专利名称：支撑转动设备的液压轴承和与之相关的液体处理系统及其控制系统、方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及尤其适用于支撑轴上转动设备的器件。更确切地说，本发明涉及一种支撑转轴的液压轴承，其中通过处理系统向轴承注入液体以便保持转轴相对于固定件的间隙。本发明包括通过液压轴承对作为动、静态载荷函数的轴运动进行动态准直和平衡的控制系统。
转动设备，特别是暴露于恶劣环境和循环或冲击载荷下的设备迄今为止并没有得益于对导致转动及固定部件磨损的紧急转动进行动静态补偿的轴承支撑件。此外，这些在轴承支撑件上形成间歇式载荷或恒定载荷的冲击和其它不规则载荷例如由于转轴运动产生的力而导致的轴承载荷不能用“慢响应”轴承来描述。
虽然大多数轴承例如滚珠轴承组件、液压轴承和磁性轴承等转动部件之间均依托润滑油薄膜，但是目前在单独通过流体静压力支撑轴方面也已经做出了许多努力。
下述专利反映了申请人了解的和为尽到申请人公开已有技术责任而在本说明书中引用的已有技术状况。然而在考虑任何可能的组合时这些专利中没有一项专利既能单独给出本发明的教导又能使本发明显而易见，在下文中和尤其在权利要求中将对本发明的各种关系进行更详细的描述。
专利号 授权日 发明人2,459,8261949.1.25Martellotti2,578,7121951.12.18 Martellotti2,578,7131951.12.18 Martellotti2,692,8031954.10.26 Gerard2,879,1131959.3.24DeHart2,938,7561960.5.31Loeb3,023,7821962.3.6 Chaves，jr.，et al.
3,053,5891962.9.11Cameron3,228,4231966.1.11Moog，jr.
3,271,0861966.9.6 Deffrenne3,357,7591967.12.12 Stephenson3,395,9521968.8.6 Deffrenne3,403,9481968.10.1Deffrenne3,432,2131969.3.11Adams3,442,5601969.5.6 De Gast3,588,2021971.6.28Johnson3,617,1021971.11.2Wada，et al.
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4,767,2231988.8.30Goodwin4,834,5591989.5.30Kalvoda4,944,6091990.7.31Salter，jr,et al.
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5149,206 1992.9.22Bobo5,197,8071993.3.30Kuznar5,201,5851993.4.13Gans，et al.
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5,238,3081993.8.24Lang，et al.
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GB21218921984.1.4 MohsinJP00451101986.5.3 Nippon Seiko K.K.
1977年7月12日授予Cunningham专利权的美国专利4,035,037中提供了一种液压轴承支撑件，其中多个压力盘与具有中心孔的外壳相互作用，所述中心孔用于容纳转子而在中心孔和转子之间设有传统的轴承组件。该装置使用了液体膜轴承，但与本发明不同，这种轴承不能使液体靠近转子以直接改变其力的分布情况从而不能形成对转子的中心支撑。
1988年8月30日授予Goodwin的美国专利4,767,223中提供了液压轴颈轴承的使用，其中用一个非驱动蓄液器来响应发生在间隙内的变化，所述间隙存在于轴颈和其外周的轴承套之间。
1973年7月3日授予Kano等人的美国专利3,742,653中提供了轴的径向位移控制装置的使用，其中在轴的周围设有多个周向相隔的压力槽以便通过控制阀差动地导入加压液体从而控制轴的轴线产生径向位移。由于该装置的目的是控制转动轮的输送以便在转动循环中形成全自动化，所以转动循环反映了可预测的力分布情况。
1980年3月18日授予Miyashita等人专利的美国专利4,193,644中提供了伺服控制系统对液压支撑件例如机床工作台或转轴进行定位的使用，其中闭环控制系统包括差动放大器，其在部件的位移量和参考信号量之间进行减法运算。伺服放大器传递控制信号而伺服阀在接收到控制信号时将向部件施加工作压力。
所有上述特别讨论过的专利和那些被引用用以显示已有技术状态的专利都不能对轴的扰动形成瞬时响应，所述轴的扰动会产生谐振频率和振动而且会使轴产生偏离正中心的转动。已有技术中没有解决的另一个问题是由于不可压缩液体理论上在转动件和它的固定支撑件之间形成了理想的减震效果，所以不可压缩液体在响应动态变化特别是突然出现的不期望的载荷和高速振动的能力方面还存在固有的滞后。
