智能动压轴承的控制系统和控制方法与流程

本发明涉及轴承技术领域，具体涉及一种智能动压轴承的控制系统和控制方法。

背景技术：

动压轴承是一种以动压流体为润滑介质的滑动轴承，分为液体动压轴承和气体动压轴承。由于摩擦阻力小、承载能力强且结构简单，动压轴承在工业中有着广泛的应用。

液体动压轴承以液体(例如润滑油)为润滑剂，承载能力较强，然而轴颈线速度有限，限制了其在高转速范围的应用。气体动压轴承采用气体作为润滑剂，摩擦损失极小，然而存在低速磨损和稳定性差的问题。

技术实现要素：

本发明提出了一种智能动压轴承，其基于主动控制而兼具气体动压轴承和液体动压轴承的优点，当转子以低速运转时，采用液体润滑减少轴颈和轴瓦的磨损；当转子以高速运转时，采用气体润滑降低摩擦损失和发热功率；当轴承本体或转子载荷增加时，采用液体润滑改善轴承承载能力和阻尼特性。

智能动压轴承在气体润滑和液体润滑2种工作方式之间的变换依赖于对转子-轴承系统工作状态的准确判断和供液系统(执行器)供液量的精准调节，轴承的控制对轴承的性能起到重要作用。

本发明还提出了一种智能动压轴承的控制系统和控制方法，其目的是实现智能动压轴承的主动控制。通过传感器信号判断转子-轴承系统状态和轴承最优工作方式，通过控制供液量实现轴承本体在气体润滑和液体润滑两种工作方式中变换，从而使轴承始终以最佳工作方式运行，实现高转速、低磨损和超稳定的工作特性。

为实现上述目的，本发明可以采用下述方案。

一种智能动压轴承的控制系统，其包括传感器、执行器和控制单元，所述传感器用于监测轴承本体或由所述轴承本体支撑的转子的至少一个运行参数并将监测到的运行参数发送给所述控制单元，所述至少一个运行参数至少表征所述转子的转速，或者所述至少一个运行参数至少表征所述轴承本体或所述转子的运行载荷，所述执行器用于向所述轴承本体供给润滑液体，所述控制单元用于经由所述执行器控制所述轴承本体的工作状态，使得：

在所述转子的转速小于预定速度，或者所述轴承本体或所述转子的运行载荷大于预定载荷时，所述执行器向所述轴承本体供给润滑液体，以使所述智能动压轴承作为液体动压轴承工作，

在所述转子的转速大于或等于所述预定速度，并且所述轴承本体或所述转子的运行载荷小于或等于所述预定载荷时，所述执行器停止向所述轴承本体供给润滑液体，以使所述智能动压轴承作为气体动压轴承工作。

在至少一个实施方式中，所述执行器包括：

电动油泵，其用于将润滑液体经由管路供给到所述轴承本体；以及

调压装置，其用于根据所述控制单元的指令信号，将所述管路中的液体压力调节至设定值。

在至少一个实施方式中，所述控制单元连接到所述电动油泵并控制所述电动油泵的工作状态，所述控制单元还连接到所述调压装置以控制所述调压装置调节所述管路中的润滑液体的压力。

在至少一个实施方式中，所述传感器包括用于监测用于将润滑液体供给到所述轴承本体的管路中的液体压力的压力传感器，所述压力传感器连接到所述控制单元并将监测到的压力数据发送到所述控制单元。

