CN100357630C - 主动控制弯扭耦振电液式周向加载执行器 - Google Patents

Abstract

主动控制弯扭耦振电液式周向加载执行器，涉及以流体为介质传递动力来控制弯曲扭转耦合的主动减振技术。本发明由供油、恒压、回油以及喷射系统构成，喷射系统是由轴承座、轴承、高压软管和喷油换向控制阀组等组成。在轴承的上开两组斜喷油口及其锥形前导孔，前导孔与轴承座上相应的进油孔相通，进油孔通过高压软管与喷油换向控制阀组连接，阀组通过高压油管接至高压恒压容器。本发明依据检测到的轴系振动信号以液体介质传递动力加载于振动轴上，同时控制轴系弯振、扭振，能提供较大的液力，调节轴系油膜失稳，主体安装轴承座上，不受在轴系中安装位置限制，通过电液换向阀组控制喷油时间长短与间隔控制加载力，达到减振的目的。

Description

主动控制弯扭耦振电液式周向加载执行器

技术领域

本发明属于机械振动及其控制领域，具体涉及以流体作为介质传递动力，用电液控制方式来控制旋转轴系低频弯曲扭转及其耦合振动的主动减振技术。

背景技术

目前，在机械动力学(振动)及其控制领域中，主动控制技术已经成为研究的热点。振动主动控制系统同普通反馈控制系统一样可分为四部分：I.控制对象即振动体；II.振动信号采集器；III.控制器；IV.执行器。其中实现控制目标函数的控制器与加载控制力的执行器是设计开发振动主动控制系统的两个关键点。已知，针对不同的轴系振动形式有不同的加载控制力的执行器：①通过改变油膜特性控制轴系弯曲振动的可控挤压油膜轴承；②通过介质传递控制力调整轴系弯曲振动的静压轴承与空气静压轴承；③通过调节介质阻尼控制弯曲振动的可变阻尼轴承；④通过利用材料特性，控制各类轻质量体的纵向振动的磁致伸缩、超磁致伸缩材料轴承、可控压电晶片支承；⑤电磁轴承——该类执行器通过调节电磁力平衡转子重力与质量偏心以消减弯曲振动，也可通过改变轴承的阻尼和刚度或者施加附加电磁力矩来调节扭转振动，可以用于高频振动主动控制加载，而且无接触、无需润滑，可以实现多种控制策略，但所要求的控制系统极其复杂，目前已有的可控电磁轴承属小功率电磁装置，传递加载力矩较低，在研究中的大功率电磁系统不仅笨重、昂贵、长期运行也不太可靠，而且附加强电磁场又受环境影响或者对环境产生影响，同时在动力装置中无法承受瞬时过载，因此可以控制弯曲扭转耦合振动的电磁轴承作为执行器只适合对实验系统或者小型振动系统的主动控制加载。另外，前四种支承形式的加载控制力执行器无法消减轴系的扭转振动；而且，这些执行器中油膜类轴承在运行中容易产生油膜失稳、半速涡动甚至激发油膜振荡；磁致伸缩、超磁致伸缩与压电晶片等材料类支承，能够加载的控制力极小。本发明的提出利用静压轴承、动压轴承、恒压供油、斜楔喷射的原理，解决上述存在的各种问题，主要是解决已有的各类执行器无法同时考虑弯曲、扭转两类振动平稳地提供足够大的控制力和力矩的问题。

发明内容

本发明的目的是：为解决现有旋转轴系振动主动控制执行装置中电磁类、压电类执行器的加载力偏低，受环境影响大，控制系统复杂以及油膜轴承类、压电类、磁致伸缩材料类执行器无法控制扭转振动，且油膜轴承类存在油膜失稳的问题等，而提供一种主动控制弯曲振动、扭转振动电液式周向加载执行装置。