本发明在很多方面与公知的已有技术不同。首先，本发明解决了与液压流体有关的惯性问题。此外，快速传递液压流体所需的方案包括最初进行的对导致轴中心位置偏移的异常情况进行精确检测。一旦测出偏差，通常需要通过瞬间输送校正液体来纠正所述偏差。按照本发明，该问题是通过液体分配口而解决的。这些分配口通过伺服阀向径向相对的轴承侧面分配液体。事实上，伺服阀向轴上径向相对的各侧面分配大量恒定流量的液体以保持液压效果。此外，除了静偏压流之外本发明还提供一种动态均衡的液流以便通过与轴/系统的力产生反作用来有效减小振动。结果，在输送校正的液体时没有明显的时间滞后，从而能传递稳定的轴转动。
此外，由于已有的液压轴承具有“旋流”(在转轴和流体之间存在的且在转动时使流体与轴接触的表面摩擦力)问题，所以本发明通过除了形成静态偏压流之外主要以形成动态均衡液流的方式对轴产生反作用而对液体旋流形成了强压。监视轴位置的异常位移。以在算出的方向上形成液压差的形式对存在的异常情况进行补偿以消除异常。当与分配口相结合时，对异常情况的反应基本上是瞬时的，因此可形成平衡的高速转动。
通过以下对发明目的的讨论将可以论证本发明在工业上的应用。
因此，本发明的主要目的是提供一种新的和新型的液压轴承系统。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的装置，其基本上能瞬时响应因轴偏移而导致的异常。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的装置，其中将减小因轴转动对液体产生的影响，并由此减小旋流。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的装置，这种装置在使用时极可靠而且能提高在受此影响下与机器工作情况相关的安全性。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的装置，其可以通过向转轴(例如在线操作的机器上的轴)的相对区域传递差动液压产生的扰动然后根据得到的特性、原始特征或特殊的机械标记对机器进行实时监视和分析。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的装置，其利用液体处理和控制信号来测量内部机械力。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的装置，这种装置既使在例如所述机器是掉下一个叶片的透平机时也会保持机器平衡，因此本发明有足够时间关闭机器从而不会导致灾难性后果。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的装置，这种装置可以在间隙内对在线工作的机器进行准直从而使机器具有极好的功率和/或稳定性等机械特性。
从第一优点的角度看，本发明的目的是提供一种用于控制轴进动的轴承系统，其以彼此组合的形式包括轴、轴外周上的轴承体、轴承体上具有通向轴的开口装置，不可压缩液体通过开口装置支撑轴使其离开轴承体，安装在轴上的进动检测装置，和受检测装置驱动并使不可压缩液体通过开口抵制轴进动的不可压缩液体引导装置。
从第二优点的角度看，本发明的目的是提供一种减少轴进动的方法，该方法包括监视轴的进动情况，通过液体与轴的接触包括通过开口向轴输送与液流径向相反的液体来抵制轴的进动，测定相反的液流是否具有压差，并向开口施加差动压力。
从第三优点的角度看，本发明的目的是提供一种轴支撑件，其以彼此组合的形式包括轴承体、穿过轴承体的轴、监视轴进动情况的传感器、将传感器的输出与标准值相比较的装置、根据传感器数据向轴承体输送连续量的液体的装置、和防止在轴和轴承体之间的区域上发生旋流的装置。
从第四优点的角度看，本发明的目的是提供一种模拟差动轴力以判断在线加工机械转轴工作参数的方法，其步骤包括在系统异常时激发转轴工作；监视转轴的实时响应标记；处理实时响应标记以得到机械特性；对转轴施加相应的激励；和监视后序的与异常纠正相应的目标。
从第五优点的角度看，本发明的目的是提供一种用于测量作用在运行机器转轴上的内部机械力的方法，其步骤包括根据控制信号把机器转轴上的液体力从至少一个阀中引出；监视轴对引入其上的液体力的响应情况；向至少一个阀提供相应的控制信号；和控制轴上的液体力直至轴重新定位。
从第六优点的角度看，本发明的目的是提供一种用于支撑机器轴的液压轴承，其以彼此组合的形式包括围绕在轴外部的轴承体，轴承体上带有引向轴的开口装置；通过开口装置提供液体偏压流以支撑轴使其离开轴承体的液体处理装置；和用于除引导静态偏压流之外还引导动态均衡液流流过开口装置以便传递稳定的轴转动的装置。
在下面结合附图进行的更详细的描述中将能进一步体现本发明的这些和其它目的。
