吳超，張建平，尹雪梅，王文

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南鄭州450002;2.河南師范大學(xué)新聯(lián)學(xué)院，河南鄭州451464;3.上海大學(xué)，上海 200072)

0 前言

由動(dòng)壓承載機(jī)制可知，油膜軸承的位置精度不高，通過(guò)控制油膜厚度和形狀可以改變油膜軸承的承載性能［1］。學(xué)者相繼提出了一些新型可控油膜軸承結(jié)構(gòu)，能改善油膜軸承的定位精度，提高所支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理上看，可控油膜軸承的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)有液壓系統(tǒng)、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(wèn)題是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制力和帶寬之間的矛盾。液壓系統(tǒng)反應(yīng)速度慢，電/磁流變液潤(rùn)滑材料性能不穩(wěn)定，所以應(yīng)用新興的功能材料是可控油膜軸承發(fā)展的新方向。

超磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)器 (GMA)，與常用的壓電材料、形狀記憶合金材料驅(qū)動(dòng)器相比，具有磁致伸縮應(yīng)變大、輸出力大、能量密度高、響應(yīng)速度快、可靠性高、頻帶寬、能源供應(yīng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在常態(tài)磁場(chǎng)下，GMA可以伸長(zhǎng)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(xué)者對(duì)其性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有高的位置精度和穩(wěn)定性［4］。文中就GMA油膜軸承的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)其下一步的研究工作進(jìn)行展望。

1 GMA可控油膜軸承工作原理

GMA可控油膜軸承結(jié)構(gòu)如圖1，由普通徑向油膜軸承、2個(gè)GMA和2個(gè)彈簧組成［5］。彈簧處于壓縮狀態(tài)，可以為GMA提供預(yù)應(yīng)力，改善GMA的力學(xué)性能，而且能保證軸承座和GMA時(shí)刻不分離。該軸承利用超磁致伸縮材料 (GMM)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的微位移和作用力控制軸承座的位置，通過(guò)油膜作用傳遞給轉(zhuǎn)子，起到反向調(diào)整轉(zhuǎn)子的靜態(tài)位置和抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)的功能。

圖1 GMA油膜軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 GMA結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及專用GMA特點(diǎn)

作為可控油膜軸承關(guān)鍵執(zhí)行部件的GMA已經(jīng)在超精密機(jī)床、機(jī)器人、航空與航天、流體機(jī)械以及石油與海洋工程等領(lǐng)域中成熟應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)主要有3種［6－8］，如圖 2—4。這些 GMA 一般具有 3個(gè)特點(diǎn):(1)為解決溫度變化給GMM帶來(lái)的渦流和磁滯損耗的影響，采用水循環(huán)裝置冷卻GMM，保證GMM附近的環(huán)境溫度保持不變;(2)為了避免GMA的倍頻現(xiàn)象出現(xiàn)，采用直流線圈或者永磁鐵產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，利用交流線圈產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)控制GMA的伸縮量;(3)為了提高GMM的伸縮特性和能量轉(zhuǎn)換率，常采用預(yù)壓彈簧產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，保證GMM棒材始終處于受壓狀態(tài)，具有良好的力學(xué)性能。

圖2 日本某進(jìn)給機(jī)構(gòu)中的GMA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 河北工業(yè)大學(xué)設(shè) 的GMA結(jié)構(gòu)

圖4 Maryland大學(xué)研制 出的GMA結(jié)構(gòu)

圖5 油膜軸承中專用 的GMA結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)現(xiàn)有GMA的結(jié)構(gòu)，結(jié)合軸承的工作環(huán)境，上海大學(xué)［9］設(shè)計(jì)了在油膜軸承中專用的GMA，結(jié)構(gòu)如圖5。在油膜間隙的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)中，必須保證GMA和滑動(dòng)軸承套不脫離，需要給軸承套施加預(yù)作用力，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，把GMA的預(yù)應(yīng)力裝置和軸承套的預(yù)應(yīng)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(lái)提供預(yù)應(yīng)力。

