吳　超　尹雪梅　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油膜軸承動態(tài)控制軸心軌跡的試驗研究

吳超1尹雪梅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)動器(GMA)的油膜軸承試驗臺的工作原理，完成了GMA油膜軸承所支撐轉(zhuǎn)子的軸心軌跡動態(tài)控制試驗。試驗結(jié)果表明，選擇合適的控制電流和相位差后，該油膜軸承能夠動態(tài)抑制所支撐轉(zhuǎn)子的工頻振動，明顯縮小所支撐轉(zhuǎn)子的軸心運動軌跡；對于某控制電流，存在一個能使系統(tǒng)的工頻振動幅值最小的最佳相位差；隨著控制電流的增大，最佳相位差有增加的趨勢。試驗結(jié)果證實了GMA油膜軸承具有強(qiáng)的軸心軌跡控制功能，能夠抑制所支撐轉(zhuǎn)子的振動，具有高的位置精度和旋轉(zhuǎn)精度。

關(guān)鍵詞：油膜軸承；超磁致伸縮驅(qū)動器；軸心軌跡；動態(tài)試驗；振動控制

0引言

由動壓承載機(jī)理可知，油膜軸承的旋轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性不高。為解決這個問題，一些學(xué)者相繼提出了擠壓油膜軸承[1]、柔性軸套軸承[2]、可變阻抗滑動軸承[3]和主動可傾瓦軸承[4]等新型可控滑動軸承結(jié)構(gòu)。以上可控油膜軸承的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)反應(yīng)速度慢，很難適應(yīng)油膜軸承高速發(fā)展的要求。隨著新材料的研究深入，學(xué)者發(fā)現(xiàn)超磁致伸縮材料(gaint magnetostrictive material, GMM)[5]、壓電陶瓷材料[6]等在變化的磁場或者電場內(nèi)能夠伸長或者縮短。李寶福等[7]設(shè)計出利用GMM在可變磁場下的微位移伸縮來控制軸承座的位置，并通過潤滑油膜作用來抑制轉(zhuǎn)子振動的新型可控油膜軸承。該新型軸承被稱為超磁致伸縮驅(qū)動器(gaint magnitostrictive actuator, GMA)油膜軸承。

文獻(xiàn)[8-9]設(shè)計了油膜軸承控制中專用的GMA，從理論和試驗證明該GMA在常態(tài)磁場下能伸長40 μm，在2000 Hz的驅(qū)動電壓下具有良好的動態(tài)響應(yīng)，能夠滿足調(diào)整油膜間隙和控制轉(zhuǎn)子振動頻率的需要。文獻(xiàn)[10-11]對這種GMA可控油膜軸承進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)該軸承能明顯減小系統(tǒng)的不平衡振動，還能減少系統(tǒng)的半頻渦動，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Lau等[12]搭建了GMA油膜軸承的測試和控制系統(tǒng)，建立了其傳遞函數(shù)。Lau等[13]在用車床改裝的試驗臺上驗證了GMA油膜軸承的定心性能。文獻(xiàn)[14-15]分別搭建了試驗臺，研究了GMA油膜軸承的靜態(tài)特性，但沒有涉及該軸承的動態(tài)性能。

本文就GMA油膜軸承動態(tài)控制轉(zhuǎn)子的軸心軌跡進(jìn)行研究，搭建了GMA油膜軸承試驗臺，進(jìn)行了不同工況下的GMA油膜軸承動態(tài)工頻振動試驗，研究了控制參數(shù)對軸心工頻振動幅值的影響。試驗結(jié)果表明，選擇合適的控制參數(shù)能減少GMA油膜軸承所支撐轉(zhuǎn)子的振動，能夠定性驗證文獻(xiàn)[10]計算結(jié)果的正確性。

1試驗臺結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，試驗臺一端采用GMA油膜軸承支承，另一端采用高精度角接觸球軸承支承，試驗臺中間為徑向液壓缸加載裝置。滾動軸承旋轉(zhuǎn)精度高，能起到定心作用，滾動軸承端位置渦動相對滑動軸承端非常小，可忽略。

1.示波器　2.傳感器　3.傳感器電源　4.GMA電流源5.部分油路　6.試驗可控軸承　7.液壓加載支架8.滾動軸承支承　9.聯(lián)軸器　10.電主軸　11.變頻器圖1　試驗臺的照片