图1是在加载的轴两侧上设置的本发明所述的采用液压轴承装置的加载轴承轴的示意图。
图2是沿图1中的线2-2截取的局部剖面图，其表示本发明所述轴和轴承上的载荷情况。
图3是与图2相似的视图，但其中的载荷已得到校正。
图4和图5表示轴承的一种结构形式，这种轴承结构可输送液体以形成图3中所示校正。
图6和图7表示另一种轴承结构形式，这种轴承结构可以输送液体以形成图3中所示的校正。
图8是表示将液体输送到图3所示液压轴承上的流程图。
图9是图8所示的流程图，其表示把液体输送到图3所示轴承上的另一种手段。
图10表示将液体输送到液压轴承的伺服阀之细节图。
图11表示图10中接收控制信号的伺服阀的简化图。
图12表示图10中的伺服阀的柱处于中间位置时的简化图。
图13表示图2中示出的每个适配板的底部平面图。
图14表示图2中示出的每个适配板的顶部平面图。
图15表示一个传感器装置，其向控制电路提供控制信号以便控制图10中的电动机并进而控制轴的位置。
图16是液体处理系统和轴承的电液控制系统的概括图。
图17表示按照本发明所述液压轴承装置的简化单通道控制电路方框图。
图18和图19详细描述了水平和垂直控制器电路的一种形式。
图20、图21和图22是图18及图19的进一步细化。
图23A和图23B详细描述了水平和垂直控制器电路的另一种形式。
图24详细描述了水平和垂直控制器电路的另一种形式。
图25和图26详细描述了用于使系统模式化的水平和垂直控制器电路的一种形式。
图27是一对液压轴承的示意图，所述液压轴承以在轴向上彼此隔开一定距离的形式设置在轴的两侧上，该两侧之间施加了载荷。
图28是X、Y和Z传感器以及模式识别传感器相对于轴的位置的示意图。
图29、图30、和图31是用本发明所述的液压轴承装置对Z轴的偏移进行液体补偿的示意图。
就附图而言，在各图中用相同的参考标号表示相同的部件，参考标号10表示本发明所述的装置。
就主要方面而言并参照附图，本发明提供了一种动态平衡的液压轴承系统12(图2)，其包括液体处理系统50(图8和图9)以及控制系统200(图18)。液体处理系统50优选包括两个伺服阀16、18(图2)，其引导液体通过轴承体15中的液体轴承14的开口21、23、25、27(图5)从而将液体力“F”施加到机器M的转轴S上。控制系统200提供操纵伺服阀16、18的控制信号以便控制液体通过开口21、23、25和27的流量，该液体流量将使转动轴S和固定的液体轴承14之间形成间隙。液体使转动轴S悬移并离开机器M的轴承14，同时有效地控制了转动轴S的动静态运动。
控制系统200的一个实施例使用了至少一个XY近效应传感器对202、204(图16)来测量转轴S相对于轴承的动静态运动。当将两个传感器彼此正交固定时，XY近效应传感器对202、204形成了转轴在轴承中的两维位置坐标。第三近效应传感器206(图16)可以相对于X和Y近效应传感器对202、204正交固定从而得到转轴S在轴承14中的三维位置坐标。
每一个近效应传感器把转轴的运动转换成电压信号。近效应电压信号输出到控制电路220(图18和图19)。控制电路220接收作为输入信号的电压信号，而且该电路包括将这些输入信号与一组参考电压相比较并且获得输入信号与参考电压之间差值信号的装置，所述参考电压与所希望的轴与轴承之间的相对位置有关。优选使比较装置的输出通过控制电路中的多个PID(比例积分微商)电路。PID电路接收比较装置的输出信号作为它的输入信号并给出PID输出信号，这些信号是与来自比较装置的输入信号成正比的微商信号和积分信号。然后利用增益对每个PID电路的PID输出信号进行加权并通过加法电路将其相加。每个加法电路随之向电压-电流转换电路输出信号，电压-电流转换电路输出电流信号，该电流信号驱动各伺服阀引导液体并进而将液体力引到转轴上使其反作用于转动系统的力从而有效地控制转子的动态运动、定位和稳定性。
更具体地说，并参照图1，其示意性地示出了受监视的机器M相对于其轴的运动在三个方向上产生的位移相对于轴承在径向和轴向上。在图15中可以看到径向位移的普通监视器。在此，轴S将随由机器M产生的振动而运动。机器M可以是任何具有需要轴承支撑的轴的设备，例如可以是透平机、泵、原动机、发动机或类似物。第一和第二传感器202、204分别受轴S的近效应传感器的影响。由于传感器202、204布置成90度，所以它们可以表示成X和Y座标系统。优选对传感器202、204进行原始定位以校准它们与轴S的距离使之为公知量。通过相对于支撑件210旋动外部有螺纹的每个传感器208可以实现距离校准，所述支撑件210上具有与外部螺纹部分208相互补的内螺纹。导体212和214传送相对于“X”探头202和“Y”探头204的信息。
参照图16，在轴承装置12的两侧上设有一对XY观察探头202、204以便观察轴靠近轴承14两侧的情况。此外，在靠近远离轴承装置12的轴处设有一对模式探头232、234。
