CN107810453B - 带电子调节和控制的用于最小连续流动的空气-油润滑的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于最小量润滑的流体，其通过将润滑剂与输送流体混合以建立双相混合物来获得，由此在混合之前使润滑剂和输送流体两者的流动和/或压力被调节，并且由此大致连续地供给润滑剂。通过感测在以层流运动的润滑剂上的激光发射器的反向散射来测量润滑剂流体的流量。
Description
技术领域
本发明的主题是一种根据主权利要求的前序部分的借助于两相流体对处于运动中的机械单元进行最小润滑的方法。本发明的主题还是一种根据主权利要求的前序部分的借助于两相流体对处于运动中的机械单元进行最小润滑的系统。
背景技术
知悉上述类型的系统并且借助于该系统可以实现如前所述的方法已经有一段时间了。例如，DE102006030651描述了一种用于获得工具的最小润滑(具有雾化油)的系统，该系统包括用于在第二输送流体——通常是空气——移动的管道内散发含有润滑剂和水的第一流体的雾化器。将由此获得的混合物输送至工具以用于其部件的润滑。润滑剂流体的流量的检测也包括在该系统内并且借助于所检测到的流量信息调节这种流体的雾化以便将这种流量保持在预定值。
特别地，这些已知的系统允许借助于雾化的空气-油混合物对易受摩擦的——诸如，例如：用于工作站、铣床、镗床、磨床、钻床、车床中心的工具的高速心轴的球轴承——机械部件和元件和所有支撑高速旋转轴的旋转轴承以及用于去除切削工序的工具进行最小润滑。在对工具进行润滑的情况下，(雾化)润滑剂的流量按毫升每分钟的量级以便获得有效的润滑效果。另一方面，在对诸如球轴承的机械单元进行润滑的情况下，润滑剂流体是两相流体(空气和油的混合物)，其中油保持处于具有每分钟几微升的流量的液体状态。在后一种情况下，润滑剂在加压管道中以液体条纹的形式存在。
EP2333396描述了一种借助于雾化油(不是两相混合物)对工具进行最小润滑的设备，该设备包括用于润滑剂的槽和用于在压力下将该润滑剂供给至少一个模块化元件的装置。后者包括其上安置有流动调节器和压缩空气回路的管道。润滑剂管道和压缩空气管道耦接至空气-润滑剂混合元件。EP2333396没有描述用于测量润滑剂的流量的任何传感器。
在用两相(空气-油)流体定量供给少量润滑剂以进行润滑的已知系统中，这种润滑在压缩空气的连续流动中循环地发生一段时间。然而，这个过程导致润滑剂供应的不连续性，这与在这些系统中发生的情况相反，应该以最小的、连续的量分布，以便获得与这些系统配合的机械元件的最佳润滑。在用两相流体进行润滑时，这种不连续性的原因与在低于10mm3的限量(即，10μl＝10微升的限量)下定量供给少量油的困难有关。这导致需要稀释油的用量，使得它们在压缩空气的连续流动中小于这个极限，这种流动具有对循环定量供给的量的分布和均化的效果。然而，这种分布和均化与将空气-油混合物输送至待润滑的单元的管道长度相关，因此，这种管道必须足够长(至少3米)。然而，这并不总是可能实现的。
因此，尽管用于供应空气-油混合物的管道的长度构成了用于稀释和调节在润滑点处的润滑剂的流量的手段，但是在所有已知的空气-油系统中实施的润滑过程涉及就在润滑点处供应的润滑剂的流动而言另一方面是不连续的。这构成了对所润滑单元——例如装有轴承的高速心轴的相应的所润滑的球轴承——的高速性能的限制。
此外，已知的解决方案的另一个问题是用容积泵等实现的定量设备的精度不够。特别是在高速轴承领域中，润滑剂或空气-油润滑剂混合物的供应的任何变化或异常会引起过量或缺乏润滑方面的问题。
由于这个原因，最先进的润滑系统由安置在用于供应空气-油混合物的管道上的也称为条纹传感器的光学传感器(例如DE102006030651中所述)控制，其允许调节油或含有油的混合物的流量。然而，这些已知的系统也具有应用限制，例如可以调节的润滑剂的用量的最小值以及调节管道的最大直径尺寸。