1.調(diào)整螺釘　2.下軸承座　3.軸承套　4.碟形彈簧5.加載螺母　6.進(jìn)油孔　7.上軸承座　8.傳感器位置9.電線孔　10.GMA圖2　GMA油膜軸承支承的結(jié)構(gòu)簡圖

GMA油膜軸承支承結(jié)構(gòu)如圖2所示。該支承主要由滑動軸承套、上下軸承座、2個GMA、碟形彈簧預(yù)應(yīng)力裝置、調(diào)整螺釘和刻度盤組成。其中，GMA和碟形彈簧預(yù)應(yīng)力裝置相對安裝，滑動軸承套位于兩者之間。碟形彈簧一直處于壓縮狀態(tài)，同時滑動軸承的油膜剛度大于蝶形彈簧的剛度，小于GMA的等效剛度；在用GMA調(diào)節(jié)軸承座的過程中，軸承套始終具有2個方向的自由度，能夠保證GMA和滑動軸承套始終不分離，使GMA產(chǎn)生的微位移可以精確傳給滑動軸承套，并給GMA提供適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力。同時，通過刻度盤可以讀出加載螺母旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，精確計算出蝶形彈簧給GMA施加的預(yù)應(yīng)力。為避免GMA的線圈發(fā)熱，利用潤滑油進(jìn)行冷卻。潤滑油在進(jìn)入滑動軸承支承前分成兩路：一路通過預(yù)應(yīng)力裝置中的油孔給滑動軸承提供充足的潤滑油，用來形成動壓潤滑油膜；另一路通過軸承座內(nèi)的油孔流向GMA區(qū)域，帶走GMA線圈產(chǎn)生的熱，減小GMA的溫升，有利于GMA對軸承座位置的精確控制。

2個渦流位移傳感器互相垂直安裝在滑動軸承套靠近轉(zhuǎn)子的一側(cè)，用來測量軸徑中心的絕對軌跡，并作為反饋信號控制GMA輸入電流的大小。為了控制的需要，在實驗臺上安裝光電傳感器來捕捉轉(zhuǎn)子的相位信息。位移傳感器安裝位置如圖3所示。

圖3　傳感器安裝位置圖

2試驗條件和方法

試驗條件：試驗軸承為360°圓柱滑動軸承，材料為45鋼，內(nèi)表面鍍1.5 mm巴氏合金，軸承的直徑D=20 mm，寬度B=20 mm，半徑間隙c=20 μm；進(jìn)油孔和進(jìn)油槽開在軸承套的中間正上方，進(jìn)油孔直徑為5 mm，油槽寬度、長度分別為6 mm和12 mm；角接觸滾動軸承型號為7104C/P4；實驗室溫度T=10 ℃；潤滑油為46#汽輪機(jī)油，密度ρ=875 kg/m3，比熱容Cp=2000 J/(kg·K)；GMA中超磁致伸縮棒直徑為10 mm，長度為30 mm，纏繞線圈3000匝。

試驗方法：通過閉環(huán)控制動態(tài)調(diào)整GMA線圈的電流，控制在不同試驗條件下轉(zhuǎn)子軸心動態(tài)軌跡。

3試驗結(jié)果分析

滑動軸承支承轉(zhuǎn)子的振動控制效果可以在時域上通過軸心軌跡渦動的大小來判斷，也可以在頻域上根據(jù)各頻域成分的振幅大小判斷。本試驗用這2種方法來判斷軸心軌跡的動態(tài)控制試驗結(jié)果。為控制方便，試驗時，只給豎直方向的GMA施加工頻控制電流，來抑制轉(zhuǎn)子的工頻振動。本文試驗是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率5～60 Hz、輕載條件下進(jìn)行的。試驗中所施加的偏置電流、激勵電流和相位差如表1所示。

表1　豎直方向上所施加的控制參數(shù)

(b)控制后的軸心軌跡

(c)FFT分析結(jié)果對比圖4　控制前后的軸心軌跡和FFT曲線(f=28.3 Hz)

圖4、圖5所示為載荷為49 N、轉(zhuǎn)子頻率分別為28.3 Hz和46.3 Hz的工頻振動控制結(jié)果。從圖4、圖5中的軸心軌跡圖可看出，控制后軸心渦動減小。從圖4c、圖5c可以看出，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工頻振動幅值減小了將近一半(第一個峰值對比)，倍頻振動幾乎未發(fā)生變化(第二個峰值對比)。試驗結(jié)果說明，當(dāng)給GMA施加工頻激勵電流時，GMA油膜軸承所支承轉(zhuǎn)子的工頻振動和軸心軌跡均明顯減小，這與文獻(xiàn)[10-11]的理論計算結(jié)果基本一致。

