CN104265763A - 一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承 - Google Patents
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Abstract
一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承，包括采用混有纳米颗粒的特制压力油、外部供油装置、静压轴承装置以及伺服控制装置，其中，外部供油装置分别连接静压轴承装置以及伺服控制装置，外部供油装置和伺服控制装置固定在静压轴承装置的外侧，工作时，由伺服控制装置控制外部供油装置以恒压或恒流的供油方式将特制压力油提供给静压轴承装置，并在静压轴承装置的压力油膜腔与主轴间隙处形成压力油膜，以承受载荷，本发明的优点是采用混合有纳米颗粒的特制压力油提高了静压轴承的承载能力，采用伺服控制的方式提高了静压轴承的控制精度。
Description
技术领域
本发明属于液体静压轴承技术领域，尤其涉及一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承。
背景技术
液体静压轴承，是由外部的供油装置以一定压力将液压油经由节流器输送到轴承中去，在轴承油腔内形成具有压力的液压油层，将轴浮起来且具备承载能力的滑动轴承。其具体工作原理为：当安装在轴承中的轴心未发生位移时，此时轴承的四周间隙相等，流阻也相等，因此各个油腔的压力相等且油膜厚度也相等，轴承不承受外载力；而当轴心发生位移时，对着位移方向的轴承间隙减少流阻增大，油腔压力增大，而背着位移方向的结果相反，相应会形成上下不等的压力分布以及上下厚度不同的压力油膜，由此使得轴承具有承载力。按照外部供油装置供油方式的不同，可将液体静压轴承分为恒流控制液体静压轴承和恒压控制液体静压轴承。恒压控制液体静压轴承系统通常是外部供油装置提供恒定压力的压力油，从而在轴承油腔和轴颈间形成压力油膜，外部供油装置提供的压力油通过补偿元件后从供油压力降至油腔压力，再通过封油面与轴颈间的间隙从油腔压力降至环境压力。恒流控制液体静压轴承系统通常是采用普通的三相异步电机驱动齿轮泵提供压力油至主轴静压轴承，使得输入流量不变。
随着重型设备的不断发展，对静压轴承的承载能力和控制精度提出了很高的要求，但是在现有静压轴承中，由于静压轴承的实际流量受油的粘度、温度、压力以及零件加工精度的综合影响会导致轴承的承载能力及精度不高，特别是当外载荷变化较大时，各个油腔的压力和油膜厚度都变化极大，从而大大降低了静压轴承的承载能力和精度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承，承载能力更高，静压轴承的控制精度得到提高。
为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承，包括特制压力油Ⅰ、外部供油装置Ⅱ、静压轴承装置Ⅲ以及伺服控制装置Ⅳ，其中，特制压力油Ⅰ分布在外部供油装置Ⅱ及静压轴承装置Ⅲ的内部，外部供油装置Ⅱ分别连接静压轴承装置Ⅲ以及伺服控制装置Ⅳ，外部供油装置Ⅱ和伺服控制装置Ⅳ固定在静压轴承装置Ⅲ的外侧。
所述特制压力油Ⅰ是在润滑油1-1中添加其质量分数5％～15％的平均直径大小为50～100nm的纳米颗粒1-2混合而成的，其中纳米颗粒1-2是SiC、SiO2、AL2O3的陶瓷颗粒，或是金属颗粒，或是碳颗粒。润滑油1-1为普通润滑油。
所述外部供油装置Ⅱ用来给静压轴承装置Ⅲ提供特制压力油Ⅰ形成压力油膜，以承受载荷；所述外部供油装置Ⅱ采用恒压方式供油，或采用恒流方式供油。
