GMA止推油膜轴承瓦块均载调整试验研究

吴　超　王　文

1.郑州轻工业学院，郑州，450002　　2.上海大学，上海，200072

GMA止推油膜轴承瓦块均载调整试验研究

吴超1王文2

1.郑州轻工业学院，郑州，4500022.上海大学，上海，200072

摘要：介绍了一种基于超磁致伸缩驱动器(GMA)的止推油膜轴承的结构和工作原理，搭建了GMA止推油膜轴承试验台，进行了止推油膜轴承的跑合试验、单瓦载荷调节试验以及手动和自动均载调节试验。该轴承以瓦块的温度作为反馈信号，改变GMA的伸长量可控制止推瓦块的油膜间隙，使同一止推轴承的不同瓦块承受载荷尽量均匀，能够防止止推轴承偏载现象发生，避免止推油膜轴承由于偏载引起的局部高温。试验结果表明，利用GMA调节止推轴承的油膜间隙、实现止推瓦块的均载方案是可行的。

关键词：止推油膜轴承；超磁致伸缩驱动器；温升；均载

0引言

引起止推油膜轴承不同瓦块的油膜间隙相差比较大的原因主要有两个[1]：由于制造和安装误差，很难做到各瓦块的工作面在同一平面上；在工作时转子存在弯曲变形，导致止推盘倾斜。止推轴承瓦块间隙的变化对承载载荷影响非常大，容易发生偏载现象，引起轴承局部瓦块温度升高而不能正常工作[2-3]。Kingsbury公司提出了均载止推轴承，利用杠杆原理巧妙地解决了止推轴承的偏载问题[4]，但该轴承采用被动的机械调节机构，接触点易磨损，也不能根据工况主动调节止推瓦块与止推盘间的油膜间隙。吴超等[5]研究了止推瓦块的油膜间隙、承载载荷和温升的关系，发现它们之间是单调函数关系，能够通过改变油膜间隙控制单个瓦块的承载载荷，限制轴承的温度升高。文献[6-8]对超磁致伸缩驱动器(gaint magnetostrictive actuator， GMA)(超磁致伸缩棒的直径为10 mm、长度为30 mm)的研究发现，在常规磁场强度下GMA能够伸长40 μm，这与止推油膜轴承的间隙在同一数量级；文献[9-10]提出利用GMA主动调节止推轴承的油膜间隙，尝试解决瓦块的偏载问题。

为了验证GMA止推油膜轴承的工作原理，本文搭建试验台，模拟该轴承在不同工况下的运行情况，测量各止推瓦块的温升，利用控制程序判断承受最大载荷的瓦块，通过闭环控制系统减小支承该瓦块的GMA电流，降低该瓦块的支承高度，减小该瓦块承受的载荷，使止推轴承各瓦块承受的载荷基本相同，避免轴承偏载现象发生。

1GMA止推油膜轴承试验台

GMA止推轴承试验台如图1所示。试验台上部是液压加载装置，中间是驱动装置，下部是试验轴承。这样布置可以提高轴的弯曲刚度，减小因皮带振动引起的轴的振动。为了便于调整止推瓦块的初始位置以及避开复杂的动态密封结构，把止推瓦块、GMA和油箱放在最下部。载荷通过止推滚动轴承加载到竖直旋转轴上，这是因为滚动轴承能够进行微小滑动，同时试验轴承的油膜刚度大于蝶形弹簧的刚度，可以确保载荷完全施加给试验轴承。

图1　试验台照片

图2　试验止推轴承照片

图2是试验轴承照片，每个试验瓦块被独立的GMA支承，并安装一套瓦块温度测量装置。通过闭环控制建立止推轴承的各个瓦块温度、承载载荷和油膜间隙之间的联系。用温度传感器测量瓦块的温升，基于瓦块的温升和承载的载荷是单调关系，可以确定承受最大载荷的瓦块，通过减小支承该瓦块对应GMA的工作电流，减小该GMA的伸长量，降低该瓦块的支承高度，从而减小其受载，而其他瓦块的载荷会相应增加。形成的闭环控制系统可以使止推轴承各个瓦块所承受的载荷基本相等，避免了由于偏载所引起的止推轴承局部温度过高的现象。

2轴承结构及试验参数

试验止推轴承由四个扇形瓦块组成，瓦块材料选用45钢，厚度10 mm，表面镀有1.5 mm的巴氏合金，并进行了抛光处理。每个试验瓦块上安装一套PT100铂电阻温度传感器，传感器处于瓦块厚度的中间位置，传感器一端位于周向位置角0°、径向半径73 mm处；另一端(感温端)位于周向位置角40°、径向半径96 mm的位置。

瓦块张角β=45°，外半径104 mm，内半径42 mm；瓦块采用球面支承结构，球面支承点位于瓦块径向的正中间，支承点的周向位置角为25.2°，支承球面半径为5 mm。

GMA内的超磁致伸缩棒直径10 mm、长度30 mm；缠绕线圈的匝数为3000；线圈采用铜漆包线，铜线直径1.2 mm。

试验所用润滑油密度ρ=875 kg/m3，比定压热容cp=2000 J/(kg·K)，40 ℃下的黏度为0.028 Pa·s，试验室温度10 ℃。

3跑合试验

止推瓦块依靠几个零件装配而成的GMA支承[11-13]，由于存在制造和装配误差，使得不同瓦块的工作面并不一定在同一高度上，在竖直方向上可能相差上百微米，超过GMA的调节范围。进行试验前，试验机需进行空载跑合，通过察看瓦块表面的磨痕，判断止推轴承的各个瓦块的工作面是否在同一高度。