本发明通过以下技术方案予以实现，以下参照附图1～附图4对本发明的结构、原理进行详述。

主动控制弯扭耦振电液式周向加载执行器，主要由供油系统、恒压系统、喷射系统以及回油系统构成。参照附图1，从功能结构上这四个系统为：由闭式油箱20、低压油泵21、电磁旁通阀18、润滑油精滤器22、高压滑油泵23等构成供油系统，向高压恒压容器9提供高压油；由高压恒压容器9、蓄能器13、电液调压阀组16、电磁限压阀17等构成恒压系统，为喷射系统提供一定压力的液体介质；由轴承座1上的进油孔7、轴承2上的喷油口锥形前导孔6、轴承2上的斜喷油口5、高压软管3、喷油换向控制阀组4等组成喷射系统，向旋转振动轴喷射压力油，借助液体油传递动力减振；由轴承2上的回油槽10、轴承2上的回油孔11、轴承座1上的回油孔12、电磁卸荷阀14，回油冷凝器15，润滑油粗滤器19，闭式油箱20等构成回油系统，其作用为带背压回油。

轴承座1及其轴承2的结构特征参照附图2。在轴承2的两个平行轴截面上沿圆周反向分别从外到内斜开有三个斜喷油口5(每个平截面上的斜喷油口为三个或三个以上，开口位置在圆周上均分，两个截面上喷油口个数相等，以下以每个轴截面上斜喷油口数量为三个做说明)和锥形前导孔6，斜喷油口5的前端为锥形前导孔6(在yoz平面上，轴承座左端三个斜喷油口记为5-1、5-2、5-3，右端三个记为5-4、5-5、5-6，六个喷油口分别在两个平面内，两平面相距为b，b依据轴承内径d与外经D而定；对应于斜喷油口的锥形前导孔分别记作6-1、6-2、6-3和6-4、6-5、6-6)。轴承2上的锥形前导孔6与轴承座1上的进油孔7(对应于前导孔位置分别记作7-1、7-2、7-3和7-4、7-5、7-6)相通；锥形前导孔6靠近斜喷油口5的一端小，靠近进油孔7的一端大，锥度由喷油量与喷油压力决定。斜喷油口5-1、5-4相对于轴承座中垂线的偏角为α，其取值范围为0～90°，斜喷油口5-1及其相对应的顺时针斜前导孔与斜喷油口5-4及其相对应的逆时针斜前导孔相对于偏角α的极角边对称，喷油口5-4锥形前导孔6-4的中心线相对于偏角α的极角边的偏角为β，其取值范围为0～90°。在xoy平面上逆z向看，5-1、5-2、5-3斜喷油口及其锥形前导孔沿着顺时针方向开，5-4、5-5、5-6斜喷油口及其锥形前导孔则沿着逆时针方向开。在xoy平面上投影，轴承2上的斜喷油口5-1、5-4，锥形前导孔6-1、6-4以及各自相连的轴承座1上的进油孔7-1、7-4，关于轴承中心与5-1、5-4尖端的连线对称，5-1、5-4与5-2、5-5和5-3、5-6在xoy平面上看相对于轴承中心均布。轴承2上的回油槽10与轴承2上的回油孔11、轴承座1上的回油孔12通过。回油槽10的中心线相对于轴承中心的极角记为θ。对于工作过程中双向转动的转轴的振动施加控制力，以上结构参数范围取值为：α＝90°，0≤β≤-90°(负号表示在极坐标中顺时针方向，不记方向则为0≤β≤90°，下同)，-165°＜θ₁＜-240°、-15°＜θ₂＜60°(即在xoy平面内对称布置两个回油槽，且两个回油槽分别在5-2、5-5和5-3、5-6喷油口的上方，-165°＜θ₁＜-240°不记方向则为120°＜θ₁＜195°)；对于工作过程中单向转动(如图2所示，在xoy平面逆z向看，按照顺时针方向转动)的转轴振动施加控制力，以上结构参数范围取值为：0＜α＜90°，0≤β≤-90°，-115°＜θ＜-(225°-α)(其中，-115°＜θ＜-(225°-α)按逆时针方向记则为(α+135°)＜θ＜245°内)。在以上结构中，如果使用空气作为传递动力的介质则不用开回油槽，直接由轴承侧隙排气。高压恒压容器6到喷油口3的距离通过与喷油换向控制阀组2相连的高压软管调节。