所述静压轴承装置Ⅲ包括主轴3-1，主轴3-1外侧正中间连接轴瓦3-2，轴瓦3-2内部径向均布有压力油膜腔3-2-1及压力油槽3-2-2，轴瓦3-2内部设有轴瓦孔3-2-3，且轴瓦3-2两侧的径向分别均匀固连有第一管接头3-3及电涡流位移传感器3-4，且第一管接头3-3的另一端用来连接外部供油装置Ⅱ，同时，轴瓦3-2的两端均固连有轴瓦端盖3-5，轴瓦端盖3-5内部径向加工有压力油回收槽3-5-1，轴瓦端盖3-5径向的下端固连有第二管接头3-6，第二管接头3-6的出油口油路汇合形成第二回油口r，且第二会油口r与外部供油装置Ⅱ预留的第一回油口q连接在一起。
所述伺服控制装置Ⅳ主要包括控制器4-1，控制器4-1和电涡流位移传感器3-4的信号输出端连接，控制器4-1用来接收电涡流位移传感器3-4的检测信号，并作出决策，随后控制外部供油装置Ⅱ作出相应的响应以保证给静压轴承装置Ⅲ正常工作。
本发明的优点：相对于现有技术，其有益效果包括：
(1)承载能力更高。现有液体静压轴承都是采用一般的压力油来形成压力油膜以承受载荷，而本发明所采用的特制压力油是由润滑油与纳米颗粒混合形成的，其中纳米颗粒是SiC、SiO2或AL2O3等陶瓷颗粒，也可以是纳米级的金属颗粒或碳颗粒。在静压轴承工作的过程中，纳米陶瓷颗粒不仅能够通过增加润滑油的粘度以提高静压轴承的承载能力，而且在轴颈产生位移变化的过程中，压力油膜中均布的纳米颗粒会不断的撞击轴颈，从而阻止其运动，因而，提高了静压轴承的承载能力。
(2)静压轴承的控制精度得到提高。本发明中采用通过高精度的电涡流位移传感器检测静压轴承工作过程中的压力油膜腔与主轴的间隙变化，并将其快速的传递给控制器，进而通过控制器控制外部供油装置的供油量，实现对轴瓦各个油腔的进油量的控制，从而能够快速的实现对静压轴承的稳定控制。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图，其图中所示静压轴承装置Ⅲ分别为图4中A-A向和B-B向剖视图。
图2是本发明实施例2的结构示意图，其图中所示静压轴承装置Ⅲ为图4中A-A向和B-B向剖视图。
图3是本发明的特制压力油Ⅰ的组成示意图。
图4是本发明的静压轴承装置Ⅲ的结构示意图。
图5是本发明的静压轴承装置Ⅲ的三维示意图。
图6是本发明的轴瓦3-2的三维示意图。
图7是本发明的轴瓦端盖3-5的三维示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1，外部供油装置Ⅱ采用恒压供油方式。
参照图1，一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承，包括特制压力油Ⅰ、外部供油装置Ⅱ、静压轴承装置Ⅲ以及伺服控制装置Ⅳ，其中，特制压力油Ⅰ分布在外部供油装置Ⅱ及静压轴承装置Ⅲ的内部，外部供油装置Ⅱ分别连接静压轴承装置Ⅲ以及伺服控制装置Ⅳ，外部供油装置Ⅱ和伺服控制装置Ⅳ固定在静压轴承装置Ⅲ的外侧。
参照图1及图3，所述特制压力油Ⅰ是在润滑油1-1中添加其质量分数5％～15％的平均直径大小为50～100nm的纳米颗粒1-2混合而成的，其中纳米颗粒1-2是SiC、SiO2或AL2O3等陶瓷颗粒，也可以是金属颗粒或碳颗粒。
参照图1，所述外部供油装置Ⅱ包括用来盛装特制压力油Ⅰ的压力油油箱2-1，压力油油箱2-1上装有过滤器2-2，过滤器2-2一端深入压力油油箱2-1内部，另一端连接有压力油泵2-3，压力油泵2-3由电动机2-4提供动力，压力油泵2-3的出口分出两路，一路接有溢流阀2-5，然后回压力油油箱2-1且溢流阀2-5回压力油油箱2-1的油路上留有第一油口q，另一路接有单向阀2-6，单向阀2-6分出的两路中，一路接有蓄能器2-7，另一路分别并联接有第一伺服阀2-8、第二伺服阀2-9、第三伺服阀2-10以及第四伺服阀2-11，其中，第一伺服阀2-8上分布有第一被控制接口a及第二被控制接口b，第二伺服阀2-9上分布有第三被控制接口c及第四被控制接口d，第三伺服阀2-10上分布有第五被控制接口e及第六被控制接口f，第四伺服阀2-11上分布有第七被控制接口g及第八被控制接口h。
