一种智能可控轴承及控制转子振动的方法
【专利摘要】本发明提供一种智能可控轴承及控制转子振动的方法，包括励磁系统、轴承座、轴承壳体、轴瓦及浮环，润滑剂采用磁流变液；供入磁流变液后，轴颈与浮环内表面、浮环外表面与轴瓦分别形成两层润滑油膜即内油膜和外油膜，励磁系统产生的磁场改变磁流变液性质，进而改变润滑油膜性质，实现轴承的智能行为；所述浮环以低于转轴速度转动。本发明利用外加磁场改变轴承刚度、阻尼特性，从而实现对转子的振动控制。本发明适用于对振动较敏感的转子场合，可以较简单地实现转子系统的半主动控制。
【专利说明】
一种智能可控轴承及控制转子振动的方法
技术领域
[0001]本发明涉及流体动力润滑与智能材料领域，具体地，涉及一种智能可控轴承，尤其是一种采用磁流变液润滑的智能可控浮环轴承，以及将用于控制转子振动的方法。
【背景技术】
[0002]随着技术进步，铁流体(FerrofIuid)、磁流变液(Magnetorheologicalfluid)等能受外界磁场而改变性质的智能液体在工业生产中开始广泛应用。此类流体的特点是将铁磁性颗粒分散于某种基质中，当有外加磁场时，铁磁性颗粒受磁场影响产生积聚、成链等变化，流体能在宏观上迅速改变性质。而在磁场撤去后，流体能在极短的时间内恢复一般特性，并可重复多次使用。同时，通过改变磁性颗粒的尺寸、基质的成分以及添加表面活性剂等，可以改变流体的性质以符合多种需要。此类流体已用于控制、汽车、密封、机械加工等多个领域，有广泛应用前景。
[0003]现代机械中大量使用转子系统，特别是在传动、能量转换、驱动等方面，转子系统是机械系统中的核心部件之一；另一方面，由于转子自身特性，其不可避免地会产生振动，成为机械系统中振动的发源部件之一。
[0004]因此，研究者一直在探索有效地控制转子系统振动的方法，众多方法之一便是利用智能材料，如磁流变液，实现对转子振动的控制。在现有研究中，磁流变液已被引入挤压油膜阻尼器中，成为可以调节阻尼的可控油膜阻尼器，在滚动轴承支撑转子系统中取得了部分应用。然而，在流体动力润滑轴承，如滑动轴承中，磁流变液还鲜见有应用。在少有的研究磁流变液用于滑动轴承控制的研究中，主要面临两个弱点:一是磁流变液在有外加磁场后，其摩擦性能升高，会对轴颈造成较大摩擦，降低转子效率;二是磁流变液自身剪切稀化性质决定，其在高剪切率下性能会严重下降，故现有研究的此类轴承几乎只在低转速下有效。这两个弱点限制了采用磁流变液润滑的流体动力润滑轴承在转子振动控制中的应用。
[0005]在已检索到的专利中，磁流变液用于轴承控制无一例外都是用于阻尼器，应用于滚动轴承中，如中国发明专利申请:一种基于磁流变效应的具有集成阻尼器的圆柱滚子轴承，申请号:201410564410.9，该申请涉及一种基于磁流变效应的具有集成阻尼器的圆柱滚子轴承，该装置由外圈、内圈、励磁线圈、密封轴套、磁流变液、隔离圈、圆柱滚子、保持架组成。以及中国发明专利申请:自感应磁轴承，申请号:201410807582.4，该申请公开了一种自感应磁轴承，在轴承振动时产生感应电流，并通过布置在滚动轴承周围的磁流变液在磁场中的变化，为轴承提供额外阻尼。此两种专利都采用在滚动轴承外布置磁流变液的方法来为轴承引入额外阻尼，不同的是，第一项专利利用外供电实现半主动控制，而第二项专利利用感应电实现被动控制。此两种专利均用于滚动轴承，主要针对滚动轴承自身没有阻尼效应的缺点。在两项专利中，均对阻尼进行调节，不能调节轴承刚度;同时，第二项专利因采用被动控制法，不能人为改变轴承阻尼。这些弱点会削弱专利应用效果及限制专利的应用场合。另一方面，在许多工业应用场合，如燃气轮机、涡轮机等，由于轴承承载大，不能采用滚动轴承，必须使用流体动力润滑轴承，而现阶段还没有适用这些场合的智能可控轴承。虽然流体动力润滑轴承自身有刚度阻尼特性，但在一些应用场合，如冲击较大、转子过临界等，仍然希望可以为轴承引入额外刚度阻尼，使此时转子系统能平稳运行。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中的缺陷，如不能应用到流体润滑轴承转子系统场合，本发明提供了一种采用磁流变液润滑的浮环轴承及其控制方法，利用浮环轴承中安装的浮环形成内外两层油膜，同时浮环以低于轴转速转动，从而实现在较高效率下对高速转子振动控制的目的。
