自动调控油膜厚度的智能滑动轴承及其控制方法与流程

本发明涉及机械设计和自动控制技术领域，具体是一种自动调控油膜厚度的智能滑动轴承及其控制方法。

背景技术：

滑动轴承因承载能力强、旋转精度高、吸振性好等优点，在现代工业中应用十分广泛。液体润滑滑动轴承是最常用的一种，其基本原理是通过润滑油膜将滑动表面分开而不发生直接接触，以此减小摩擦损失和表面磨损；此外，油膜还具有一定的吸振能力，能够提供附加支撑力(李继庆,李育锡.机械设计基础.北京:高等教育出版社；2012)。reynolds黏温方程指出(η0是润滑油在参考温度t0时的黏度，b是黏温系数，η是润滑油在温度t时的黏度)，润滑油黏度会随着温度的升高而急剧下降；此外，根据stribeck曲线，轴承的润滑状态主要是由润滑油粘度η、相对滑动速度u以及单位面积载荷p决定的，即轴承特性参数ηu/p(温诗铸,黄平.摩擦学原理.北京:清华大学出版社；2008)。可见，对于液体润滑滑动轴承，润滑油膜对轴承的性能有重要的影响，且其受温度影响较为明显。

在实际工况中，考虑到液体润滑滑动轴承常用于高速、高低温、重载等场合，当工况变化引起油膜分布不均时（主要包括局部油膜过厚、过薄以及无润滑油膜），其承载能力显著下降，这会引发滑动轴承中相对运动表面直接接触，轻者加剧零件表面磨损，重者引发灾难性事故(khonsarimm,booserer.appliedtribology:bearingdesignandlubrication.chichester:johnwiley&sonsltd;2008.)。因此，对于液体润滑滑动轴承如何有效控制润滑油膜厚度，减小摩擦磨损，对延长其使用寿命至关重要。

文献kanneljw,dufranekf.rollingelementbearingsinspace.20thaerospacemechanismssymposium.1986中发现，在温度场作用下，超精矿物油会由高温区向低温区缓慢流动。文献daiqw,khonsarimm,shenc,huangw,wangxl.thermocapillarymigrationofliquiddropletsinducedbyaunidirectionalthermalgradient.langmuir.2016;32:7485-7492.和daiq,huangw,wangx,khonsarimm.ringlikemigrationofadropletpropelledbyanomnidirectionalthermalgradient.langmuir.2018;34:3806-3812.从理论角度揭示了该流动机理（如图1所示），并且通过实验设计了多种不同类型的温度梯度，成功驱动了润滑油定向流动。这意味着构造温度梯度能够润滑界面产生有效驱动力，引导润滑油流动。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种自动调控油膜厚度的智能滑动轴承及其控制方法，使轴承持久稳定保持在流体润滑状态，从而提升其可靠性和使用寿命。

本发明提供了一种自动调控油膜厚度的智能滑动轴承，包括由内而外依次套在旋转轴上的轴承内套、隔热材料和轴承外套，轴承内套和旋转轴之间涂覆有润滑油膜；所述的轴承内套和隔热材料轴向上两端由内而外依次设置有密封圈、扭矩传感器和端盖，端盖将轴承内套和隔热材料密封在轴承外套内；所述的轴承内套轴向均布有若干轴瓦矩形槽，部分轴瓦矩形槽内嵌套有加热元件阵列，部分轴瓦矩形槽内嵌套有制冷元件阵列，所述的加热元件阵列和制冷元件阵列均安装有配合使用的热电偶。

进一步改进，所述的加热元件为普通电热膜或微热管。

进一步改进，所述的制冷元件为冷却水循环或tec半导体制冷元件。

进一步改进，所述的热电偶采用常用普通贴片式热电偶。

本发明还提供了一种自动调控油膜厚度的智能滑动轴承的控制方法，包括以下步骤：

1）在轴承正常运行时，通过内置扭矩传感器2测量轴所受扭矩，将不同工况下（包括不同转速、载荷、环境温度），轴承正常运行时的数据信息存储到数据库中，并作为参考值。

2）编程设定危险阈值，实时监测轴上所受扭矩，当扭矩变化超过阈值时（意味着轴承润滑状况发生变化，产生的摩擦阻力变大），报警并进行采取进一步调控措施。

3）计算机控制加热和制冷组件工作，通过内置热电偶精确控制加热和制冷组件温度，在轴瓦上形成温度梯度，并驱使润滑油向指定方向流动，调节油膜厚度，使其尽量分布均匀。于此同时，实时采集扭矩值并修正加热和制冷组件温度。

4）当扭矩数值恢复正常后，加热和制冷元件停止工作。

本发明有益效果在于：通过在轴瓦中嵌套布置的加热和制冷元件来调节轴瓦温度，从而改变与其接触的润滑油的温度，最终调控润滑油膜流动，使其均匀分布，从而使轴承持久稳定保持在流体润滑状态，从而提升其可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为在温度场作用下矿物油由高温区向低温区缓慢流动机理示意图。

图2为自动控制润滑油膜的智能滑动轴承结构示意图。

图3为智能滑动轴承的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种自动调控油膜厚度的智能滑动轴承，结构如图2所示，包括由内而外依次套在旋转轴11上的轴承内套3、隔热材料7和轴承外套8，轴承内套3和旋转轴11之间涂覆有润滑油膜9；所述的轴承内套3和隔热材料7轴向上两端由内而外依次设置有密封圈10、扭矩传感器2和端盖1，端盖1将轴承内套3和隔热材料7密封在轴承外套8内；所述的轴承内套3轴向均布有若干轴瓦矩形槽，部分轴瓦矩形槽内嵌套有加热元件阵列4，部分轴瓦矩形槽内嵌套有制冷元件阵列5，所述的加热元件阵列4和制冷元件阵列5均安装有配合使用的热电偶6。

本发明通过在轴瓦中嵌套布置的加热和制冷元件来调节轴瓦温度，从而改变与其接触的润滑油的温度，最终调控润滑油膜流动，使其均匀分布。在设计过程中，轴瓦材料除了需要有足够的机械强度和塑性之外，还需具备较好的导热性能，可采用锡青铜、铝青铜等。加热元件可采用普通电热膜或微热管，制冷元件可采用冷却水循环或tec半导体制冷元件；值得注意的是，加热和制冷元件的排布数量和形式需根据滑动轴承的控制精度和使用要求合理配置。热电偶采用常用普通贴片式热电偶。

本发明还提供了一种自动调控油膜厚度的智能滑动轴承的控制方法，包括以下步骤：

1）在轴承正常运行时，通过内置扭矩传感器2测量轴所受扭矩，将不同工况下（包括不同转速、载荷、环境温度），轴承正常运行时的数据信息存储到数据库中，并作为参考值。

2）编程设定危险阈值，实时监测轴上所受扭矩，当扭矩变化超过阈值时（意味着轴承润滑状况发生变化，产生的摩擦阻力变大），报警并进行采取进一步调控措施。

3）计算机控制加热和制冷组件工作，通过内置热电偶精确控制加热和制冷组件温度，在轴瓦上形成温度梯度，并驱使润滑油向指定方向流动，调节油膜厚度，使其尽量分布均匀。于此同时，实时采集扭矩值并修正加热和制冷组件温度。

4）当扭矩数值恢复正常后，加热和制冷元件停止工作。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。