GMA可控油膜轴承研究进展

吴超，张建平，尹雪梅，王文

(1.郑州轻工业学院，河南郑州450002;2.河南师范大学新联学院，河南郑州451464;3.上海大学，上海 200072)

0 前言

由动压承载机制可知，油膜轴承的位置精度不高，通过控制油膜厚度和形状可以改变油膜轴承的承载性能［1］。学者相继提出了一些新型可控油膜轴承结构，能改善油膜轴承的定位精度，提高所支承转子系统的稳定性。从执行机构的工作原理上看，可控油膜轴承的控制执行机构有液压系统、电/磁流变新兴流体和新型功能材料［2］。目前可控油膜轴承最突出的问题是执行机构的控制力和带宽之间的矛盾。液压系统反应速度慢，电/磁流变液润滑材料性能不稳定，所以应用新兴的功能材料是可控油膜轴承发展的新方向。

超磁致伸缩材料驱动器 (GMA)，与常用的压电材料、形状记忆合金材料驱动器相比，具有磁致伸缩应变大、输出力大、能量密度高、响应速度快、可靠性高、频带宽、能源供应简单等特点。在常态磁场下，GMA可以伸长几十微米，非常适合用于油膜轴承间隙的控制［3］。自从 GMA可控油膜轴承提出之后，一些学者对其性能进行了研究，发现其具有高的位置精度和稳定性［4］。文中就GMA油膜轴承的研究现状进行总结，并对其下一步的研究工作进行展望。

1 GMA可控油膜轴承工作原理

GMA可控油膜轴承结构如图1，由普通径向油膜轴承、2个GMA和2个弹簧组成［5］。弹簧处于压缩状态，可以为GMA提供预应力，改善GMA的力学性能，而且能保证轴承座和GMA时刻不分离。该轴承利用超磁致伸缩材料 (GMM)在磁场中产生的微位移和作用力控制轴承座的位置，通过油膜作用传递给转子，起到反向调整转子的静态位置和抑制转子振动的功能。

图1 GMA油膜轴承结构简图

2 GMA结构研究现状及专用GMA特点

作为可控油膜轴承关键执行部件的GMA已经在超精密机床、机器人、航空与航天、流体机械以及石油与海洋工程等领域中成熟应用，其结构主要有3种［6－8］，如图 2—4。这些 GMA 一般具有 3个特点:(1)为解决温度变化给GMM带来的涡流和磁滞损耗的影响，采用水循环装置冷却GMM，保证GMM附近的环境温度保持不变;(2)为了避免GMA的倍频现象出现，采用直流线圈或者永磁铁产生偏置磁场，利用交流线圈产生激励磁场控制GMA的伸缩量;(3)为了提高GMM的伸缩特性和能量转换率，常采用预压弹簧产生预应力，保证GMM棒材始终处于受压状态，具有良好的力学性能。

图2 日本某进给机构中的GMA结构简图

图3 河北工业大学设 的GMA结构

图4 Maryland大学研制 出的GMA结构

图5 油膜轴承中专用 的GMA结构图

根据现有GMA的结构，结合轴承的工作环境，上海大学［9］设计了在油膜轴承中专用的GMA，结构如图5。在油膜间隙的动态调节中，必须保证GMA和滑动轴承套不脱离，需要给轴承套施加预作用力，为简化设计，把GMA的预应力装置和轴承套的预应力装置合二为一做在轴承座上，用蝶形弹簧或者模具弹簧来提供预应力。

专用GMA不需永磁体装置和冷却装置。通过改变偏置电流调节初磁场，该GMA能方便调整其静态伸缩量，可以满足不同载荷下油膜轴承静平衡位置的调节。该方法产生的偏磁场与永磁体产生的偏磁场相比，易于构成闭合磁路、产生的磁场更加均匀，这也能增加GMA的有效机－磁耦合系数。对于在轴承环境中使用的GMA，其温度的影响利大于弊。在静态调节时，因线圈发热温度升高，磁致伸缩量增大，能扩大静态调节范围，可以用温度引起的伸长位移来调整静平衡位置。在动态调节时，为避免倍频现象发生，需要预先给GMA施加偏置电流，然后进行动态调节，动态调节电流与偏置电流相比较小，对于已达热平衡的温度场影响很小;同时，可以通过控制润滑油的流量，使GMM附近的温度保持恒定，避免了温升对GMA性能的影响。