试验机空载跑合试验的转速为300 r/min。工作一段时间后停机，拆开试验机，看到瓦块磨损情况如图2所示，上方的1号瓦块出现比较明显的划痕。由于试验机竖直放置，所以试验机自重主要由该瓦块承载，这说明瓦块1的支承高度过高，甚至和止推盘表面接触，使瓦块1表面出现了划痕。此时需要对划痕比较明显的1号瓦块进行研磨修配，直到空载试验后所有瓦块不出现明显磨痕，试验机跑合过程方可结束，此时瓦块的工作表面在同一高度范围。

4均载调节试验

跑合试验结束后，当润滑油不循环时，进行GMA无调节、单瓦调节、多瓦手动和自动调节下的试验，以验证GMA止推油膜轴承的均载调节性能。试验条件为，主轴转速100～1400 r/min、载荷0～9800 N。

由于润滑油不循环，止推盘搅油和摩擦生热不能带出，故整个系统在短期内很难达到热平衡，试验轴承的温度一直处于上升状态，导致每个瓦块的温度都是升高的。因此，利用瓦块温升曲线斜率来反映某时刻瓦块承受载荷的相对变化情况，这比直接采用瓦块温度作为表征参数更直观。以主轴转速710 r/min、试验载荷4900 N的条件为例，对试验结果进行分析。

4.1试验轴承正常工作验证

当GMA不工作、在冷启动20 s后施加推力载荷F=4900 N时，各个瓦块的温度随时间变化的曲线如图3所示。从图3中可以看出，加载前(运转20 s内)，瓦块2和瓦块3的温升比瓦块1和瓦块4的高；加载后，瓦块1和瓦块4的温度上升更快，最后瓦块4的温度最高。

图3　GMA无激励电流瓦块温升曲线

试验机刚启动时，除转子和止推盘自重外没有外加载荷，转子转速也低，这种工况很难改变瓦块的初始状态。开机前瓦块2和瓦块3的摆角可能较大，止推盘的自重完全由瓦块2和瓦块3来承载，瓦块1和瓦块4基本不承受什么载荷，这才出现刚开机时瓦块2和瓦块3的温升较高、瓦块1和瓦块4温度变化不大的现象。

加载的瞬时，瓦块温升曲线的斜率最大，说明瓦块的温升对承载载荷很敏感，也说明在止推盘和止推瓦块之间形成了润滑油膜。加载几分钟后，瓦块4的温度最高，瓦块1的温度最低，说明瓦块4承受的载荷最大，瓦块1承受的载荷最小。又由于各个瓦块的温升差别在2 ℃以内，说明各个瓦块承受的载荷和油膜间隙基本相等，这也证明了跑合研磨试验非常成功。

4.2单瓦载荷调节试验

图4是对支承瓦块3的GMA施加2A的阶跃电流，各个瓦块的温升随时间的变化曲线,可以看出，瓦块3施加阶跃电流前，各个瓦块的温升曲线的斜率基本相等；施加阶跃电流后，瓦块3的温升曲线的曲率明显增大，瓦块2的温升曲线的曲率明显减小。

图4　支承瓦块3的GMA施加激励电流后各瓦块温升曲线

阶跃电流施加前，试验机已稳定工作，各个瓦块承受的载荷基本相等，瓦块的温升主要由搅油发热和摩擦生热引起，各个瓦块的温升曲线基本平行。

施加阶跃电流后，瓦块3的支承高度增大，该瓦块的油膜间隙减小，其承受的载荷增大，温度升高较快，所以瓦块3的温升曲线斜率最大。又由于瓦块2和瓦块4在瓦块3的两边，瓦块1安装在瓦块3的对面，要保持整个止推盘平衡，载荷主要由瓦块1和瓦块3来承受，这也引起了瓦块1温升加快，导致了瓦块1温升曲线的斜率增大，瓦块2和瓦块4的温升曲线斜率减小。

4.3手动和自动控制均载调节试验

图5为手动和自动控制时瓦块均载的温升变化曲线。为防止出现倍频现象，先给每个GMA施加2A的电流。0～10 min内进行手动控制，10～21 min内进行自动控制，21 min后卸载。从图5中可以看出，通过闭环控制，各个瓦块的温升基本相同，说明各个瓦块承受的载荷也基本一样，各个瓦块的油膜间隙基本相等，同时自动控制比手动控制对瓦块的均载效果和温度控制效果更好。

图5　手动和自动控制瓦块均载的温升曲线

当润滑油不循环时，GMA止推轴承试验结果表明，可以用GMA控制止推轴承的油膜间隙、调节止推轴承内不同瓦块的承载载荷，降低最大载荷瓦块的温升，使止推轴承的各个瓦块受载均匀，从而解决止推轴承的偏载问题。

5结语

(1)GMA止推油膜轴承以瓦块的最高温度作为反馈信号，控制支承瓦块的GMA的伸长量，改变止推瓦块的油膜间隙，使各个瓦块承受的载荷均匀，能够防止止推轴承局部温升过高。

(2)用GMA调节油膜间隙，实现止推轴承推力瓦块间的均载功能的方案经初步验证是可行的，但要实现该止推轴承在工业上的应用，还需要展开进一步的研究工作。

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(编辑苏卫国)

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

基金项目：国家自然科学基金-河南省人才培养联合基金资助项目(U1404515)；郑州轻工业学院骨干教师项目(2013000356)

中图分类号：TH133.3

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

作者简介：吴超，男，1978年生。郑州轻工业学院机电工程学院副教授、博士。主要研究方向为润滑理论与滑动轴承技术。发表论文20篇。王文，男，1968年生。上海大学轴承研究室副研究员、博士。