参照图1、图4、图5、图6及图7，所述静压轴承装置Ⅲ包括主轴3-1，主轴3-1外侧正中间连接轴瓦3-2，轴瓦3-2内部径向均布有压力油膜腔3-2-1及压力油槽3-2-2，轴瓦3-2内部设有轴瓦孔3-2-3，且轴瓦3-2两侧的径向分别均匀固连有第一管接头3-3及电涡流位移传感器3-4，且第一管接头3-3的另一端分别连接着第一伺服阀2-8、第二伺服阀2-9、第三伺服阀2-10以及第四伺服阀2-11的油口，同时，轴瓦3-2的两端均通过螺钉固连有轴瓦端盖3-5，轴瓦端盖3-5内部径向加工有压力油回收槽3-5-1，轴瓦端盖3-5径向的下端固连有第二管接头3-6，第二管接头3-6的出油口油路汇合形成第二油口r，且第二油口r与第一油口q连接在一起。
参照图1，所述伺服控制装置Ⅳ包括控制器4-1，控制器4-1输入端分别连接着电涡流位移传感器3-4的输出端，控制器4-1的输出端包括第一控制端口i、第二控制端口j、第三控制端口k、第四控制端口L、第五控制端口m、第六控制端口n、第七控制端口o、第八控制端口p，且第一控制端口i、第二控制端口j、第三控制端口k、第四控制端口L、第五控制端口m、第六控制端口n、第七控制端口o、第八控制端口p分别与第一被控制接口a、第二被控制接口b、第三被控制接口c、第四被控制接口d、第五被控制接口e、第六被控制接口f、第七被控制接口g及第八被控制接口h连接。
实施例2，外部供油装置Ⅱ采用恒流供油方式。
参照图2，一种恒流伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承，包括特制压力油Ⅰ、外部供油装置Ⅱ、静压轴承装置Ⅲ以及伺服控制装置Ⅳ，其中，特制压力油Ⅰ分布在外部供油装置Ⅱ及静压轴承装置Ⅲ的内部，外部供油装置Ⅱ分别连接静压轴承装置Ⅲ以及伺服控制装置Ⅳ，外部供油装置Ⅱ和伺服控制装置Ⅳ固定在静压轴承装置Ⅲ的外侧。
参照图2及图3，所述特制压力油Ⅰ是在润滑油1-1中添加其质量分数5％～15％的平均直径大小为50～100nm的纳米颗粒1-2混合而成的，其中纳米颗粒1-2是SiC、SiO2或AL2O3等陶瓷颗粒，也可以是金属颗粒或碳颗粒。
参照图2，所述外部供油装置Ⅱ包括用来盛装特制压力油Ⅰ的压力油油箱2-1，压力油油箱2-1上装有过滤器2-2，过滤器2-2一端深入压力油油箱2-1内部，另一端连接有压力油泵2-3，压力油泵2-3由三相交流伺服电机2-4提供动力，压力油泵2-3的出口分出两路，一路接有安全阀2-5，然后回压力油油箱2-1且安全阀2-5回压力油油箱2-1的油路上留有第一油口q，另一路接有分流器2-6。
参照图2、图4、图5、图6及图7，所述静压轴承装置Ⅲ包括主轴3-1，主轴3-1外侧正中间连接轴瓦3-2，轴瓦3-2内部径向均布有压力油膜腔3-2-1及压力油槽3-2-2，轴瓦3-2内部有轴瓦孔3-2-3，且轴瓦3-2两侧的径向分别均匀固连有第一管接头3-3及电涡流位移传感器3-4，且第一管接头3-3的另一端分别连接着分流器2-6的出油口，同时，轴瓦3-2的两端均通过螺钉固连有轴瓦端盖3-5，轴瓦端盖3-5内部径向加工有压力油回收槽3-5-1，轴瓦端盖3-5径向的下端固连有第二管接头3-6，第二管接头3-6的出油口油路汇合形成第二油口r，且第二油口r与第一油口q连接在一起。
参照图2，所述伺服控制装置Ⅳ包括控制器4-1，控制器4-1的输入端分别连接着电涡流位移传感器3-4的信号输出端，控制器4-1的输出端连接着三相交流伺服电机2-4。
本发明实施例1的工作原理为：
首先，将润滑油1-1与纳米颗粒1-2混合制备出特制压力油Ⅰ；接着，将特制压力油Ⅰ放入外部供油装置Ⅱ的压力油油箱2-1内；随后，开启外部供油装置Ⅱ并通过设定溢流阀2-5以给定恒压的方式给静压轴承装置Ⅲ供油，在静压轴承装置Ⅲ的压力油膜腔3-2-1与主轴3-1之间形成压力油膜，以承受主轴3-1的负载；然后，当主轴不承受或承受负载的状态下，均由伺服控制装置Ⅳ来完成对外部供油装置Ⅱ的控制，从而使得以给定恒压的方式给静压轴承装置Ⅲ提供的压力油膜处于稳定的状态；最后，外部供油装置Ⅱ提供给静压轴承装置Ⅲ的特制压力油还可通过第二管接头3-6进行回收再利用，如图1、图3、图4、图5及图6所示。