[0007]根据本发明的第一方面，提供一种智能可控轴承，包括:励磁系统、轴承座、轴承壳体、轴瓦和浮环，浮环套于轴颈上，浮环外为安装于轴承壳体上的轴瓦，轴承壳体安装在轴承座中，轴承座外为励磁系统;所述轴承还包括:作为润滑剂的磁流变液;供入磁流变液后，轴颈与浮环内表面、浮环外表面与轴瓦分别形成两层润滑油膜即内油膜和外油膜，励磁系统产生的磁场改变磁流变液性质，进而改变润滑油膜性质，实现轴承的智能行为;所述浮环以低于轴承使用中安装的转轴的速度转动。
[0008]优选地，所述励磁系统包含磁轭、线圈和磁极，并采用直流电作为励磁电流;其中:线圈通励磁电流产生磁场，磁极用于强化磁场，磁轭用于强化磁场通路;所述磁极采用N-S极两两对置方式并环绕在轴承壳体周围，用于为轴承提供均匀磁场。
[0009]更优选地，所述线圈由铜质漆包线绕制;所述磁极、磁轭均采用工业纯铁或低碳钢制作，以增强磁场强度。
[0010]优选地，所述轴承座包括:上半座、下半座、左端盖与右端盖，其中:上半座与下半座连接，用于固定轴承壳体并支撑轴承各部件;在上半座上设有进油孔，用于向轴承供入磁流变液;左端盖、右端盖与上半座、下半座连接，在左端盖与右端盖上均设有回油孔，回油孔与上半座上的供油孔共同形成磁流变液循环供应通路。
[0011 ] 更优选地，所述轴承座由非铁磁性材料制造，从而使磁场透过而不改变磁场强度及分布。
[0012]优选地，所述轴承壳体包括上下两部分，上下两部分分别安装一块半圆形轴瓦构件;轴承壳体内开有油道作为磁流变液流入通道。
[0013]更优选地，所述轴承壳体由非铁磁性材料制造，从而使磁场透过而不改变磁场强度及分布，同时保证轴承壳体安装运行需要的强度和硬度。
[0014]优选地，所述轴瓦由两块半圆形轴瓦构件组成，并由巴氏合金制造，其耐磨且不影响磁场分布及强度；同时在轴瓦上开设有供油孔和供油槽，外部磁流变液通过供油孔进入轴承，供油槽使得供油更均匀。
[0015]优选地，所述浮环由耐磨材料制造，浮环材料依据具体使用场合而选择；
[0016]所述浮环的材料为青铜，以允许磁场进入内油膜，从而改变内油膜性质，此时内外油膜性质均被磁场改变，从而提高轴承可控性；
[0017]或者，所述浮环的材料为表面淬火碳钢，浮环屏蔽使磁场无法进入内油膜，以避免内油膜磁流变液受磁场影响，从而降低磁流变液对轴颈的摩擦。
[0018]优选地，所述磁流变液以润滑油为基液，添加羰基铁粉颗粒制成。
[0019]根据本发明的另一个方面，提供一种采用上述智能可控轴承控制转子振动的方法，包括如下步骤:
[0020]第一步、打开油栗，对轴承进行磁流变液循环；
[0021]第二步、启动转子；
[0022]第三步、若转子振动过大，打开直流电源，对励磁系统供电；
[0023]第四步、评价转子振动控制情况，若尚未达到要求，调节直流电源，增强励磁电流；
[0024]第五步、若超量振动为转子为过临界转速引起，转子转速过临界转速后，则减小或撤去励磁电流，此时轴承以普通浮环轴承方式运行;若需对转子振动一直进行控制，保持励磁电流直到转子停止运行。
[0025]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0026]1.本发明为采用磁流变液润滑的流体动力润滑轴承，不同于现阶段采用磁流变液实现振动控制的各种滚动轴承，本发明利用了流体动力润滑轴承承载力大、阻尼特性好等优点，并在此基础上实现其智能行为，即对轴承的刚度、阻尼等特性进行调节，从而实现转自振动控制；