(a)不控制的軸心軌跡

(b)控制后的軸心軌跡

(c)FFT分析結(jié)果對比圖5　控制前后的軸心軌跡和FFT曲線(f=46.3 Hz)

圖6所示為轉(zhuǎn)子頻率為37.4 Hz(轉(zhuǎn)速為2240 r/min)的工頻振動控制結(jié)果。本次試驗結(jié)果給出了不施加控制、正確控制和錯誤控制(控制相位差為360°)的軸心軌跡以及頻譜分析圖。從圖6可以看出，給GMA施加工頻電流激勵時，選擇合適的控制參數(shù)(GMA施加的控制電流幅值和相位差)可以減小系統(tǒng)的工頻振動以及軸心軌跡。如果控制參數(shù)選擇不當(dāng)，系統(tǒng)的工頻振動和軸心軌跡不但得不到控制，反而會增大。

(a)不控制的軸心軌跡

(b)正確控制的軸心軌跡

(c)錯誤控制的軸心軌跡

(d)FFT分析結(jié)果對比圖6　不同控制條件下的軸心軌跡和FFT曲線(f=37.4 Hz)

圖7所示為轉(zhuǎn)子頻率分別為28.3 Hz和46.3 Hz(轉(zhuǎn)速分別為1700 r/min和2780 r/min)時，系統(tǒng)工頻振動的量綱一振幅隨控制電流I和相位差φ的變化曲線。從圖7可看出：對于某一個控制電流，存在一個最佳相位差，使GMA軸承所支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工頻振幅最小；隨著控制電流的增大，所對應(yīng)的最佳相位差有增大的趨勢。這與文獻(xiàn)[10]的理論計算結(jié)果基本一致。

(a)f=28.3 Hz

(b)f=46.3 Hz圖7　不同控制電流下的系統(tǒng)工頻振動(f=28.3 Hz，46.3 Hz)

試驗結(jié)果表明，GMA油膜軸承能夠動態(tài)控制所支撐轉(zhuǎn)子的軸心軌跡，抑制轉(zhuǎn)子的工頻振動；對不同的工況，都存在一組最佳的控制參數(shù)使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工頻振動最小，但對轉(zhuǎn)子的倍頻振動控制效果不明顯。

4結(jié)論

(1)GMA油膜軸承是一種新型可控油膜軸承。該軸承能夠縮小所支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心軌跡，能夠減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工頻振動。

(2)存在最佳的控制參數(shù)使GMA油膜軸承所支撐轉(zhuǎn)子的振動最?。浑S著控制電流的增大，最佳相位差有增加的趨勢。

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(編輯張洋)

Testing Research of Rotor Center Trajectory of Oil-film Bearing with GMA under Dynamic Control

Wu Chao1Yin Xuemei2Wang Wen3

1.Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002 2.Shanghai University，Shanghai，200072

Abstract：The principles of the testing rig supported by controllable oil-film bearing based on GMA were introduced. Dynamic experiments on rotor center trajectory by use of the controllable bearing were completed, whose results show that, if the appropriate control current and phase difference are adopted and imposed on GMA, the controllable hydrodynamic bearing can restrain the vibration value of rotor working frequency dynamically, and reduce obviously rotor center trajectory. Testing results also show that, for a certain control current, there is an optimal value of phase difference which can minimize the vibration amplitude of rotor working frequency; the optimal value of phase difference has a tendency to become bigger with the increase of control current. It is proved that the controllable journal hydrodynamic bearing with GMA has the strong ability to dynamically control the rotor-center locus and reduces the vibration of the rotor supported by the controllable bearing, with outstanding position and rotation precision.

Key words：oil-film bearing; gaint magnetostrictive actuator(GMA); rotor center trajectory; dynamic testing; vibration control

收稿日期：2015-01-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金-河南人才培養(yǎng)聯(lián)合基金資助項目(U1404515) ；鄭州輕工業(yè)學(xué)院骨干教師資助項目(2013000356)

中圖分類號：TH133.3

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.01.007

作者簡介：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。主要研究方向為潤滑理論與滑動軸承技術(shù)。發(fā)表論文20篇。尹雪梅，女，1979年生。鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院副教授、博士。王文，男，1968年生。上海大學(xué)軸承研究室副研究員、博士。