参照图28，图中示出观察探头202、204设在轴承装置12的一侧上而模式探头232、234设在轴承装置12的另一侧上由此可观察轴靠近轴承14的情况。此外，第二对模式探头236、238设在离开轴承14和靠近轴S的位置上以便提供模式识别信号，该信号可输入到控制电路200中以便通过谐振来改变轴承的特性。此外在靠近轴S的轴环处可以有效地耦接差动膨胀式或运动传感器206以便测量轴S在Z方向上的移动。
如图2所示，轴承体15包括围绕在轴S外周上的液压轴承14。在该图的描述中，轴S没有对称地设在轴承14的间隙内而且轴顶部处的间隙G大于底部的间隙。本发明的核心在于，通过图2中示出的伺服阀16、18可以将液体供给径向相对的各对侧面中，所以来自伺服阀16的力F1与F3径向相对，同时通过伺服阀18传递了相对的力F2和F4。可以根据图1中传感器202、204的读数来改变这些相对力的幅值。因此，图3反映了在适当校正液压之后轴S对称地设在轴承体14中的情况。在轴承体14中轴S的四周没有出现异常的间隙G。现在轴受到稳定支撑而且与轴承体14形成均匀的相同距离。
另一方面，液压轴承装置可以在轴上有意地提供使轴在轴承间隙中非对称设置的液体力。例如，如果轴变得不平衡，本发明能够瞬间响应导致轴偏离中心而引起的波动从而消除不平衡和/或振动，同时在轴S和轴承14之间保持最小的错误公差。
参照图4和图5，其公开了轴承14的一种形式。如图2中所示，来自伺服阀16和18(将要描述)的液体能够通过径向开口和槽进入轴承。特别是伺服阀16输送液体使之穿过适配板17和轴承体15，然后进入开口21和23，同时伺服阀18输送液体使之穿过适配板19和轴承体15，然后进入开口25和27。
所有开口通过槽22与轴承体15的内部连通，槽22在图4中示为呈矩形形状。然而，实际上其几何形状可以是任何形状。图5中示出了每个槽22都有一条具有基本上为恒定曲率半径的弧形切除部分28。
此外，参照图6和图7，其公开了轴承14的第二种形式。如图中所示，来自伺服阀16、18的液体能够通过槽进入径向开口。具体地说，伺服阀16将液体送入开口21和23，同时伺服阀18将液体送入开口25和27。所有开口都通过槽22在轴承14的内部连通，在图6中将槽示为“舟”形。实际上所述的几何形状可以是任何形状而且可以是宽度为24的椭圆或卵形，所述宽度24平行于轴的轴线而且其尺寸小于圆的周长长度26。图7表示槽22上带有具有恒定曲率半径的弧形切除部分28。
仍然如图7所示，轴承14上设有多个抗旋流开口32。可以用这些开口引导靠近每个径向开口的附加液体。在沿轴S的轴向区间彼此相隔和沿开口槽22的宽度24延伸的径向开口槽(图6)的每一侧上设置一对抗旋流开口32。这些开口32阻碍旋流形成而且具有图6中所示的泪滴形形状，开口上带有引导缘34，该引导缘的尺寸小于后缘36。引导缘34可以面对图2中所示转轴沿顺时针转动的方向。每个抗旋流开口32包括一个与较宽入口40连通的窄腔38，入口40可容纳来自支路的液体，所述支路从图8所述液体通路50中分出。
如图所示，液体处理系统50包括向高压泵54供液的主蓄液器52。高压泵54以可控速率向径向入口21、23、25和27输送液体。高压泵54还能够向抗旋流入口32输送液体。第一伺服阀16和第二伺服阀18插在各入口之间。液体分成两条通路，一条通路与每个伺服阀连通。伺服阀16、18受上游高压过滤器56、高压减压阀58和压力规59的保护，所有这些器件都能把不希望得到的液体送回到主蓄液器52。
更确切地说，高压过滤器56设在泵54和伺服阀16、18之间。高压过滤器56的上游是减压阀58，减压阀带有引向主蓄液器52的支路60。减压阀58的上游是安全旁路62，其处于引向主蓄液器52的另一条支路64上。所述存在于伺服阀16、18中的液体从轴S和轴承14间的间隙中逸出并被抽到回收蓄液器66，在此通过泵68并经过滤器70过滤后回到主蓄液器52。在主蓄液器中对液体的温度进行控制而且主蓄液器包括温度响应出口72，该出口与冷却泵74连通，冷却泵在过滤器75对液体进行过滤后把液体引入热交换器76。热交换器76可以是空冷或水冷的，或是使用其它液体进行冷却。经过热交换阶段之后，将液体重新引回到主蓄液器52。
参照图9，主蓄液器52还向第二高压泵84输送液体。高压泵84以可控速率向“第五开口”或下面将要描述的各伺服阀16、18的第二级输送液体。液体分成两条附设通路，一条通路与各伺服阀的每个“第五开口”连通。伺服阀的第五开口受附设的上游高压过滤器86及高压减压阀88的保护。用压力规89和压力传感器来监视流向“第五开口”的液体并提供反馈信号。
应该注意到，很多需要在这种环境下使用的机器M例如某些泵等都要在液体通路中工作。本发明特别适合包括液体通路这样的环境，这是因为可以将机器中存留的相同液体作为支撑轴承体14中的轴的液体材料使用。这实际上意味着，可以省去或减少密封和所耗费的液体润滑系统。
参照图16，控制系统200对从传感器202、204发出的信号进行处理，然后将其作为输入信号输送到每个伺服阀16、18的输入导线90(图10)，由此对径向相反的力F1和F3以及F2和F4进行匹配以补偿轴的进度和抵消振动。通过输入(下面将解释)由传感器202、204产生的电信号可以将控制信号到伺服阀16和18。在图10中标号90表示输入导线。