專用GMA不需永磁體裝置和冷卻裝置。通過(guò)改變偏置電流調(diào)節(jié)初磁場(chǎng)，該GMA能方便調(diào)整其靜態(tài)伸縮量，可以滿足不同載荷下油膜軸承靜平衡位置的調(diào)節(jié)。該方法產(chǎn)生的偏磁場(chǎng)與永磁體產(chǎn)生的偏磁場(chǎng)相比，易于構(gòu)成閉合磁路、產(chǎn)生的磁場(chǎng)更加均勻，這也能增加GMA的有效機(jī)－磁耦合系數(shù)。對(duì)于在軸承環(huán)境中使用的GMA，其溫度的影響利大于弊。在靜態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)，因線圈發(fā)熱溫度升高，磁致伸縮量增大，能擴(kuò)大靜態(tài)調(diào)節(jié)范圍，可以用溫度引起的伸長(zhǎng)位移來(lái)調(diào)整靜平衡位置。在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)，為避免倍頻現(xiàn)象發(fā)生，需要預(yù)先給GMA施加偏置電流，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電流與偏置電流相比較小，對(duì)于已達(dá)熱平衡的溫度場(chǎng)影響很小;同時(shí)，可以通過(guò)控制潤(rùn)滑油的流量，使GMM附近的溫度保持恒定，避免了溫升對(duì)GMA性能的影響。

3 GMA可控油膜軸承研究綜述及展望

根據(jù)設(shè)計(jì)的專用GMA，張娟等人［10］搭建了杠桿實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在常態(tài)磁場(chǎng)下該GMA能伸長(zhǎng)40 μm，滿足油膜間隙調(diào)整的需要。馬柯達(dá)等［11］在材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激勵(lì)電流頻率達(dá)到2 000 Hz時(shí)仍具有良好的頻響特性，說(shuō)明所研制的GMA滿足轉(zhuǎn)子減振頻率的需要。王晨等人［12］建立了該GMA的動(dòng)態(tài)理論模型，結(jié)合動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能測(cè)試結(jié)果，獲取了該GMA的場(chǎng)耦合系數(shù)d33、阻尼比ζ等動(dòng)特性參數(shù)。李寶福等［13］開發(fā)了 GMA的驅(qū)動(dòng)電源和控制算法。LAU等［14］搭建了GMA油膜軸承的測(cè)控系統(tǒng)，建立了傳遞函數(shù)，證實(shí)了GMA可以用來(lái)控制油膜軸承的間隙。這些研究為GMA在油膜軸承中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

吳超和王文等人［15－16］建立了 GMA 軸承－Jeffcott轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。納入GMA的機(jī)－磁耦合模型，編制了考慮基礎(chǔ)參振的滑動(dòng)軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能的計(jì)算程序，計(jì)算了軸心軌跡，考察了控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)不平衡振動(dòng)和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明選擇合適的控制參數(shù)，GMA軸承支承可以減小轉(zhuǎn)子的不平衡振動(dòng)，降低系統(tǒng)的半頻渦動(dòng)，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。P L WONG等［17］在用車床改裝的試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試了GMA油膜軸承的定心性能，試驗(yàn)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(dòng)軸承支承、另一端用GMA軸承支承的試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了調(diào)心試驗(yàn)。試驗(yàn)表明GMA油膜軸承能有效的把不同工況下轉(zhuǎn)子軸心的靜平衡位置調(diào)整到同一位置。梁爽等人［19］搭建了GMA軸承懸臂試驗(yàn)臺(tái)，更進(jìn)一步驗(yàn)證了該軸承支撐的轉(zhuǎn)子具有好的自動(dòng)調(diào)心功能和高的位置精度，定位精度能達(dá)到微米級(jí)。文獻(xiàn)［5］研究了GMA油膜軸承的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。結(jié)果表明該可控油膜軸承所支承的轉(zhuǎn)子的工頻振動(dòng)幅值大大降低，軸心動(dòng)態(tài)振動(dòng)軌跡明顯減小。

這些結(jié)果表明GMA油膜軸承具有很好的定心精度和穩(wěn)定性，具有良好的應(yīng)用前景，如高速磨床。但控制后，該軸承內(nèi)部容易形成氣穴、負(fù)壓，嚴(yán)重影響軸承的動(dòng)特性和承載能力，這關(guān)系到受控軸承所支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，具體體現(xiàn)在兩方面:(1)在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，通過(guò)GMA對(duì)油膜軸承的殼體進(jìn)行主動(dòng)控制，抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)，容易形成動(dòng)態(tài)氣穴和負(fù)壓，轉(zhuǎn)子也易傾斜，對(duì)油膜軸承的動(dòng)特性影響很大，甚至?xí){到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的安全運(yùn)行;(2)該軸承作為支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高速時(shí)的穩(wěn)定性如何，是該系統(tǒng)能否應(yīng)用的關(guān)鍵所在。這些方面需要進(jìn)一步探討，也需要從對(duì)可控油膜軸承的研究擴(kuò)展到整個(gè)可控軸承－轉(zhuǎn)子－執(zhí)行器系統(tǒng)，進(jìn)一步考察其在高速時(shí)的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