喷油换向控制阀组4结构特征参照附图3。喷油换向控制阀组4由三只两位两通换向阀4-1、4-2、4-3与一只电磁控制的三位九通控制换向喷油阀4-4构成，换向阀2-1、2-2、2-3为电液复合控制顺序动作换向阀，属普通高压换向阀，喷油阀4-4为电磁控制弹簧复位三位九通换向阀，属特制三位九通换向阀，两类阀之间可用高压软管联接，也可做成一体，其间开卸荷油路，换向阀4-1、4-2、4-3的进油口接高压恒压容器9，喷油阀4-4阀的六个出口端接轴承座上的喷油管路，联接顺序为4-4阀从左到右接轴承座1对应轴承的5-1、5-2、5-3、5-6、5-5、5-4喷油口。三个换向阀4-1、4-2、4-3控制喷油阀4-4的三个进油口的导通状态，换向阀4-4喷油控制振动轴30的扭振或弯振以及油膜特性。从高压恒压容器9到喷油口5的距离由连接阀组4与容器9的高压油管和连接阀组4和轴承座1的高压软管3调节，以此保证喷油口出口压力一致。

在包含本发明的轴系振动主动控制系统中：由闭式油箱20、低压油泵21、电磁旁通阀18、润滑油精滤器22、高压滑油泵23、高压恒压容器9、蓄能器13、电磁限压阀17、电液调压阀组16、温度传感器24、压力传感器25、喷油换向控制阀组4、轴承座1、轴承2、电磁卸荷阀14、回油冷凝器15、润滑油粗滤器19以及相应的高压软管和高压油管、低压油管等构成本发明执行器(图4中的虚线部分)。传感器及其信号检测系统26将采集振动轴30的振动信号以及通过温度传感器24、压力传感器25检测到高压恒压容器9的介质状态参数反馈给控制器27，再由控制器27对本发明执行系统提供一下四种控制作用：(I)控制低压油泵21、高压油泵23起停供油；(II)控制调压阀17、限压阀组16、蓄能器13保证供油压力；(III)控制喷油阀组4按需喷油；(IV)控制回油卸荷阀14与冷凝器15工作保证回油背压与回油温度。

本发明利用了力的合成与分解作用原理，静压轴承、动压轴承运行条件与原理，伺服油路与限压阀、调压阀、蓄能器组合恒压原理。(I)力的合成与分解作用原理：通过调节喷油阀组4的各阀导通油路可以得到(在xoy平面上，逆z向看)加载在轴上的顺时针扭矩、逆时针扭矩以及任意方向的合力(具体情况见“具体实施方式”中喷油消振阶段的四种状态部分说明)。(II)静压轴承、动压轴承运行条件与原理：保证一定回油背压的条件下喷油口不喷油、原有轴颈与轴承间有充油相对运行的斜楔，于是轴系可以工作在动压轴承状态；喷油时轴系可以工作在半静压轴承工作状态，喷油系统提供压力足够大时可以工作在完全静压轴承状态。(III)伺服油路与阀组组合恒压原理：喷油口执行按需喷油完全由喷油阀组4的各伺服阀完成；限压阀、调压阀、蓄能器以及高压恒压容器组合使用保证喷油压力恒定。据此本执行器不工作时原轴系运行在动压轴承状态，如有轴系的弯曲振动、扭转振动、轴承的油膜失稳等状况发生，则可启用本执行器凭借液体(或者气体)介质传递控制力加载于轴系以调节。

本发明的有益效果在于：主动控制轴系弯曲振动、主动控制轴系扭转振动，解决了目前已有的轴系振动主动控制执行器同时控制弯曲、扭转振动时需要组合使用的问题；依据所需由高压油提供较大的液力，解决了目前已有电磁类执行器加载力偏低问题；调节轴系油膜失稳，解决目前动压轴承类执行器易产生油膜失稳问题；控制简单，解决目前电磁类执行器要求控制器复杂成本高的问题。另外基于对轴承座安装，只需要改变轴承的供油结构，因而不受在振动轴系中安装位置限制；该系统既可以针对弯曲振动、又可以针对扭转振动提供液力，而且传递液力的液体的温度、压力可以依据需要实时调节；该系统可以克服动压油膜轴承的油膜失稳，从而防止油膜振荡；该系统依据检测到的轴系振动信号以液体为介质传递动力加载于振动轴上，通过电液换向阀组控制喷油时间长短与间隔可以方便的控制加载力的时间，达到消减振动的目的。

