試驗軸承。這樣布置可以提高軸的彎曲剛度，減小因皮帶振動引起的軸的振動。為了便于調整止推瓦塊的初始位置以及避開復雜的動態密封結構，把止推瓦塊、GMA和油箱放在最下部。載荷通過止推滾動軸承加載到豎直旋轉軸上，這是因為滾動軸承能夠進行微小滑動，同時試驗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軸承。

圖1　試驗臺照片

圖2　試驗止推軸承照片

圖2是試驗軸承照片，每個試驗瓦塊被獨立的GMA支承，并安裝一套瓦塊溫度測量裝置。通過閉環控制建立止推軸承的各個瓦塊溫度、承載載荷和油膜間隙之間的聯系。用溫度傳感器測量瓦塊的溫升，基于瓦塊的溫升和承載的載荷是單調關系，可以確定承受最大載荷的瓦塊，通過減小支承該瓦塊對應GMA的工作電流，減小該GMA的伸長量，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相應增加。形成的閉環控制系統可以使止推軸承各個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高的現象。

2軸承結構及試驗參數

試驗止推軸承由四個扇形瓦塊組成，瓦塊材料選用45鋼，厚度10 mm，表面鍍有1.5 mm的巴氏合金，并進行了拋光處理。每個試驗瓦塊上安裝一套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，內半徑42 mm；瓦塊采用球面支承結構，球面支承點位于瓦塊徑向的正中間，支承點的周向位置角為25.2°，支承球面半徑為5 mm。

GMA內的超磁致伸縮棒直徑10 mm、長度30 mm；纏繞線圈的匝數為3000；線圈采用銅漆包線，銅線直徑1.2 mm。

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

3跑合試驗

止推瓦塊依靠幾個零件裝配而成的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GMA的調節范圍。進行試驗前，試驗機需進行空載跑合，通過察看瓦塊表面的磨痕，判斷止推軸承的各個瓦塊的工作面是否在同一高度。

試驗機空載跑合試驗的轉速為300 r/min。工作一段時間后停機，拆開試驗機，看到瓦塊磨損情況如圖2所示，上方的1號瓦塊出現比較明顯的劃痕。由于試驗機豎直放置，所以試驗機自重主要由該瓦塊承載，這說明瓦塊1的支承高度過高，甚至和止推盤表面接觸，使瓦塊1表面出現了劃痕。此時需要對劃痕比較明顯的1號瓦塊進行研磨修配，直到空載試驗后所有瓦塊不出現明顯磨痕，試驗機跑合過程方可結束，此時瓦塊的工作表面在同一高度范圍。

4均載調節試驗

跑合試驗結束后，當潤滑油不循環時，進行GMA無調節、單瓦調節、多瓦手動和自動調節下的試驗，以驗證GMA止推油膜軸承的均載調節性能。試驗條件為，主軸轉速100～1400 r/min、載荷0～9800 N。

由于潤滑油不循環，止推盤攪油和摩擦生熱不能帶出，故整個系統在短期內很難達到熱平衡，試驗軸承的溫度一直處于上升狀態，導致每個瓦塊的溫度都是升高的。因此，利用瓦塊溫升曲線斜率來反映某時刻瓦塊承受載荷的相對變化情況，這比直接采用瓦塊溫度作為表征參數更直觀。以主軸轉速710 r/min、試驗載荷4900 N的條件為例，對試驗結果進行分析。

4.1試驗軸承正常工作驗證

當GMA不工作、在冷啟動20 s后施加推力載荷F=4900 N時，各個瓦塊的溫度隨時間變化的曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，加載前(運轉20 s內)，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無激勵電流瓦塊溫升曲線

試驗機剛啟動時，除轉子和止推盤自重外沒有外加載荷，轉子轉速也低，這種工況很難改變瓦塊的初始狀態。開機前瓦塊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來承載，瓦塊1和瓦塊4基本不承受什么載荷，這才出現剛開機時瓦塊2和瓦塊3的溫升較高、瓦塊1和瓦塊4溫度變化不大的現象。

加載的瞬時，瓦塊溫升曲線的斜率最大，說明瓦塊的溫升對承載載荷很敏感，也說明在止推盤和止推瓦塊之間形成了潤滑油膜。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。又由于各個瓦塊的溫升差別在2 ℃以內，說明各個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非常成功。

4.2單瓦載荷調節試驗

圖4是對支承瓦塊3的GMA施加2A的階躍電流，各個瓦塊的溫升隨時間的變化曲線,可以看出，瓦塊3施加階躍電流前，各個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施加激勵電流后各瓦塊溫升曲線

階躍電流施加前，試驗機已穩定工作，各個瓦塊承受的載荷基本相等，瓦塊的溫升主要由攪油發熱和摩擦生熱引起，各個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的對面，要保持整個止推盤平衡，載荷主要由瓦塊1和瓦塊3來承受，這也引起了瓦塊1溫升加快，導致了瓦塊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手動和自動控制均載調節試驗

圖5為手動和自動控制時瓦塊均載的溫升變化曲線。為防止出現倍頻現象，先給每個GMA施加2A的電流。0～10 min內進行手動控制，10～21 min內進行自動控制，21 min后卸載。從圖5中可以看出，通過閉環控制，各個瓦塊的溫升基本相同，說明各個瓦塊承受的載荷也基本一樣，各個瓦塊的油膜間隙基本相等，同時自動控制比手動控制對瓦塊的均載效果和溫度控制效果更好。

圖5　手動和自動控制瓦塊均載的溫升曲線

當潤滑油不循環時，GMA止推軸承試驗結果表明，可以用GMA控制止推軸承的油膜間隙、調節止推軸承內不同瓦塊的承載載荷，降低最大載荷瓦塊的溫升，使止推軸承的各個瓦塊受載均勻，從而解決止推軸承的偏載問題。

5結語

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

(2)用GMA調節油膜間隙，實現止推軸承推力瓦塊間的均載功能的方案經初步驗證是可行的，但要實現該止推軸承在工業上的應用，還需要展開進一步的研究工作。

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(編輯蘇衛國)

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

基金項目：國家自然科學基金-河南省人才培養聯合基金資助項目(U1404515)；鄭州輕工業學院骨干教師項目(2013000356)

中圖分類號：TH133.3

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

作者簡介：吳超，男，1978年生。鄭州輕工業學院機電工程學院副教授、博士。主要研究方向為潤滑理論與滑動軸承技術。發表論文20篇。王文，男，1968年生。上海大學軸承研究室副研究員、博士。