GMA油膜軸承具有一些優(yōu)點(diǎn)，但要想在工業(yè)上應(yīng)用，應(yīng)針對(duì)存在的問(wèn)題，還需要進(jìn)行如下工作:建立存在動(dòng)態(tài)氣穴和負(fù)壓的油膜力模型，利用數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)手段研究這種新穎軸承的動(dòng)、靜態(tài)特性;建立軸承－轉(zhuǎn)子－執(zhí)行器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，考察GMA參數(shù)、負(fù)壓效應(yīng)、氣穴效應(yīng)對(duì)軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高速穩(wěn)定性的影響;采用基于現(xiàn)代控制理論的各種方法，建立該軸承所支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。這些研究可為GMA油膜軸承在高速高精度旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為提高我國(guó)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的精加工能力貢獻(xiàn)力量。

［1］張直明，張言羊，謝友柏.滑動(dòng)軸承的流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論［M］.北京:高等教育出版社，1986.

［2］吳超，楊春燕，吳溢華，等.主動(dòng)可控的徑向油膜軸承研究綜述［J］.潤(rùn)滑與密封，2009(8):111－113.

［3］劉慧芳，賈振元.超磁致伸縮材料力傳感執(zhí)行器關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014(4):69.

［4］李寶福，王文，王晨，等.可控徑向油膜軸承:中國(guó)，200910050367［P］.2009.

［5］吳超.具有主動(dòng)控制功能的油膜軸承研究［D］.上海:上海大學(xué)，2008.

［6］朱玉川，徐鴻翔，陳龍，等.基于雙曲正切函數(shù)磁滯算子的超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)Preisach模型［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014(6):165－170.

［7］鄭加駒，王洪禮，曹淑瑛.超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)磁滯模型［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008(7):38－44.

［8］翁玲，曹淑瑛，王博文，等.超磁致伸縮致動(dòng)器控制系統(tǒng)的建模與仿真［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(5):27－30.

［9］廖凱，梁爽，王文.基于永磁偏置的油膜軸承專用GMA研究［J］.機(jī)械制造，2011(8):41－44.

［10］張娟，吳超，王文.微位移驅(qū)動(dòng)器在止推油膜軸承中的應(yīng)用［J］.潤(rùn)滑與密封，2007(4):76－78.

［11］馬柯達(dá)，吳超，付亞琴，等.應(yīng)用于主動(dòng)控制油膜軸承的超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2009(1):36－39.

［12］王晨，曹珍，粱爽，等.油膜軸承專用GMM激勵(lì)器動(dòng)態(tài)性能研究［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2010(2):5－7.

［13］王琦，李寶福，徐青青.超磁致伸縮執(zhí)行器線性驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2009(8):25－27.

［14］LAU H Y，LIU K P，WANG W，et al.Feasibility of Using GMM Based Actuators in Active Control of Journal Bearing System［C］.World Congress on Engineering 2009，London，U.K.，1－3 July，2009:1493－1498

［15］吳超，張永宇，紀(jì)蓮清，等.GMA可控油膜軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)的理論研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2009(9):47－50.

［16］FANG Z M，LI Z，WANG W.Smart Journal Bearing Using Gaint Magnetostrictive Actuators［C］.Proceedings of International Conference on Advances in Tribology and Engineering Systems 2013，Ahmedabad，India，October，2013:381－390.

［17］LAU H Y，LIU K P，WONG P L，et al.A New Design of Smart Journal Bearing Based on GMM Actuators［J］.Industrial Lubrication and Tribology，2012，64(3):147－151.

［18］吳超，崔曉康，王文，等.GMA可控油膜軸承的靜態(tài)試驗(yàn)研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2009(12):22－26.

［19］梁爽，廖凱，王文.基于GMA的可控油膜軸承試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(1):120－122.