参照图10和11，每个伺服阀16、18包括一个第一级控制器或转矩电动机92，该电动机通过输入导线90可控地耦接到控制系统200上。转矩电动机92将控制信号(电流信号)转换成机械力或机械运动。柔性管98支撑电动机92的转子96并且还在每个伺服阀16、18的液体和电气部分之间起液体密封作用。装在转子96中心处的是舌板100和反馈杆102，反馈杆的一端设有球形件或宝石块104。舌板100和反馈杆102向下伸过柔性管98。柔性管98起弹簧的作用，其用于限制舌板100在两个喷嘴座106之间的运动。
输入端90有效地耦接到电动机92的一对线圈94上并将来自控制系统200的输入信号送到线圈94上以便使转子端部极化和相应地在绕双端箭头“C”运动的转子96上建立转矩。悬挂于转矩电动机92的舌板100和反馈杆102同样受到因沿双端箭头“C”摆动而产生的沿箭头“D”的影响。这表明其本身在提供液流时向位于舌板100两侧的一对喷嘴座106和舌板100施加偏压。舌板100与喷嘴座106的关系影响着入口液体从“P5”开口流向第一液体支路108或第二液体支路110的大小。这些支路的液体从图9中示出的液体通路引出。
由于从“P5”开口(图11)流出而导致的液压放大效果作用到喷嘴座106上由此可以控制与来自导线90的输入信号成正比的较大第二级流。通过使用安装在舌板100上的反馈杆102使球端104与第二级滑柱式阀120紧密配合可以实现内反馈。
参照图11，假设输入信号使舌板100移向喷嘴座106。这导致更大的液量流入通道110并增加了使阀柱左移的右柱122上的压力而且除了从各出口流出的静态偏压流之外还有从出口“A”和“B”流出的动态比例流。液体流过通道110时将在滑柱式阀120上产生偏压和在滑柱式阀120的一个右手侧柱头122上形成较大压力。这将使滑柱式阀沿箭头“E”的方向产生偏移。然而，液流最好流入另一个支路通道108，这时箭头“E”的方向将相反。这可以通过使电输入信号反向而实现。通过反馈能实现最佳的流量控制。通过向伺服阀16、18提供恒定的压力和流量可以使输出控制流无限地正比于输入信号和非流量值。
反馈杆102弯曲并向舌板100施力，由此使舌板100回到喷嘴座106之间的中间位置。此外，滑柱100定位于由于输入信号(电流)的作用而使杆102的反馈力等于转矩电动机92的力的那一点上。滑柱100停止在这个位置上，而且舌板100处于中间位置直到输入信号变成新的电平为止。
每个滑柱式阀100包括处于滑柱式阀两相对端上的两个头98。此外，滑柱式阀具有一个芯102。两个头98和芯102可以达到特定的密封程度以控制液体绕其流动。来自图8的液流通过开口进入伺服阀16、18并以一定流率通过一部分滑柱100，所述流率可用不将压力传送到伺服阀16、18的开口“I”和不传递滑柱式阀120相对于其外壳110的相对位置的方式加以控制。外壳110包括头122、124之间的可控间隙和内孔132。因此，流入通道“I”的液体将沿箭头“N”运动并在图2中所示力F1、F3和F2、F4的作用下从伺服阀16和18中排出。
滑柱块120的每个头122、124具有一个机械压力挡圈130，在挡圈处头122、124与滑柱式阀120的内孔132相接触。压力挡圈使来自通道104的液流连续循环流过以形成液体力F1、F3从而确保轴颈总是存有液体。这样便确立了在没有机械构件作用下确保轴颈总是保持足够的液体支撑。另一个开口“R”是防止头134存留液流的开口，这将保证不会出现过压。芯126有效地与宝石块104耦接，其通过反作用于很强的机械力或电脉冲来防止滑柱式阀120的过度补偿。也就是说，宝石块104对滑柱式阀120的极度摆动(节流)产生反作用并通过杆102产生反向平衡反馈使阀106再度平衡。
来自图8和图9的液流通过各适配板17和19(请看图2，图15，图16)的通道“I”和“P5”进入伺服阀16，18，所述适配板分别通向伺服阀16、18的标记口“I”和“P5”(图1 1)。通过图8中的支路送到伺服阀的液体引向“I”通道和每个伺服阀16、18的开口。当液体沿箭头“N”流动时，所述液体将流过每个头122、124下面的压力挡圈130并排出以确保轴承14和轴S在液量很少的情况下总是保持分离。因此，既使当滑柱式阀120处于中间位置也会有液流流向轴承14。
如图9所示送到的液体进入“P5”通道和各适配板17、19的开口(图10)以及伺服阀16、18。因此，当响应振动或不平衡的输入信号使舌板100朝着右侧喷嘴座106移动时，将压力从每个伺服阀16、18的“P5”开口引向右滑柱头122并使滑柱向左移动和形成除静偏压流之外的动态比例液流以便对转动形成反作用。因此，用输送校正液的方式可以消除任何明显的时间滞后。
图10中示出了控制电路的示意图而图9中示出了与之相关的方框图。图10中示出的运算放大器(op-amps)可以是标准的四倍低倍型。由Motorola制造的MC3403Pop-amp便是这种四倍低倍op-amp的一个实例。优选使用双电源向op-amps提供36伏直流差分信号。