本发明实施例1中伺服控制装置Ⅳ的详细工作原理为：(1)当主轴3-1不受外力时，则主轴3-1与轴瓦孔3-2-3同心，此时，均布在轴瓦3-2径向的电涡流位移传感器3-4就会检测到均布在轴瓦3-2径向的压力油膜腔3-2-1与主轴3-1的间隙相等，且将该信息立即发送给控制器4-1，于是控制器4-1控制第一伺服阀2-8、第二伺服阀2-9、第三伺服阀2-10以及第四伺服阀2-11不动作；(2)当主轴3-1承受外力且主轴3-1产生一定的径向位移时，则均布在轴瓦3-2径向的电涡流位移传感器3-4就会检测到均布在轴瓦3-2径向的压力油膜腔3-2-1与主轴3-1的间隙产生变化，且将该信息立即发送给控制器4-1，控制器4-1做出判断后，就会控制第一伺服阀2-8、第二伺服阀2-9、第三伺服阀2-10或第四伺服阀2-11产生动作，使得所检测到的压力油膜腔3-2-1与主轴3-1的间隙变小的那一路的伺服阀开口变大，从而在恒定压力下增大提供给对应的压力油膜腔3-2-1的特制压力油Ⅰ的油量，以用于减小压力油膜腔3-2-1与主轴3-1的间隙变化；(3)当主轴3-1承受外力且主轴3-1产生的位移在伺服控制装置Ⅳ的作用下减小到初始位置时，即就是通过均布在轴瓦3-2径向的电涡流位移传感器3-4检测到均布在轴瓦3-2径向的各个压力油膜腔3-2-1与主轴3-1的间隙重新相等时，伺服控制装置Ⅳ就会控制第一伺服阀2-8、第二伺服阀2-9、第三伺服阀2-10或第四伺服阀2-11停止动作且保持各自状态的稳定，从而控制外部供油装置Ⅱ提供负载状态下的稳定压力油膜，如图1、图4、图5及图6所示。
本发明实施例2的工作原理为：
首先，将润滑油1-1与纳米颗粒1-2混合制备出特制压力油Ⅰ；接着，将特制压力油Ⅰ放入外部恒流供油装置Ⅱ的压力油油箱2-1内；随后，开启外部恒流供油装置Ⅱ并通过伺服控制装置Ⅳ控制三相交流伺服电机2-4以一定的转速旋转，从而驱动压力油泵2-3以一定的流量给静压轴承装置Ⅲ供油，在静压轴承Ⅲ的压力油膜腔3-2-1与主轴3-1之间形成压力油膜，以承受主轴3-1的负载；然后，当主轴不承受或承受负载的状态下，均由伺服控制装置Ⅳ来完成对外部恒流供油装置Ⅱ的控制，从而使得以给定恒流的方式给静压轴承装置Ⅲ提供的压力油膜处于稳定的状态；最后，外部恒流供油装置Ⅱ提供给静压轴承装置Ⅲ的特制压力油还可通过第二管接头3-6进行回收再利用，如图2、图3、图4、图5及图6所示。
本发明实施例2中伺服控制装置Ⅳ的详细工作原理为：(1)当主轴3-1不受外力时，则主轴3-1与轴瓦孔3-2-3同心，此时，均布在轴瓦3-2径向的电涡流位移传感器3-4就会检测到均布在轴瓦3-2径向的压力油膜腔3-2-1与主轴3-1的间隙相等，且将该信息立即发送给伺服控制装置Ⅳ，于是伺服控制装置Ⅳ控制三相交流伺服电机2-4的转速，实现对外部恒流供油装置Ⅱ供油量的稳定控制，从而能够实现对静压轴承的恒流伺服控制；(2)当主轴3-1承受外力且主轴3-1产生一定的径向位移时，则均布在轴瓦3-2径向的电涡流位移传感器3-4就会检测到均布在轴瓦3-2径向的压力油膜腔3-2-1与主轴3-1的间隙产生变化，且将该信息立即发送给伺服控制装置Ⅳ，伺服控制装置Ⅳ做出判断后，控制增加三相交流伺服电机2-4的转速，进而可增加外部恒流供油装置Ⅱ的供油量，随着供油量的增加，则能够减小压力油膜腔3-2-1与主轴3-1的间隙变化；(3)当主轴3-1承受外力且主轴3-1产生的位移在伺服控制装置Ⅳ的作用下减小到初始位置时，即均布在轴瓦3-2径向的电涡流位移传感器3-4检测到的均布在轴瓦3-2径向的各个压力油膜腔3-2-1与主轴3-1的间隙重新相等时，伺服控制装置Ⅳ就会控制三相交流伺服电机2-4的转速保持恒定，从而控制外部恒流供油装置Ⅱ以恒流的方式给静压轴承装置Ⅲ供油，以形成负载状态下的稳定压力油膜，如图2、图4、图5及图6所示。