[0027]2.本发明为浮环式轴承，由于浮环以低于转轴的速度转动，内外油膜中的相对剪切率低于普通轴承，使得磁流变液的剪切稀化效应得到有效抑制，这有别于现有部分采用磁流变液润滑的普通滑动轴承，剪切稀化效应使得其在高速下控制性迅速降低，而本发明由于浮环的存在，可以应用于转速更高的场合；
[0028]3.不论浮环采用何种材质，内油膜因离磁极较远，其中磁场强度均低于外油膜，可以减小普通滑动轴承使用磁流变液润滑导致的高摩擦矩。
【附图说明】
[0029]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0030]图1为本发明一优选实施例的结构图，
[0031 ]图2为本发明一优选实施例的实施系统图；
[0032]图3为本发明一优选实施例的剖面图，展示了励磁系统结构；
[0033]图4为本发明一优选实施例的剖面图，展示了内油膜、外油膜的位置；
[0034]图中:磁轭I，线圈2，磁极3，轴承座4，轴承壳体5，轴瓦6，浮环7，轴承10(包含部件I?7)，油栗11，直流电源12，转轴13，外油膜14，内油膜15;
[0035]101为轴承壳体回油孔，102为浮环供油孔(共4个)，103为轴瓦供油孔(两块轴瓦共4个)，104为轴承壳体供油孔(4个)，105为轴承座供油孔。
【具体实施方式】
[0036]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0037]如图1-图4所示，一种智能可控轴承，包括:磁轭1、线圈2、磁极3、轴承座4、轴承壳体5、轴瓦6、浮环7，以及作为润滑剂的磁流变液，其中:
[0038]磁轭1、线圈2、磁极3共同组成励磁系统(如图3所示)，线圈2通励磁电流产生磁场，磁极3用于强化磁场，磁轭I用于强化磁场通路;浮环7套于轴颈上，浮环7外面安装于轴承壳体5上的轴瓦6，轴承壳体5安装在轴承座4中，轴承座4外为由磁轭1、线圈2、磁极3组成的励磁系统；
[0039]通过油栗11供入磁流变液后，轴颈与浮环7内表面、浮环7外表面与轴瓦6分别形成两层润滑油膜即内油膜15和外油膜14，励磁系统产生的磁场改变磁流变液性质，进而改变润滑油膜性质，实现轴承10的智能行为;在轴承10工作过程中，浮环7以低于转轴13速度转动，一方面降低了内油膜15中轴颈摩擦矩，一方面降低了外油膜14中剪切率，从而部分克服磁流变液摩擦大及剪切稀化的不利影响，提高轴承10的可控性。通过励磁系统产生磁场，实现智能行为，即改变轴承的刚度、阻尼、承载力特性，实现轴承半主动控制，进而对转子系统进行振动控制。
[0040]在一优选实施例中，所述轴承座4包括上半座、下半座、左端盖与右端盖，其中:上半座与下半座通过销钉定位、螺栓连接，用于固定轴承壳体5并支撑轴承10各部件;在上半座上设有轴承座供油孔105用于向整个轴承供入磁流变液;左端盖与右端盖通过螺钉与上、下半座连接，并在左端盖、右端盖上均设有轴承壳体回油孔101，轴承壳体回油孔101与上半座上的轴承座供油孔105共同形成磁流变液循环供应通路。
[0041 ]作为一优选的实施方式，所述轴承座4由招合金或青铜的非铁磁性材料制造，可使磁场透过而不改变磁场强度及分布，同时保证轴承壳体5安装运行需要的强度和硬度。
[0042]如图1所示，所述轴承壳体5分为上下两部分并通过销钉定位、螺栓连接;上下两部分分别安装一块半圆形轴瓦6;轴承壳体5内开有轴承壳体供油孔104作为磁流变液流入通道。
[0043]作为一优选的实施方式，所述轴承壳体5由铝合金或青铜的非铁磁性材料制造，可使磁场透过而不改变磁场强度及分布。