参照图10和图9，XY近效应传感器的电压输出分别直接耦接到op-amps 1c和2c的非转向输入端(管脚10)。这些近效应信号包括每个轴的所有信息，这些信息反映的是转轴任何时刻所处的位置情况。这些信号包括代表转轴静止位置的负直流间隙压和代表转轴动态运动的动态电压。当转轴移离任何一个近效应传感器时，来自该传感器的信号电压将变得更负而当转轴朝着任何一个近效应传感器移动时，来自该传感器的信号电压将变得更正。
为了在任何给定的时刻确定转轴是否处于理想位置，必须把实际信号(近效应电压信号)与表示转轴理想位置的参考信号(静置点)相比较。水平(X)和垂直(Y)参考信号分别由op-amps 1b和2b提供。这些op-amps上设有可调的直流电压输入端而且构成单反馈的非转换电压跟随器。因此，op-amps 1b和2b的输出应该具有输入到op-amps中的近效应电压信号的相位。应注意到，可以用手工设定(或自动设定)负直流电压的方式作为改变代表转轴在轴承间隙中理想位置的日间信号的变换例。借助两个彼此正交固定的电路通路(从探头到电路再到启动伺服阀)，可以建立表示转轴在轴承中所处位置的两维坐标。
为了对静态设定点和实际静态和动态近效应电压信号进行比较，而使用了多个精确的差值放大器(测试放大器)。在水平信号通路中，op-amps 1c，1d和3a以及与其相关的电阻器构成水平测试放大器而在垂直通路中，op-amps 2c，2d和4a以及与其相关的电阻器构成垂直测试放大器。水平和垂直测试放大器的增益是1，因此每个测试放大器的输出在各设定点的电压和每个近效应电压信号之间存在差异。因此，由于两个信号都是负值，所以如果近效应电压信号比设定点更正的话，差动输出将是正的，反之亦然。从水平和垂直测试放大器输出的差值电压信号分别连到控制系统的PID(比例积分微商)电路中。
水平PID电路包括op-amps 3b，3c和3d而垂直PID电路包括op-amps 4b，4c和4d。水平比例电路在op-amp 3c附近形成而垂直比例电路在op-amp 4c附近形成。op-amps 3c和4c构成反向放大器，其增益通过反馈电阻和输入电阻以及每个op-amp 3c和4c的反向端之比来设定。op-amp 3c的输出端与第一双列直插式封装开关的开关S2相连而op-amp 4c的输出端与第二双列直插式封装开关的开关S2相连。双列直插式封装开关将在下面进行描述。
水平微商电路包括op-amp 3b而垂直微商电路包括op-amp4b。水平和垂直微商电路中每一个都构成输入电容器和反馈电阻器的形式。因此，水平微商电路和垂直微商电路中的每一个都输出与来自测试放大器的每个差分信号的瞬时微商成正比的电压信号。结果，每个微商电路根据来自测试放大器的输入信号变化比输出控制信号。所以，产生的水平和垂直微商控制信号与来自测试放大器的输入信号变化比相关而且使控制电路能够响应快速变化的范围。微商电路的作用是在每个水平和垂直微商控制信号上加入90度的相位提前。因此，当在控制电路中加入超前量时便可以看到一个模拟量。微商电路的增益简单地为反馈电阻与每个电路的输入电容的乘积。应注意到，理想差分的最低频率是由反馈电阻和输入电容引起的而理想差分的最高频率是由输入电阻和输入电容而引起的。水平和垂直微商电路的输出端分别耦接到第一双列直插式封装开关的开关S1上和第二双列直插式封装开关的开关S1上。
PID电路进一步包括一个水平和垂直积分电路。水平积分电路在op-amp 3d附近形成，其构成标准的反向积分放大器。而垂直积分电路在op-amp 4d附近形成，而且其构成反向积分放大器。两个积分电路都接收来自各测试放大器的差分电压信号并产生综合差分电压输出，该输出与接收到的信号积分值成正比。换句话说，转轴的实际运动与设定点之间的差距越长，则需要越多的控制电路来控制转轴在轴承中的位置。这将降低稳定状态和产生长期的位置误差。每个积分电路的增益是其输入电阻和反馈电容乘积的倒数且相位相反。水平和垂直积分电路的输出端分别耦接到第一双列直插式封装开关的开关S3上和第二双列直插式封装开关的开关S3上。
控制电路进一步采用了op-amps 5a和5b和与之相关的部件从而构成了一个振动发生器。优选使用Wein电桥式振动器结构作为振动发生器。用振动发生器协助减少伺服阀的滞后和将其设计成具有可变的输出频率和可变的输出振幅。优选把所提供的振动发生器耦接到第一双列直插式封装开关和第二双列直插式封装开关的开关S4上。由此，使每个伺服阀上都设有滞后补偿装置。
双列直插式封装开关在控制电路的各种组合中起到了柔性调节的作用而且使每个控制电路的总增益都能得到彼此独立地确定。
使用采用了op-amp 6a的第一反向加法放大器可以把从水平比例、积分和微商电路输出的信号相组合。使用采用了op-amp 7a的第二反向加法放大器可以把从垂直比例、积分和微商电路输出的信号相组合。应注意到，第一和第二反向加法放大器允许来自每个PID电路的每个比例、积分和微商信号具有单独可调的增益。