3 GMA可控油膜轴承研究综述及展望

根据设计的专用GMA，张娟等人［10］搭建了杠杆实验装置，对其进行了静态实验，发现在常态磁场下该GMA能伸长40 μm，满足油膜间隙调整的需要。马柯达等［11］在材料试验机上对其动态性能进行了试验，发现激励电流频率达到2 000 Hz时仍具有良好的频响特性，说明所研制的GMA满足转子减振频率的需要。王晨等人［12］建立了该GMA的动态理论模型，结合动态响应性能测试结果，获取了该GMA的场耦合系数d33、阻尼比ζ等动特性参数。李宝福等［13］开发了 GMA的驱动电源和控制算法。LAU等［14］搭建了GMA油膜轴承的测控系统，建立了传递函数，证实了GMA可以用来控制油膜轴承的间隙。这些研究为GMA在油膜轴承中的应用打下了基础。

吴超和王文等人［15－16］建立了 GMA 轴承－Jeffcott转子系统的动力学模型。纳入GMA的机－磁耦合模型，编制了考虑基础参振的滑动轴承－转子系统性能的计算程序，计算了轴心轨迹，考察了控制参数对系统不平衡振动和稳定性的影响。结果表明选择合适的控制参数，GMA轴承支承可以减小转子的不平衡振动，降低系统的半频涡动，大大提高系统的稳定性。P L WONG等［17］在用车床改装的试验台上测试了GMA油膜轴承的定心性能，试验表明该轴承能保持车床轴心位置始终不变。吴超等人［18］搭建了一端用角接触滚动轴承支承、另一端用GMA轴承支承的试验台，进行了调心试验。试验表明GMA油膜轴承能有效的把不同工况下转子轴心的静平衡位置调整到同一位置。梁爽等人［19］搭建了GMA轴承悬臂试验台，更进一步验证了该轴承支撑的转子具有好的自动调心功能和高的位置精度，定位精度能达到微米级。文献［5］研究了GMA油膜轴承的动态试验。结果表明该可控油膜轴承所支承的转子的工频振动幅值大大降低，轴心动态振动轨迹明显减小。

这些结果表明GMA油膜轴承具有很好的定心精度和稳定性，具有良好的应用前景，如高速磨床。但控制后，该轴承内部容易形成气穴、负压，严重影响轴承的动特性和承载能力，这关系到受控轴承所支承转子系统的稳定性与安全性，具体体现在两方面:(1)在高速旋转的情况下，通过GMA对油膜轴承的壳体进行主动控制，抑制转子振动，容易形成动态气穴和负压，转子也易倾斜，对油膜轴承的动特性影响很大，甚至会威胁到转子系统的安全运行;(2)该轴承作为支承的转子系统在高速时的稳定性如何，是该系统能否应用的关键所在。这些方面需要进一步探讨，也需要从对可控油膜轴承的研究扩展到整个可控轴承－转子－执行器系统，进一步考察其在高速时的性能。

4 结束语

GMA油膜轴承具有一些优点，但要想在工业上应用，应针对存在的问题，还需要进行如下工作:建立存在动态气穴和负压的油膜力模型，利用数值模拟方法和试验手段研究这种新颖轴承的动、静态特性;建立轴承－转子－执行器系统的动力学方程，考察GMA参数、负压效应、气穴效应对轴承－转子系统高速稳定性的影响;采用基于现代控制理论的各种方法，建立该轴承所支撑转子系统的稳定性判据。这些研究可为GMA油膜轴承在高速高精度旋转机械中的应用打下坚实基础，也为提高我国旋转机械的精加工能力贡献力量。

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