一种智能可控轴承及控制转子振动的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
随着技术进步，铁流体(Ferrofluid)、磁流变液(Magnetorheological fluid)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。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。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。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，如中国专利技术专利申请：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。以及中国专利技术专利申请：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。
技术实现思路
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，本专利技术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。根据本专利技术的第一方面，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。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。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。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。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。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。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。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。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；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。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。根据本专利技术的另一个方面，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：第一步、打开油泵，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。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1.本专利技术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，本专利技术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；2.本专利技术为浮环式轴承，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，而本专利技术由于浮环的存在，可以应用于转速更高的场合；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。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小虎，李鸿光，孟光，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31