附图说明

图1为本发明的结构以及油路图。

图2为本发明的轴承座及其轴承结构图。

图3为本发明的喷油换向控制阀组符号图。

图4为包含本发明的弯曲扭转耦合振动主动控制系统图。

图1中：1-轴承座；2-轴承；3-高压软管；4-喷油换向控制阀组；5-轴承上的斜喷油口(5-1、5-2、5-3为左边三个喷油口，5-4、5-5、5-6为右边三个喷油口)；6-轴承上喷油口的锥形前导孔(对应5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6分别为6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6)；7-轴承座上的进油孔(对应6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6分别为7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、7-6)；8-高压油管；9-高压恒压容器；10-轴承上的回油槽；11-轴承上的回油孔；12-轴承座上的回油孔；13-蓄能器；14-卸荷阀；15-回油冷凝器；16-电液调压阀组；17-电磁限压阀；18-电磁旁通阀；19-润滑油粗滤器；20-闭式油箱；21-低压油泵；22-润滑油精滤器；23-高压滑油泵；24-温度传感器；25-压力传感器。

图2中：1——轴承座；2——轴承；30——振动轴；5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6——轴承上2斜喷油口；6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6——轴承2上对应于斜喷油口5的锥形前导孔；7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、7-6——轴承座1上对应于前导孔6的进油孔；10——轴承2上的回油槽；11——轴承2上的回油孔；12——轴承座1上的回油孔；b——斜喷油口5-1、5-2、5-3所在的轴截面与斜喷油口5-4、5-5、5-6所在的轴截面之距；d——轴承内孔径；D——轴承外径；α——5-1与5-4喷油口尖端相对于轴承中心的极角；β——喷油口5-4的前导孔6-4的中心线相对于α的极角边的偏角(喷油口5-1及其前导孔6-1相对于α的极角边与5-4及其6-4对称，其它两对即5-2、5-5和5-3、5-6与5-1、5-4相对于轴承中心均布)；θ——回油槽10的中心线极角。

图3中：4-1、4-2、4-3——电液复合控制顺序动作换向阀；4-4——电磁控制弹簧复位三位九通换向阀。

图4中：1-轴承座；2-轴承；3-高压软管；4-喷油换向控制阀组；5-轴承2上的斜喷油口；8-高压油管；9-高压恒压容器；10-轴承2上的回油槽；13-蓄能器；14-卸荷阀；15-回油冷凝器；16-电液调压阀组；17-电磁限压阀；18-电磁旁通阀；19-润滑油粗滤器；20-闭式油箱；21-低压油泵；22-润滑油精滤器；23-高压滑油泵；24-温度传感器；25-压力传感器；26-信号采集器；27-振动主动控制器；30-弯曲扭转耦合振动轴；带箭头的单实线表示信号线；带箭头的双实线表示油路(与9、4相连为高压油路，其它为低压油路)；1与30之间的双虚线表示以液体为介质传递力的作用线。

具体实施方式

参照附图4，轴系30的弯曲、扭转振动信号由传感器及其信号检测系统26采集经相应的调理电路传至控制器27，再由控制器27依据控制目标函数与相应的控制律对本发明执行器发出控制信号控制执行系统动作，执行系统通过介质传递控制力加载到轴上以此消减、抑制振动。

本发明执行系统具体工作过程与状态如下。

I.喷油准备阶段：喷油换向控制阀组4中各阀截止，即如附图3所示4-4阀停在左位，4-1、4-2、4-3阀停在中位；低压油泵21开启，高压油泵23开启；限压阀17设定值，调压阀组16调定值；蓄能器13按照调压阀组16设定值蓄高压油；卸荷阀14关闭。

II.喷油消振阶段：这一阶段分如下四种状态，(a)传感器及其信号检测系统26采集到振动轴系30上发生扭转振动，在xoy平面上逆着z向看(涉及旋向，以下同)，存在顺时针扭矩激励，4-4阀左位导通，在一定时间(约0.01秒)后4-3阀右位导通，5-4、5-5、5-6斜喷油口喷油，施加逆时针扭矩于轴上；(b)传感器及其信号检测系统26采集到振动轴系30上发生扭转振动，且由逆时针扭矩激励引起，4-4阀左位导通，在一定时间后4-1阀右位导通，5-1、5-2、5-3油口喷油，施加顺时针扭矩于轴上；(c)传感器及其信号检测系统26采集到振动轴系30上发生弯曲振动，且由向上的弯曲激励引起，4-4阀右位导通，在一定时间后4-1阀右位导通，5-1、5-4油口喷油，施加向下的力于轴上；(d)传感器及其信号检测系统26采集到振动轴系30上发生弯曲振动，且由向下的弯曲激励引起，4-4阀右位导通，在一定时间后4-3、4-2阀右位导通，5-3、5-6与5-2、5-5油口喷油，施加向上的力于轴上。其它方向的弯曲激励也可通过调节喷油换向控制阀组4中各阀导通截止状态以及调节高压恒压容器9中油压大小来由5-1、5-4、5-2、5-5、5-3、5-6喷油传递的液力合成消减。以上各种状态中供油系统与恒压系统照常工作，即低压油泵21开启，高压油泵23开启，限压阀17设定值，调压阀组16按喷油压力需要调定压力值，蓄能器13按照调压阀16设定值蓄高压油。

