滑動軸承在大型裝備中的應用現狀及發(fā)展趨勢

李 銀

（貴州航天計量測試技術研究所，貴州 貴陽 550000）

0 引言

隨著我國制造水平的不斷提升，旋轉機械也向著更高速度、更加平穩(wěn)的方向飛速發(fā)展。定軸轉動機械在各行各業(yè)中應用廣泛，而轉子軸承系統是旋轉機械最核心部件，轉子軸承系統的正常穩(wěn)定且安全地工作是轉動機械平穩(wěn)運行的前提。在工業(yè)生產中，由于滑動軸承本身具有諸多優(yōu)點，比如轉速高、抗振性好、承載力大、耐沖擊且運轉精度高等，故在許多大型、關鍵的設備中得到了廣泛的應用?；瑒虞S承的類型根據實際需求可以分為三油葉軸承、階梯面軸承、橢圓軸承等固定瓦軸承和瓦塊可擺動的可傾瓦軸承等。任何類型的滑動軸承在實際使用過程中都存在自身的局限性，因為滑動軸承在最初設計時通常是針對一些特定工況來考慮的，然而在實際運行過程中，會遇到各種各樣突發(fā)的工況（例如轉速變化、載荷變化、油溫變化等），即相對于其初始設計的工況，滑動軸承的實際工作狀態(tài)已發(fā)生較大變化，而滑動軸承又無法適應當前狀態(tài)，例如當用電量發(fā)生變化時，發(fā)電機組會調整其工作載荷。或者是內燃機、壓縮機等轉速發(fā)生變化時，軸承轉子系統隨之發(fā)生改變。因此對于傳統的徑向固定瓦支撐的滑動軸承無法適應這種隨時變化的工作狀態(tài)，又由于固定瓦滑動軸承的參數不能根據軸承當前的實際工作要求來進行調整。也就是說，固定瓦支撐的滑動軸承無法適應工作狀況的改變并且不能隨著工作狀況的改變而自身做出調整，也即固定瓦軸承設計的參數并不能隨著軸承實際工作的要求做出調整，導致固定瓦滑動軸承不能適應這種隨時可能變化的工況。當滑動軸承工作狀態(tài)發(fā)生改變時，隨時可能變化的，輕則造成軸承磨損、軸的異常振動，減小軸承壽命；重則出現抱軸、燒瓦等嚴重事故。而作為核心部件的轉子軸承系統一旦損壞，整個機組將無法工作，將造成巨大的經濟損失。

所以在復雜、劇烈、甚至極端工況下，要求徑向滑動支撐系統擁有足夠的適應能力，故研究轉子軸承系統在隨時間變化工況下的動態(tài)特性尤為重要。

1 研究現狀

1.1 軸承研究現狀

針對復雜及變化的工況，對徑向滑動支承系統提出更優(yōu)的要求，以便能根據變化的工作狀態(tài)進而對滑動軸承自身的工作能力做出調整，改變由于工作狀態(tài)的改變對自身工作性能的影響，提高其適應能力，即使在惡劣的工作狀態(tài)下也能通過調整參數以減小或消除由于工況巨變對工作性能的影響。因此，研究設計一種能夠根據工作狀態(tài)實時調整其工作性能的滑動軸承意義重大。

為解決上述存在的問題，針對轉子軸承系統工作時工作狀況的改變，國內外專家提出了變結構軸瓦為支撐利用主動控制系統，根據工作狀況來控制轉子運行性能，即就是監(jiān)測轉子工作狀態(tài)，根據轉子的工作狀態(tài)來決定是否以及如何調整軸承參數，從而使轉子軸承系統能及時根據自身的工作狀態(tài)通過調整參數進而影響或者改變轉子系統的工作性能，使轉子軸承系統保持正常工作特性。該種新型軸瓦工作方式受到了國內外學者廣泛關注，并進行了大量的研究。這些研究成果陸續(xù)發(fā)表在《Mechatronics》《Tribology International》《Nonlinear Dynamics》《Tribology Letter》等期刊上。根據不同的控制方式，使具有主動控制功能的轉子軸承系統得到了快速發(fā)展，如流變流體橢圓軸承、電磁軸承。