在至少一个实施方式中，所述传感器包括转速传感器和/或位移传感器。

在至少一个实施方式中，所述轴承本体包括轴承座和轴瓦，所述轴瓦用于支撑作为所述转子的转轴，

所述转速传感器用于监测所述转轴的转速，所述位移传感器用于监测所述转轴的径向位移。

在至少一个实施方式中，所述传感器包括沿着所述转轴的周向隔开90度地布置的两个位移传感器，所述两个位移传感器用于确定所述转轴的轴心的位置。

一种智能动压轴承的控制方法，其使用根据本发明的控制系统。

在至少一个实施方式中，所述控制方法包括如下步骤：

在所述转子即将开始或刚开始转动时，所述控制单元控制所述执行器向所述轴承本体供给润滑液体，以使所述智能动压轴承作为液体动压轴承工作；

在所述传感器监测到所述转子的转速达到气体动压轴承的工作转速后，所述控制单元控制所述执行器停止向所述轴承本体供给润滑液体，以使所述智能动压轴承作为气体动压轴承工作；以及

在所述传感器监测到所述轴承本体或所述转子载荷突变或失稳时，所述控制单元控制所述执行器向所述轴承本体供给润滑液体，以使所述智能动压轴承作为液体动压轴承工作。

在至少一个实施方式中，所述控制方法包括如下步骤：

在所述传感器监测到所述转子的转速低于气体动压轴承的工作转速且大于零时，所述控制单元控制所述执行器向所述轴承本体供给润滑液体，以使所述智能动压轴承作为液体动压轴承工作；以及

在所述传感器监测到所述转子的转速等于零时，所述控制单元控制所述执行器停止向所述轴承本体供给润滑液体。

在轴承本体以气体润滑方式运行过程中，控制单元根据位移传感器的信号对转轴状态进行监测，当判断转轴负荷突变或出现失稳风险时，打开泵为轴承本体供液，并通过调压装置调节管路中的供液压力，控制轴承本体供液量，改善轴承本体的承载特性，提高转轴工作的稳定性。

当控制单元判断转轴稳定工作且载荷在一定范围内时，关闭泵，轴承本体以气体润滑方式运行。

当控制单元判断转轴即将停转或转速低于一定限值时，打开泵，轴承本体以液体润滑方式运行直至转速再次高于限值或转轴停转。

本发明的智能动压轴承的控制系统和控制方法的有益效果包括：通过转轴转速和位移信号综合判断轴承本体或转轴状态和轴承的最优工作方式，使轴承本体及时、准确地在气体润滑和液体润滑2种工作方式之间变换，确保轴承始终以最优工作方式运行，降低能耗、减少磨损、延长寿命、确保稳定；通过闭环控制管路中的液体压力，精确调节供液量，实现液体润滑条件下轴承承载特性可调。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的智能动压轴承的系统示意图。

图2是图1中的智能动压轴承的轴承本体的结构示意图。

图3是根据本发明的一个实施方式的智能动压轴承的控制方法的流程图。

附图标记说明

101轴承本体，102转轴，103液体存储器，104泵，105滤清器，106调压装置，107压力传感器，108转速传感器，109位移传感器，110控制单元；

201轴承座，202轴瓦，203液体容槽，204供液孔。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

如图1和图2所示，本发明的一个实施方式提供一种智能动压轴承，该智能动压轴承包括轴承本体101、供液系统及控制系统。

轴承本体101包括轴承座201和轴瓦202。在轴瓦202的内周面形成有周向延伸的液体容槽(例如，油槽)203。轴承座201和轴瓦202形成有与液体容槽203连通的供液孔(例如，油孔)204，用于将润滑液体(例如润滑油)引入液体容槽203。轴承座201为静止端，可以通过例如螺栓固定到旋转机械的机身，轴承座201用于固定轴承本体101及支撑轴承载荷。轴瓦202可以通过刚性或弹性支撑固定在轴承座201上。

供液系统包括液体存储器(例如，油箱)103及依次连接的泵104、滤清器105、调压装置106和压力传感器107。供液系统工作时，通过泵104产生压力，经过滤清器105过滤和调压装置106调压后，液体通过管路进入供液孔204。供液孔204具有节流作用，通过调节管路内液体的压力，可以实现对轴承本体101供液量的调节。流过供液孔204的液体存储到液体容槽203，在转轴102的转动作用下进入由轴瓦202与转轴102构成的运动副表面，实现润滑和支撑功能。

