滑动轴承在大型装备中的应用现状及发展趋势

2021-03-16李银

装备制造技术 2021年11期

李银

（贵州航天计量测试技术研究所，贵州贵阳 550000）

0 引言

随着我国制造水平的不断提升，旋转机械也向着更高速度、更加平稳的方向飞速发展。定轴转动机械在各行各业中应用广泛，而转子轴承系统是旋转机械最核心部件，转子轴承系统的正常稳定且安全地工作是转动机械平稳运行的前提。在工业生产中，由于滑动轴承本身具有诸多优点，比如转速高、抗振性好、承载力大、耐冲击且运转精度高等，故在许多大型、关键的设备中得到了广泛的应用。滑动轴承的类型根据实际需求可以分为三油叶轴承、阶梯面轴承、椭圆轴承等固定瓦轴承和瓦块可摆动的可倾瓦轴承等。任何类型的滑动轴承在实际使用过程中都存在自身的局限性，因为滑动轴承在最初设计时通常是针对一些特定工况来考虑的，然而在实际运行过程中，会遇到各种各样突发的工况（例如转速变化、载荷变化、油温变化等），即相对于其初始设计的工况，滑动轴承的实际工作状态已发生较大变化，而滑动轴承又无法适应当前状态，例如当用电量发生变化时，发电机组会调整其工作载荷。或者是内燃机、压缩机等转速发生变化时，轴承转子系统随之发生改变。因此对于传统的径向固定瓦支撑的滑动轴承无法适应这种随时变化的工作状态，又由于固定瓦滑动轴承的参数不能根据轴承当前的实际工作要求来进行调整。也就是说，固定瓦支撑的滑动轴承无法适应工作状况的改变并且不能随着工作状况的改变而自身做出调整，也即固定瓦轴承设计的参数并不能随着轴承实际工作的要求做出调整，导致固定瓦滑动轴承不能适应这种随时可能变化的工况。当滑动轴承工作状态发生改变时，随时可能变化的，轻则造成轴承磨损、轴的异常振动，减小轴承寿命；重则出现抱轴、烧瓦等严重事故。而作为核心部件的转子轴承系统一旦损坏，整个机组将无法工作，将造成巨大的经济损失。

所以在复杂、剧烈、甚至极端工况下，要求径向滑动支撑系统拥有足够的适应能力，故研究转子轴承系统在随时间变化工况下的动态特性尤为重要。

1 研究现状

1.1 轴承研究现状

针对复杂及变化的工况，对径向滑动支承系统提出更优的要求，以便能根据变化的工作状态进而对滑动轴承自身的工作能力做出调整，改变由于工作状态的改变对自身工作性能的影响，提高其适应能力，即使在恶劣的工作状态下也能通过调整参数以减小或消除由于工况巨变对工作性能的影响。因此，研究设计一种能够根据工作状态实时调整其工作性能的滑动轴承意义重大。

为解决上述存在的问题，针对转子轴承系统工作时工作状况的改变，国内外专家提出了变结构轴瓦为支撑利用主动控制系统，根据工作状况来控制转子运行性能，即就是监测转子工作状态，根据转子的工作状态来决定是否以及如何调整轴承参数，从而使转子轴承系统能及时根据自身的工作状态通过调整参数进而影响或者改变转子系统的工作性能，使转子轴承系统保持正常工作特性。该种新型轴瓦工作方式受到了国内外学者广泛关注，并进行了大量的研究。这些研究成果陆续发表在《Mechatronics》《Tribology International》《Nonlinear Dynamics》《Tribology Letter》等期刊上。根据不同的控制方式，使具有主动控制功能的转子轴承系统得到了快速发展，如流变流体椭圆轴承、电磁轴承。

电磁轴承主动控制方法的发展对滑动轴承主动控制技术的进步有着巨大的推动作用，而电磁轴承的调节能力和范围有限、生产成本较高，不利于大型装备的应用[1-4]。可控液压滑动轴承通过改变膜厚，实现对转子偏心率的控制，改善轴承的工作状态。但是该类轴承因为轴颈与轴瓦间的间隙为固定值，因而油膜厚度变化范围有限，调节能力较低。电流、磁流等流变流体滑动轴承通过触发特殊介质或材料的某些物理特性对滑动轴承进行主动控制，但是新介质的可靠性和安全性仍未得到证明，因此流变流体滑动轴承或新材料轴承仍处于研究阶段。

1.2 主动控制研究现状

研究主动控制行为是实现智能滑动轴承的重要手段。电磁轴承的主动控制原理给智能滑动轴承的设计提供了一定的参考，基本原理是：传感器采集位移信号发送给控制器；控制器将收到的信号与参考量进行比较，如果轴颈偏离参考点，控制器会发出控制信号并通过功放转换为电流信号，电流在磁铁中产生电磁力，使转子回到稳定位置。以此理论为指导，学术界对电磁轴承的主动控制行为开展了各种各样的研究。在国际上，HWACHANG.SUNG 等[1]在LEE 和DU 的基础上分析了控制器和执行器的耦合作用影响主动控制的精度。K.Y.ZHU 等[3]提出了提高控制系统精度的联合交叉耦合技术，减少主轴径向同步误差带来的影响。SIVRIOGLU[4]提出了自适应控制方法，并计算零偏置磁轴承的非线性控制电流，用以提高控制系统本身对于主轴动态行为的适应能力。RAO 和TIWARI[5，6]相继提出单目标和多目标下的遗传算法用于电磁轴承主动控制系统。JASTRZEBSKI等[7]比较了不同控制结构之间的优劣，分析了多输入、多输出状态下的遗传算法对控制系统的影响。LEE[8]和DU等[9]基于Takagi-Sugeno 模糊模型对时变不确定信号进行识别，从而控制主轴的服役状态，实现了智能化。JI[10]通过利用Hopf 理论对磁轴承在控制中存在的时延问题展开了研究，得到出现Hopf 分岔而导致的失稳临界延时与控制参数之间的关系。HUNG 等[11]提出线性化反馈与非线性化逐步逼近相结合的主动控制概念，利用数字信号处理器对位置控制等几种控制方法进行比较，结合实验，验证分析结果。PRZYBYLOWICZ 等[12]通过压电致动器调整轴承轴颈位置，使转子振动受到抑制。