本发明中特制压力油Ⅰ能够提高静压轴承承载能力的工作原理为：本发明中的特制压力油Ⅰ是由润滑油1-1与纳米颗粒1-2混合形成的，其中纳米颗粒1-2可以是SiC、SiO2或AL2O3等陶瓷颗粒，也可以是纳米级的金属颗粒或碳颗粒。在静压轴承工作的过程中，纳米颗粒1-2不仅能够通过增加润滑油1-1的粘度以提高静压轴承的承载能力，而且在轴颈产生位移变化的过程中，压力油膜中均布的纳米颗粒1-2会不断的撞击轴颈，从而阻止其运动，因而，提高了静压轴承的承载能力，如图1及图3所示。
本发明中特制压力油Ⅰ能够进行有效回收利用的工作原理为：本发明在工作过程中的特制压力油Ⅰ由外部恒流供油装置Ⅱ提供给静压轴承装置Ⅲ后，在主轴3-1的运动过程中，从轴瓦3-2的压力油膜腔3-2-1流入轴瓦3-2的压力油槽3-2-2，然后经过轴瓦端盖3-5的压力油回收槽3-5-1并流入轴瓦端盖3-5径向的下端固连的第二管接头3-6；随后经过汇合了两个第二管接头3-6的第二油口b，流入第一油口a，并最终流回到压力油油箱2-1，如图1、图2、图4、图5、图6及图7所示。
Claims (5)
1.一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承，包括特制压力油(Ⅰ)、外部供油装置(Ⅱ)、静压轴承装置(Ⅲ)以及伺服控制装置(Ⅳ)，其特征在于：特制压力油(Ⅰ)分布在外部供油装置(Ⅱ)及静压轴承装置(Ⅲ)的内部，外部供油装置(Ⅱ)分别连接静压轴承装置(Ⅲ)以及伺服控制装置(Ⅳ)，外部供油装置(Ⅱ)和伺服控制装置(Ⅳ)固定在静压轴承装置(Ⅲ)的外侧；
所述静压轴承装置Ⅲ包括主轴(3-1)，主轴(3-1)外侧正中间连接轴瓦(3-2)，轴瓦(3-2)内部径向均布有压力油膜腔(3-2-1)及压力油槽(3-2-2)，轴瓦(3-2)内部设有轴瓦孔(3-2-3)，且轴瓦(3-2)两侧的径向分别均匀固连有第一管接头(3-3)及电涡流位移传感器(3-4)，且第一管接头(3-3)的另一端用来连接外部供油装置(Ⅱ)，同时，轴瓦(3-2)的两端均固连有轴瓦端盖(3-5)，轴瓦端盖(3-5)内部径向加工有压力油回收槽(3-5-1)，轴瓦端盖(3-5)径向的下端固连有第二管接头(3-6)，第二管接头(3-6)的出油口油路汇合形成第二回油口(r)，且第二会油口(r)与外部供油装置(Ⅱ)预留的第一回油口(q)连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承，其特征在于：所述特制压力油(Ⅰ)是在润滑油(1-1)中添加其质量分数5％～15％的平均直径大小为50～100nm的纳米颗粒(1-2)混合而成的，其中纳米颗粒(1-2)是SiC、SiO2、AL2O3的陶瓷颗粒，或是金属颗粒，或是碳颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承，其特征在于：所述外部供油装置(Ⅱ)用来给静压轴承装置(Ⅲ)提供特制压力油(Ⅰ)形成压力油膜，以承受载荷。
4.根据权利要求1或3所述的一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压 轴承，其特征在于：所述外部供油装置(Ⅱ)采用恒压方式供油，或采用恒流方式供油。
5.根据权利要求1所述的一种伺服控制式纳米颗粒混合液体静压轴承，其特征在于：所述伺服控制装置(Ⅳ)包括控制器(4-1)，控制器(4-1)和电涡流位移传感器(3-4)的信号输出端连接，控制器(4-1)用来接收电涡流位移传感器(3-4)的检测信号，并作出决策，随后控制外部供油装置(Ⅱ)作出相应的响应以保证给静压轴承装置(Ⅲ)正常工作。
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