本实施方式的智能动压轴承的控制系统包括传感器、执行器和控制单元110。

传感器包括转速传感器108、位移传感器109和压力传感器107。转速传感器108可以采用霍尔式转速传感器，与转轴102上的信号齿配合，测量转轴102的转速。位移传感器109可以采用电涡流位移传感器，2个相互正交的位移传感器109安装于转轴102的轴颈附近的沿转轴102的周向隔开90度的位置，以确定转轴102的轴心的位置。压力传感器107可以采用压阻式压力传感器，用于测量管路中的润滑液体压力，以确定提供给轴承本体101的液体量。

执行器包括泵104及调压装置106。泵104可以采用电动油泵，通过继电器控制其开启和关闭，用于适时为轴承本体101提供润滑液体。调压装置106可以采用电控调压阀，根据来自控制单元110的指令信号，将管路中的液体压力调节至设定值。

控制单元110可以包括信号采集模块、驱动输出模块、通讯模块和微处理器等部分。信号采集模块用于采集传感器的信号，驱动输出模块用于控制执行器工作，通讯模块用于和其它相关控制单元进行通讯，微处理器用于控制各模块执行设定的程序。

图3示出了根据本发明的一个实施方式的智能动压轴承的控制方法。

转轴102起动前，控制单元110开启泵104，根据压力传感器107的信号，通过调压装置106将管路中的液体压力调节至预设值，为轴承本体101提供适量润滑液体；转轴102起动过程中转速较低时轴承本体101以液体润滑方式运行。

根据转速传感器108的信号，当控制单元110监测到转轴102转速达到气体动压轴承的最低稳定工作转速时，关闭泵104，停止供液，轴承本体101中的润滑液体通过端部泄漏(例如，回到液体存储器103)，轴承本体101以气体润滑方式运行。气体动压轴承的最低稳定工作转速与轴颈尺寸及转轴载荷等因素有关，通常由试验预先测试得到最大载荷下的最低稳定工作转速，并作为阈值写入控制单元110的存储器中。

在轴承本体101以气体润滑方式运行过程中，控制单元110根据位移传感器109的信号对转轴102的状态进行监测，当判断转轴载荷突变或转轴存在失稳风险时，打开泵104为轴承本体101供液，并通过调压装置106调节管路中的供液压力至预设值，控制向轴承本体101的供液量，轴承本体101以液体润滑方式运行，改善轴承本体101的承载特性，提高转轴102工作的稳定性。

当控制单元110判断转轴102稳定工作且载荷在一定范围内时，关闭泵104，轴承本体101以气体润滑方式运行。

当控制单元110判断转轴102即将停转或转速低于气体动压轴承的最低稳定工作转速时，打开泵104，为轴承本体101供液，调节管路中的供液压力至预设值，控制向轴承本体101的供液量，轴承本体101以液体润滑方式运行，直至转轴102的转速再次达到气体动压轴承的最低稳定工作转速或停转。更具体地，在转轴102的转速再次达到气体动压轴承的最低稳定工作转速时，关闭泵104使轴承本体101以气体润滑方式运行；在转轴102停转时，关闭泵104。

应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。

(1)例如，本发明的智能动压轴承不限于支撑转轴102，还可以支撑作为转子的其它构件。

(2)不是所有的传感器(107、108、109)都是必须的，本发明的智能动压轴承可以设置更少或更多的传感器。而且，可以从其它装置或传感器向控制单元110发送信号，控制单元110也可以将接收到的传感器信号或控制信号发送给其它装置(包括但不限于显示装置)。

(3)仅出于解释的目的而作出关于供液系统和控制系统(以及控制系统的传感器和执行器)的划分，还可以对图1中各构件进行其它形式的划分或分组，这种划分或分组不用于限制本发明的范围。