電磁軸承主動控制方法的發(fā)展對滑動軸承主動控制技術的進步有著巨大的推動作用，而電磁軸承的調節(jié)能力和范圍有限、生產成本較高，不利于大型裝備的應用[1-4]。可控液壓滑動軸承通過改變膜厚，實現對轉子偏心率的控制，改善軸承的工作狀態(tài)。但是該類軸承因為軸頸與軸瓦間的間隙為固定值，因而油膜厚度變化范圍有限，調節(jié)能力較低。電流、磁流等流變流體滑動軸承通過觸發(fā)特殊介質或材料的某些物理特性對滑動軸承進行主動控制，但是新介質的可靠性和安全性仍未得到證明，因此流變流體滑動軸承或新材料軸承仍處于研究階段。

1.2 主動控制研究現狀

研究主動控制行為是實現智能滑動軸承的重要手段。電磁軸承的主動控制原理給智能滑動軸承的設計提供了一定的參考，基本原理是：傳感器采集位移信號發(fā)送給控制器；控制器將收到的信號與參考量進行比較，如果軸頸偏離參考點，控制器會發(fā)出控制信號并通過功放轉換為電流信號，電流在磁鐵中產生電磁力，使轉子回到穩(wěn)定位置。以此理論為指導，學術界對電磁軸承的主動控制行為開展了各種各樣的研究。在國際上，HWACHANG.SUNG 等[1]在LEE 和DU 的基礎上分析了控制器和執(zhí)行器的耦合作用影響主動控制的精度。K.Y.ZHU 等[3]提出了提高控制系統精度的聯合交叉耦合技術，減少主軸徑向同步誤差帶來的影響。SIVRIOGLU[4]提出了自適應控制方法，并計算零偏置磁軸承的非線性控制電流，用以提高控制系統本身對于主軸動態(tài)行為的適應能力。RAO 和TIWARI[5，6]相繼提出單目標和多目標下的遺傳算法用于電磁軸承主動控制系統。JASTRZEBSKI等[7]比較了不同控制結構之間的優(yōu)劣，分析了多輸入、多輸出狀態(tài)下的遺傳算法對控制系統的影響。LEE[8]和DU等[9]基于Takagi-Sugeno 模糊模型對時變不確定信號進行識別，從而控制主軸的服役狀態(tài)，實現了智能化。JI[10]通過利用Hopf 理論對磁軸承在控制中存在的時延問題展開了研究，得到出現Hopf 分岔而導致的失穩(wěn)臨界延時與控制參數之間的關系。HUNG 等[11]提出線性化反饋與非線性化逐步逼近相結合的主動控制概念，利用數字信號處理器對位置控制等幾種控制方法進行比較，結合實驗，驗證分析結果。PRZYBYLOWICZ 等[12]通過壓電致動器調整軸承軸頸位置，使轉子振動受到抑制。

與此同時，國內對電磁軸承主動控制行為的研究也取得了卓有成效的進展。范友鵬，劉淑琴等[13]利用干擾觀測器理論的時間延時補償方法對磁軸承開關功率放大器中存在的固有延時和可變延時進行了研究。趙林等[14]研究了有色噪聲對磁軸承系統模型辨識精度造成的影響。田野和虞烈等[15]提出一種以電磁軸承實際承載力與預分配承載力差值為最小控制目標，通過等邊三角形為基本單元對軸承工作區(qū)域進行劃分的磁軸承穩(wěn)態(tài)工作位置搜索算法，利用該方法可有效的分析混合軸承的穩(wěn)態(tài)控制問題。李紅等[16]對電磁軸承的功耗問題與偏置電流之間存在的關系進行了一定的研究，通過結合約束條件，得到了在最低功耗時，偏置電流與轉子位移偏差之間的函數表達式。蘇文軍和虞烈等[17]通過研制一種結構為重復控制和比例-積分- 微分控制相結合的混合控制器，有效地抑制了電磁軸承支撐轉子的周期性振動。