优先地，通过使用微调电位计(trimpots)作为加法放大器的输入电阻可以得到可调的增益。加法放大器的增益等于反馈电阻值除以输入电阻值(微调电位计的电阻)。
每个加法放大器的输出端耦接到电压-电流转换电路上。水平电压-电流转换电路在op-amp 6b附近构成而垂直电压-电流转换器在op-amp 7b附近构成。第一伺服阀上的第一串联连接的转矩转换器有效地耦接在水平转换电路的反馈回路中而第二伺服阀上的第二串联连接的转矩转换器有效地耦接在垂直转换电路的反馈回路中。每个转换电路包括一个有效地耦接在每个op-amp的输入端和电路接地端之间的微调电位计。可以通过调节每个电位计来形成送到各伺服阀的转矩转换器中的水平和垂直控制电压及水平和垂直控制电流之间的理想转换比例。
此外，op-amps 5c和7c分别构成水平和垂直非反向单电压跟随器。水平电压跟随器有效地耦接到第一加法放大器上而垂直电压跟随器有效地耦接到第二加法放大器上。水平和垂直电压跟随器的作用是缓冲从加法放大器输送到作为过程可变单元使用的计算机化集成系统中的各水平和垂直控制电压。
如图16所示，其给出了一个为原动机M的X、Y和Z轴偏移而设置的系统。对轴承14进行液体处理。液体的作用通过传感器202、204示出，其产生按上述方式处理的信号。存储在处理器250中并由监视器252监视的编档数据可以控制进入液体处理系统的信号或完成切断和/或保持操作和提供其结果的显示。
轴承系统12与控制系统200和液体处理系统50相互结合构成了随着机器的运转或在线操作对转轴进行准直的装置。当机器的温度上升和出现升温现象时轴承系统能对转轴提供连续准直。实事上，轴承装置12和液体处理系统50在受控制的情况下给予转轴大量均匀流动的液体从而保持了流体静压效果。此外，在机器运转或在线操作时本发明除了提供静态偏压液流之外还提供动态均衡液流以便使轴保持准直而且尤其是控制系统200还提供轴位置的反馈信息。因此，该轴承系统还允许对转轴相对于轴承的不同间隙位置进行实验直到找出得到最佳机器特性的间隙为止。可以用处理器250和监视器252对经验数据进行处理、存储和显示。
此外，该轴承系统具有瞬时控制轴的不平衡的能力，因此操作者有时间关断机器或继续操作直到决定出合适的动作。例如，透平机叶片部分或全部松动。在这种情况下机器的不平衡发生的如此剧烈和迅速以致于机器的操作者在对这种灾难作出足够快的反应判断前没有机会关断机器。而上述轴承系统通过瞬时响应急剧出现的不平衡从而预防灾难性的机器故障而解决了这一问题。例如，如果转轴出现不平衡，本发明能向转轴的相反区域上提供瞬时的差动液体力从而使转轴的中心偏移进而消除极不平衡现象和抖动，同时在转轴S和轴承14之间保持最小的误差。
该轴承系统的另一个重要特征是其允许操作者直接测量作用在轴上的机械力，而不必反回来查看转轴对机械力和应力作出的动态响应。该轴承系统允许操作者查看与机械力相关的不平衡起因。
机械力特别包括不平衡力、重力、预载力和液体力。所有这些力都作用在转轴上而转轴反作用于这些力。轴承系统反作用于机械力以便使机器稳定。因此，压在转轴上的液体力与压在液体上的机械力相关。所以，通过处理响应转轴上液体力的控制信号便可以得到与机械力有关的实时信号。因此，可以直接分辩机械力而不必从轴的监视装置中推导出。
还可以用该轴承系统作为在鉴别机器参数时使用的扰动装置。例如在图16中，可以将来自控制器的控制信号送到伺服阀中以便在转轴上形成从外部施加的扰动力。从外部施加的力在受图16中传感器监视的转轴上得到响应，所述传感器用于在机器保持在线操作时确定机器的参数。
图23A和图23B详细描述了水平和垂直控制电路的第二种形式。图24详细描述了另一种水平和垂直控制器的直接和正交补偿电路。
图25和图26详细描述了用于提供系统模式的水平和垂直控制器电路的一种形式，其中使用了参照图16中所述的例如靠近远离轴承装置12的轴设置的模式探头232、234和离开轴承14和靠近轴S设置的第二对模式探头236、238(图28)，所述探头产生以系统谐振为特征的模式识别信号。此外可以将不同的膨胀或运动传感器206有效地与控制电路相连以便测量轴S的Z向移动。
图27表示轴承系统的一个重要实施例，其由一对液压轴承构成，两轴承分别设在轴的两端侧上且相隔轴向距离X，轴的两侧之间加有载荷。在机器M两侧上两个距离较窄的轴承极大地增加了机器的抗偏能力并因此而增加了其稳定性。
此外，在图29、图30和图31中示出了轴承系统的另一个重要实施例。这些图是示意图，其表示用本发明所述的液压轴承系统形成X、Y和Z轴液体补偿的过程。在图29中，在轴向或Z方向上的液体力作用于设在轴S上的元件上。图30表示液体力通过作用于设在轴中的槽上而提供液体补偿。在图31中，液体力通过作用于轴的斜坡上来达到稳定和准直的目的。
此外，就上述发明而言，很明显在不脱离与上述和以下的权利要求所涉及的发明范围和清楚的意思表达的情况下可以进行大量的结构变换和适应性修改。
权利要求