[0044]作为一优选的实施方式，所述轴瓦6由两块半圆形轴瓦组成，并由巴氏合金制造，其耐磨且不影响磁场分布及强度；同时，在两块半圆形轴瓦上分别开设有轴瓦供油孔103和供油槽，其中:外部磁流变液通过轴瓦供油孔103进入轴承10，供油槽使得供油更均匀。
[0045]作为一优选的实施方式，所述浮环7由耐磨材料制造，其中:浮环7外表面与轴瓦6内表面形成一层润滑油膜，即外油膜14;浮环7内表面与轴颈表面形成一层润滑油膜，即内油膜15(如图4所示)。
[0046]作为一优选的实施方式，所述浮环7的材料可以为青铜，以允许磁场进入内油膜15，从而改变内油膜15性质，此时内、外油膜15、14性质均被磁场改变，从而提高轴承10可控性。
[0047]作为一优选的实施方式，所述浮环7的材料还可以为表面淬火碳钢，浮环屏蔽使磁场无法进入内油膜15，以避免内油膜15磁流变液受磁场影响，从而降低磁流变液对轴颈的摩擦。
[0048]作为一优选的实施方式，在所述轴承壳体5上分别设置有一个轴承壳体回油孔101和四个轴承壳体供油孔104;在所述浮环7上设置有四个浮环供油孔102;在所述轴瓦6上设置有轴瓦供油孔103(两块半圆形轴瓦上共四个)；在所述轴承座4上部设置有一轴承座供油孔105、在所述轴承座4的两端各设置一个轴承壳体回油孔101。油栗11工作后，磁流变液顺次通过轴承座供油孔105、轴承壳体供油孔104、轴瓦供油孔103到达外油膜14，再通过浮环供油孔102到达内油膜15;内、外油膜15、14产生端泄，磁流变液最终经轴承壳体回油孔101流回油栗11，从而对轴承10实现磁流变液循环供应。
[0049]如图2所示，本实施例中，所述励磁系统通过直流电源12进行励磁，通过油栗11将磁流变液栗入所述轴承10;具体的:
[0050]油栗11将磁流变液栗入轴承座进油孔105，磁流变液经过轴瓦供油孔103到达并充斥外油膜间隙，形成外油膜14(如图4所示)，再经由浮环供油孔102到达并充斥内油膜间隙，形成内油膜15(如图4所示)，其间磁流变液由轴承10两端泄出，经轴承壳体回油孔101流回油栗11中(如图4所示)。
[0051]作为一个优选实施方式，所述励磁系统通过调节直流电源12改变磁场强度，从而控制所述轴承10是否对振动进行控制及调控控制程度。
[0052]如图3所示，所述的励磁系统在所述轴承10外，且四个磁极3在周向呈等角。
[0053]作为一个优选实施方式，四个所述的磁极3呈N-S极两两对置方式安装。
[0054]本实施例所述轴承10中通入磁流变液后，当无外加磁场时，轴承10按普通滑动轴承方式运行；当外加磁场后，磁流变液性质发生改变进而导致轴承10特性改变;本实施例利用外加磁场改变轴承刚度、阻尼特性，从而实现对转子的振动控制。采用上述轴承10实现转子的振动控制，具体包括如下步骤:
[0055]第一步、打开油栗11，对轴承10进行磁流变液循环；
[0056]第二步、启动转子，使转轴13转动；
[0057]第三步、若转子振动过大，打开直流电源12，对励磁系统供电；
[0058]第四步、评价转子振动控制情况，若尚未达到要求，调节直流电源12，增强励磁电流；
[0059]第五步、若超量振动为转子为过临界转速引起，转子转速过临界转速后，可减小或撤去励磁电流，此时轴承10以普通浮环轴承方式运行；
[0060]第六步、若需对转子振动一直进行控制，保持励磁电流直到转子停止运行。
[0061]本实施例采用磁流变液同时作为润滑剂和控制手段，可以实现对轴承的特性如刚度阻尼等进行调节，从而实现转子振动控制;采用浮环式轴承，由于浮环以低于转轴的速度转动，内外油膜中的相对剪切率低于普通轴承，使得磁流变液的性能下降得到有效抑制，这意味着此类轴承可以应用于转速更高的场合;不论浮环采用何种材质，内油膜因离磁极较远，其中磁场强度均低于外油膜，可以减小普通滑动轴承使用磁流变液润滑导致的高摩擦矩。