在國內，以西安交通大學為代表的學者們在滑動軸承轉子動力學方面的研究取得了顯著的成績[18-20]。近年來，對于滑動軸承的研究更多的考慮了多因素對轉子動特性的影響，如張帆[20]在結合實際工況的前提下對容量為1 750 MW 的發(fā)電機進行理論分析，從而得到了滑動軸承的動態(tài)性能。陳紅霞、陳國定等[21]研究了橢圓軸承在偏載工作的條件下，其動靜態(tài)特性。張宏獻、徐武彬等[22]研究了橢圓滑動軸承的橢圓度對其工作狀態(tài)穩(wěn)定性的影響。易均、劉恒等[23]研究了通過對組配的軸承轉子系統進行歪斜裝配，研究其對動力學特性的影響，發(fā)現由于歪斜安裝，軸承存在非均勻間隙，通過合理利用這一特性可以提高轉子系統在動力方面的性能；王琳、裴世源等[24]通過實驗研究，發(fā)現在軸頸表面位置處設計合理的織構類型，將可以顯著提高轉子系統的支撐穩(wěn)定性；王欣彥等[25]通過采用有限體積法建立了橢圓軸承流場的數值分析模型，分析了軸承橢圓度、偏心率等參數對軸承動特性的影響。郭勇等[26]通過選擇特征位置的壓力差并結合軸承理論來表征轉子的偏斜程度，以此進行了轉子偏斜程度對橢圓軸承性能影響的研究。楊建剛等[27]通過建立線性函數，即軸頸處的轉速和振動速度之間的線性函數關系，并以此來表示圓柱軸承處的油膜力，最后利用有限元法計算了油膜力大小。張文等人[28]針對有限長橢圓軸承，通過用Ritz 法近似計算求解了轉變?yōu)榈葍r變分問題的雷諾方程，從而得到了其近似的油膜力。

2 發(fā)展趨勢

2.1 智能軸承

顯然目前學術界已經對主動控制行為及其相關研究內容有了初步的認識，但是由于智能滑動軸承屬于一個全新的概念，相關的理論研究并未完善，對智能軸承的研究相對較少，現有的研究主要分析電磁軸承的主動控制行為，而智能滑動軸承與電磁軸承的工作原理是截然不同的，因而電磁軸承的主動控制方法雖然為智能滑動軸承的研究提供了一定的借鑒，但是電磁軸承主動控制理論并不完全適合智能滑動軸承主動控制行為的研究。智能橢圓軸承是通過機械系統改變軸承的預負荷狀態(tài)來調節(jié)支撐軸承的橢圓度，從而調整軸瓦與軸頸的間隙，最終改變轉子的平衡位置。

本研究提出了一種機電耦合作用下主動可調、可控的智能型滑動軸承，其目的在于可實時監(jiān)測軸承—轉子系統的運行狀況，通過主動調節(jié)、控制滑動軸承參數以適應多種時變工況。時變的工況包括：轉速的漸變、突變、周期變化，載荷的漸變、階躍、周期變化、瞬態(tài)沖擊以及載荷方向的突變和周期變化等。

智能軸承系統如圖1 所示。該系統的部分組成包括：間隙可調軸承轉子系統、傳感器、控制系統、報警系統、執(zhí)行機構。其基本原理為：當轉子軸承系統的工作狀態(tài)發(fā)生改變時，傳感器采集到轉子工作的狀態(tài)信息并發(fā)送到控制系統；控制系統通過計算分析轉子軸承系統目前所處的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測其運行狀況使符合工作要求，否則便會發(fā)出信號給報警器。如果此時的轉子的工作狀態(tài)偏離了設定的工作狀態(tài)，則控制系統發(fā)送指令，通過執(zhí)行機構來改變軸承與軸頸之間的間隙，從而調整智能滑動軸承的油楔形狀，進而改變潤滑油膜厚度，改變軸承的工作參數，最終改善轉子軸承系統的工作狀態(tài)，使轉子軸承系統穩(wěn)定運行。轉子在改變工作狀態(tài)后，傳感器將繼續(xù)對轉子的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，若滿足要求則積雪監(jiān)測而不做調整。若不滿足要求，傳感器將轉子的工作狀態(tài)再次發(fā)送至控制系統，控制系統經過計算判斷，再次發(fā)送指令，驅動執(zhí)行機構，改變軸頸與軸承之間的間隙，直至達到設定工作狀態(tài)，從而保證軸承轉子系統安全平穩(wěn)運行。

圖1 智能軸承系統示意圖

2.2 發(fā)展趨勢

滑動軸承未來發(fā)展的一大趨勢是主動控制，其是應對突發(fā)狀況的重要手段。但是目前成熟的控制方法或控制系統卻是少之又少，大部分研究尚處于實驗階段。所以針對智能滑動軸承在機電耦合作用下主動控制行為的研究還應更加深入的擴展。