与此同时，国内对电磁轴承主动控制行为的研究也取得了卓有成效的进展。范友鹏，刘淑琴等[13]利用干扰观测器理论的时间延时补偿方法对磁轴承开关功率放大器中存在的固有延时和可变延时进行了研究。赵林等[14]研究了有色噪声对磁轴承系统模型辨识精度造成的影响。田野和虞烈等[15]提出一种以电磁轴承实际承载力与预分配承载力差值为最小控制目标，通过等边三角形为基本单元对轴承工作区域进行划分的磁轴承稳态工作位置搜索算法，利用该方法可有效的分析混合轴承的稳态控制问题。李红等[16]对电磁轴承的功耗问题与偏置电流之间存在的关系进行了一定的研究，通过结合约束条件，得到了在最低功耗时，偏置电流与转子位移偏差之间的函数表达式。苏文军和虞烈等[17]通过研制一种结构为重复控制和比例-积分- 微分控制相结合的混合控制器，有效地抑制了电磁轴承支撑转子的周期性振动。

在国内，以西安交通大学为代表的学者们在滑动轴承转子动力学方面的研究取得了显著的成绩[18-20]。近年来，对于滑动轴承的研究更多的考虑了多因素对转子动特性的影响，如张帆[20]在结合实际工况的前提下对容量为1 750 MW 的发电机进行理论分析，从而得到了滑动轴承的动态性能。陈红霞、陈国定等[21]研究了椭圆轴承在偏载工作的条件下，其动静态特性。张宏献、徐武彬等[22]研究了椭圆滑动轴承的椭圆度对其工作状态稳定性的影响。易均、刘恒等[23]研究了通过对组配的轴承转子系统进行歪斜装配，研究其对动力学特性的影响，发现由于歪斜安装，轴承存在非均匀间隙，通过合理利用这一特性可以提高转子系统在动力方面的性能；王琳、裴世源等[24]通过实验研究，发现在轴颈表面位置处设计合理的织构类型，将可以显著提高转子系统的支撑稳定性；王欣彦等[25]通过采用有限体积法建立了椭圆轴承流场的数值分析模型，分析了轴承椭圆度、偏心率等参数对轴承动特性的影响。郭勇等[26]通过选择特征位置的压力差并结合轴承理论来表征转子的偏斜程度，以此进行了转子偏斜程度对椭圆轴承性能影响的研究。杨建刚等[27]通过建立线性函数，即轴颈处的转速和振动速度之间的线性函数关系，并以此来表示圆柱轴承处的油膜力，最后利用有限元法计算了油膜力大小。张文等人[28]针对有限长椭圆轴承，通过用Ritz 法近似计算求解了转变为等价变分问题的雷诺方程，从而得到了其近似的油膜力。

2 发展趋势

2.1 智能轴承

显然目前学术界已经对主动控制行为及其相关研究内容有了初步的认识，但是由于智能滑动轴承属于一个全新的概念，相关的理论研究并未完善，对智能轴承的研究相对较少，现有的研究主要分析电磁轴承的主动控制行为，而智能滑动轴承与电磁轴承的工作原理是截然不同的，因而电磁轴承的主动控制方法虽然为智能滑动轴承的研究提供了一定的借鉴，但是电磁轴承主动控制理论并不完全适合智能滑动轴承主动控制行为的研究。智能椭圆轴承是通过机械系统改变轴承的预负荷状态来调节支撑轴承的椭圆度，从而调整轴瓦与轴颈的间隙，最终改变转子的平衡位置。

本研究提出了一种机电耦合作用下主动可调、可控的智能型滑动轴承，其目的在于可实时监测轴承—转子系统的运行状况，通过主动调节、控制滑动轴承参数以适应多种时变工况。时变的工况包括：转速的渐变、突变、周期变化，载荷的渐变、阶跃、周期变化、瞬态冲击以及载荷方向的突变和周期变化等。

智能轴承系统如图1 所示。该系统的部分组成包括：间隙可调轴承转子系统、传感器、控制系统、报警系统、执行机构。其基本原理为：当转子轴承系统的工作状态发生改变时，传感器采集到转子工作的状态信息并发送到控制系统；控制系统通过计算分析转子轴承系统目前所处的工作状态，实时监测其运行状况使符合工作要求，否则便会发出信号给报警器。如果此时的转子的工作状态偏离了设定的工作状态，则控制系统发送指令，通过执行机构来改变轴承与轴颈之间的间隙，从而调整智能滑动轴承的油楔形状，进而改变润滑油膜厚度，改变轴承的工作参数，最终改善转子轴承系统的工作状态，使转子轴承系统稳定运行。转子在改变工作状态后，传感器将继续对转子的工作状态进行监测，若满足要求则积雪监测而不做调整。若不满足要求，传感器将转子的工作状态再次发送至控制系统，控制系统经过计算判断，再次发送指令，驱动执行机构，改变轴颈与轴承之间的间隙，直至达到设定工作状态，从而保证轴承转子系统安全平稳运行。