III.背压回油阶段：各喷油口5-1、5-4、5-2、5-5、5-3、5-6有油喷射时，卸荷阀14开启卸油，回油冷凝器15起动保证回油温度在一定值内；5-1、5-4、5-2、5-5、5-3、5-6喷油口没有油喷射时，卸荷阀14关闭保证轴承内壁有一定背压。

轴承座下体采用铸钢如ZG270-500，上盖采用灰铸铁如HT200、HT250等；对于大型转子轴系，与斜喷油口及其锥形前导孔相连的喷油管路以及回油管路可采用预埋钢管铸造，对于小型轴系可采用钻孔加工；斜喷油口及其锥形前导孔采用精细加工保证内壁光滑清洁。

Claims (4)

1.主动控制弯扭耦振电液式周向加载执行器，主要由供油系统、恒压系统、回油系统以及喷射系统构成，其特征在于所述的喷射系统是由轴承座(1)、轴承(2)、高压软管(3)和喷油换向控制阀组(4)组成，在轴承的两个平行轴截面上沿圆周方向各开有三个斜喷油口(5)，左端三个斜喷油口按顺时针方向开口，均分在一个平截面上，右端三个按逆时针方向开口，均分在另一个截面上，斜喷油口(5)的前端为锥形前导孔(6)，前导孔(6)与轴承座(1)上相应的进油孔(7)相通，进油孔(7)通过高压软管(3)与喷油换向控制阀组(4)连接，阀组(4)通过高压油管(8)接至高压恒压容器(9)。

2.按照权利要求1所述的主动控制弯扭耦振电液式周向加载执行器，其特征在于第一组斜喷油口(5-1、5-4)的尖端与轴心连线相对于轴承座平面的偏角为α，其取值范围为0～90°，第一组喷油口的顺时针斜喷油口(5-1)及其相对应的前导孔(6-1)与第一组喷油口的逆时针斜喷油口(5-4)及其相对应的前导孔(6-4)相对于偏角α的极角边对称，锥形前导孔(6)的中心线与偏角α的极角边之间的夹角为β，其取值范围为0～90°，第三组喷油口(5-3、5-6)的下方开有回油槽(10)及回油孔(11)，回油槽(10)的中心线相对于轴承中心的极角为θ，其取值范围为(α+135°)＜θ＜245°。

3.按照权利要求1所述的主动控制弯扭耦振电液式周向加载执行器，其特征在于所述的喷油换向控制阀组(4)由三个两位两通换向阀(4-1、4-2、4-3)和一个三位九通控制喷油阀(4-4)组成，换向阀(4-1、4-2、4-3)为三只电液复合控制换向阀，喷油阀(4-4)为电磁控制阀，两类阀之间用高压软管联接，其间开卸荷油路，三个换向阀(4-1、4-2、4-3)控制喷油阀(4-4)三个进油口的导通状态，换向阀(4-1、4-2、4-3)的进油口通过高压油管(8)接至高压恒压容器(9)，喷油阀(4-4)六个出口端通过高压软管(3)、轴承座(1)上的进油孔(7)与斜喷油口(5)相通，喷油阀(4-4)六个出口端按照从左到右的顺序接至斜喷油口(5-1、5-2、5-3、5-6、5-5、5-4)。

4.按照权利要求1所述的主动控制弯扭耦振电液式周向加载执行器，其特征在于高压恒压容器(9)到斜喷油口(5)的距离通过高压恒压容器(9)与喷油换向控制阀组(4)之间的高压油管(8)、喷油换向控制阀组(4)与进油孔(7)之间的高压软管(3)调节。

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