[0062]本发明无需主动控制，且无摩擦损耗、带自感应功能，确保了转子在高速工况下高效、稳定地工作。
[0063]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【主权项】
1.一种智能可控轴承，包括:励磁系统、轴承座、轴承壳体、轴瓦和浮环，浮环套于轴颈上，浮环外为安装于轴承壳体上的轴瓦，轴承壳体安装在轴承座中，轴承座外为励磁系统；其特征在于，还包括:作为润滑剂的磁流变液;供入磁流变液后，轴颈与浮环内表面、浮环外表面与轴瓦分别形成两层润滑油膜即内油膜和外油膜，励磁系统产生的磁场改变磁流变液性质，进而改变润滑油膜性质，实现轴承的智能行为;所述浮环以低于轴承使用中安装的转轴的速度转动。2.根据权利要求1所述的一种智能可控轴承，其特征在于，所述励磁系统包含磁轭、线圈和磁极，并采用直流电作为励磁电流;其中:线圈通励磁电流产生磁场，磁极用于强化磁场，磁轭用于强化磁场通路;所述磁极采用N-S极两两对置方式并环绕在轴承壳体周围，用于为轴承提供均匀磁场。3.根据权利要求2所述的一种智能可控轴承，其特征在于，所述线圈由铜质漆包线绕制;所述磁极、磁轭均采用工业纯铁或低碳钢制作，以增强磁场强度。4.根据权利要求1所述的一种智能可控轴承，其特征在于，所述轴承座包括:上半座、下半座、左端盖与右端盖，其中:上半座与下半座连接，用于固定轴承壳体并支撑轴承各部件；在上半座上设有进油孔，用于向轴承供入磁流变液;左端盖、右端盖与上半座、下半座连接，在左端盖与右端盖上均设有回油孔，回油孔与上半座上的供油孔共同形成磁流变液循环供应通路。5.根据权利要求1所述的一种智能可控轴承，其特征在于，所述轴承壳体包括上下两部分，上下两部分分别安装一块半圆形轴瓦构件;轴承壳体内开有油道作为磁流变液流入通道。6.根据权利要求5所述的一种智能可控轴承，其特征在于，所述轴瓦由两块半圆形轴瓦构件组成，并由巴氏合金制造，其耐磨且不影响磁场分布及强度；同时在轴瓦上开设有供油孔和供油槽，外部磁流变液通过供油孔进入轴承，供油槽使得供油更均匀。7.根据权利要求1-6任一项所述的一种智能可控轴承，其特征在于，所述轴承座、轴承壳体均由非铁磁性材料制造，使磁场透过而不改变磁场强度及分布，同时保证轴承壳体安装运行需要的强度和硬度。8.根据权利要求1-6任一项所述的一种智能可控轴承，其特征在于，所述浮环的材料为青铜，以允许磁场进入内油膜，从而改变内油膜性质，此时内外油膜性质均被磁场改变，从而提高轴承可控性； 或者，所述浮环的材料为表面淬火碳钢，浮环屏蔽使磁场无法进入内油膜，以避免内油膜磁流变液受磁场影响，从而降低磁流变液对轴颈的摩擦。9.根据权利要求1-6任一项所述的一种智能可控轴承，其特征在于，所述磁流变液以润滑油为基液，添加羰基铁粉颗粒制成。10.—种采用权利要求1-9任一项所述智能可控轴承控制转子振动的方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步、打开油栗，对轴承进行磁流变液循环； 第二步、启动转子； 第三步、若转子振动过大，打开直流电源，对励磁系统供电； 第四步、评价转子振动控制情况，若尚未达到要求，调节直流电源，增强励磁电流； 第五步、若超量振动为转子为过临界转速引起，转子转速过临界转速后，则减小或撤去励磁电流，此时轴承以普通浮环轴承方式运行;若需对转子振动一直进行控制，保持励磁电流直到转子停止运行。
【文档编号】F16F9/53GK105840657SQ201610352948
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】王小虎, 李鸿光, 孟光
【申请人】上海交通大学