1.一种用于控制轴进动的轴承系统，其以彼此组合的形式包括轴，所述轴外周上的轴承体，所述轴承体上具有通向所述轴的开口装置，不可压缩液体，其通过所述的开口装置支撑所述的轴使其与轴承体分离，耦接在所述轴上的进动检测装置，和不可压液体引导装置，其受所述检测装置驱动并使不可压缩液体通过所述开口抵制轴的进动。
2.根据权利要求1所述的轴承系统，其中不可压缩液体引导装置包括使不可压缩液体以低流率通过开口装置以支撑所述轴使其离开所述轴承体的装置。
3.根据权利要求1所述的轴承系统，其中不可压缩液体引导装置在所述进动检测装置的控制下驱动不可压缩液体的差动流通过所述开口装置以抵制轴的进动。
4.根据权利要求3所述的轴承系统，其口所述开口装置包括至少一对有效耦接到所述不可压缩液体引导装置上的相对的开口，所述不可压缩液体引导装置在所述进动检测装置的控制下驱动不可压缩液体的差动流使其通过所述的一对相对的开口以形成抵制轴进动的径向相对的液体力。
5.根据权利要求4所述的轴承系统，其中所述开口装置包括两对有效耦接到所述不可压缩液体引导装置上的相对的开口，所述不可压缩液体引导装置在所述进动检测装置的控制下驱动不可压缩液体的差动流使其通过所述的两对相对的开口以形成来自每对开口且用于抵制轴进动的径向相对的液体力。
6.根据权利要求5所述的轴承系统，其中所述的进动检测装置包括至少一对把轴的进动转换成电信号的XY传感器和控制电路，所述控制电路包括将这些输入信号与一组参考信号相比较的装置，所述参考信号与轴相对于轴承的理想位置相关。
7.根据权利要求6所述的轴承系统，其中所述的控制电路进一步包括多个PID(比例积分微商)控制电路，该电路有效地耦接到所述的比较装置上以便接收比较器的输出信号作为自身的输入信号并且还产生PID输出控制信号，这些信号是来自比较器的输入信号的微商信号、积分信号和比例信号
8.根据权利要求7所述的轴承系统，其中每个PID电路的所述PID输出信号由转换电路进行转换，所述转换电路输出反馈信号，反馈信号驱动所述的不可压缩液体引导装置引导差动流和使得除了所述的低流率液体外还有差动液体力作用在轴上从而产生系统力的反作用力并由此有效控制轴的动态运动、位置和稳定性。
9.一种减少轴进动的方法，该方法包括监视轴的进动情况，通过液体与轴的接触包括通过开口向轴输送径向反向流形式的液体来抵制轴的进动，测定反向流是否具有压差，和向开口施加差动压力。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过所述开口向轴输送低流率不可压缩液体。
11.一种轴支撑件，其以彼此组合的形式包括轴承体，穿过所述轴承体的轴，监视轴进动情况的传感器，将传感器的输出与标准值相比较的装置，根据传感器数据向所述轴承体输送连续量的液体的装置，和防止在轴和轴承体之间的区域上发生旋流的装置。
12.一种模拟轴的差动力以判断在线工作的机器转轴工作参数的方法，其步骤包括在系统异常时激发转轴工作；监视转轴的实时响应标记；处理实时响应标记以得到机械特性；对转轴施加相应的激励；和监视后序的与异常纠正相应的目标。
13.根据权利要求12所述的方法，其中激发操作包括通过与轴连通的开口注入液体。
14.根据权利要求13所述的方法，其中向转轴施加相应激励包括通过所述开口向轴注入差动比率的液体
15.一种用于测量作用在运行机器转轴上的内部机械力的方法，其步骤包括根据控制信号指引把机器转轴上的液体力从至少一个阀中引出；监视轴对引入其上的液体力的响应情况；向至少一个阀提供校正的控制信号；和控制轴上的液体力直至轴重新定位。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括从至少一个阀上把连续的低流率液体引到机器转轴上的步骤。
17.一种用于支撑机器轴的液压轴承，其以彼此组合的形式包括围绕在轴外部的轴承体，所述轴承体上带有引向轴的开口装置；通过所述开口装置提供液体偏压流以支撑轴使其离开轴承体的液体处理装置；和用于除引导静态偏压流之外还引导动态均衡液体流流过开口装置以便传递稳定的轴转动的装置。
18.根据权利要求17所述的装置，进一步包括用于监视轴的动态位置信息的装置。
19.根据权利要求18所述的装置，进一步将来自所述监视器装置的所述动态位置信息转换成控制信号的装置。
20.根据权利要求19所述的装置，进一步包括反馈控制信号的反馈装置，所述控制信号控制所述装置提供动态比例液流并进而控制穿过所述开口装置的液流量以形成反作用于轴的液体力从而有效地减小机器振动和提供稳定的轴转动。
全文摘要
本发明公开了一种用于支撑转动设备的轴承14,与之相关的液体处理系统50,及其控制系统200、方法和装置,其中转动轴S悬浮在液体上。监视轴的进动并形成补偿反馈循环以保持轴在载荷力中的正确位置。
文档编号F16C33/10GK1244904SQ97199730
公开日2000年2月16日 申请日期1997年11月25日 优先权日1996年12月4日
发明者唐纳德·E·本特利, 约翰·W·格兰特 申请人:本特利内华达有限公司