另外，在透明管道内运动的润滑剂条纹的光学调节实际上不涉及定量供给的润滑剂的流量的调节，而仅仅是检查润滑剂流体供应系统的运转，即是否在输送流体(空气)中存在油。例如，WO2010/128380描述了一种用于最小润滑的方法和设备，其包括使用光学传感器来检测管道内的空气-油混合物，该混合物被输送至待润滑的单元。
也已知用于低粘度流体的微供应的设备，诸如，例如压电微泵，虽然它们保证最小的约1μl/秒(微升/秒)的供应，但是不能够供应具有一定粘度——诸如润滑油——和高于1bar(0.9bar或90kPa)的压力的流体。因此，如同必须以至少5bar至6bar的压力供应和浸入也可具有6bar的压力值的压缩空气管道中的润滑剂流体情况一样，这些装置不能供应高压流体。
此外，用这种微型泵获得的供应压力并不总是恒定的，而是取决于在空气-油润滑供应回路的下游部分中产生的特性和反压力。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种允许上述类型的最小润滑的方法和系统，与用已知的方法获得的系统和设备相比，这种方法和系统得到了改进。
特别地，本发明的一个目的是提供一种具有精确的、规则的以及在合适的调节供应压力——即，精确测量——下的层流运动的用于最小润滑的系统和方法，该系统和方法允许连续或重复最小的、几乎恒定的润滑剂用量(例如，10μl/分钟或微升/分钟)。
另一目的是提供一种上述类型的方法和系统，其避免需要具有较长的管道以对循环定量供给10mm3(或10μl)的相对大量稀释/分布，但首先是保证润滑剂的最小流量的有效测量调节。
本发明的另一个目的是提供一种用于最小润滑的系统和方法，该系统和方法独立于用于将空气-油混合物供应到待润滑的球轴承的管道的可变压力而允许稳定且连续地供给润滑剂。
本发明的又一目的是提供一种用于最小润滑的系统和方法，该系统和方法通过基于润滑剂的流量的测量来控制的用于供应润滑剂的设备供应就空气压力和润滑剂体积而言均可以调节的相(空气-油)。
本发明的另一个目的是提供一种用于最小空气-油润滑的系统和方法，其特别地用于球轴承的润滑，该系统和方法被设计为自动地指示空气-油混合物中的润滑剂或压力的任何不足，这种不足可能导致待润滑的轴承卡滞的功能异常。
本领域技术人员将会明白，这些目的和其它目的将通过根据所附权利要求的用于机械单元的最小润滑的方法和系统来实现。
附图说明
为了更好地理解本发明，仅作为非限制性示例，附加以下附图，其中：
图1示出了根据本发明的系统的第一实施方式；
图2示出了根据本发明的系统的第二实施方式；
图3示出了图1和2中的系统的部分的示意图；
图4示出了图3中的部分在使用期间的示意图；以及
图5示出了显示润滑剂流体流量(与由自混合激光干涉仪产生的电信号的幅值和频率有关)在输送管道3中的润滑剂流体的运动速度存在变化时的测量曲线图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的用于机械单元的最小空气-油润滑的系统总体上用1表示。这种系统包括容纳第一流体——即，润滑剂或油——的槽2，从槽2延伸出第一管道3，第一管道3通过单向阀4连接至第二输送流体在其中运动的第二管道5(用于混合)。管道3和5的直角布置仅作为本发明的非限制性示例，因为这些管道可以以不同的角度布置。
槽2连接至在槽2中产生压力以便在管道3内获得第一流体或润滑剂的预定流量的压力调节器7。压力调节器连接至控制系统1的运转的优选地具有微处理器的指令和控制单元8。
这种单元还连接至检测槽2中的润滑剂的压力的压力传感器10并且连接至压力传感器12，其中，压力传感器12沿着第二输送流体——通常是空气——的运动方向与在阀4的下游的第二管道5相关联。特别地，这种传感器12沿着这种第二管道安置，其中，第二管道对应于两种流体——即，油和空气——在其中混合的后者的一部分。然后，传感器12检测空气-油混合物中的压力。
第二管道5连接至用于第二流体(压缩空气)的电子压力调节器13，其中，第二流体(压缩空气)以任何已知的方式从压缩空气网中收集。空气显然也是在槽2中存在的油(示为17)的表面15上产生压力的元件以便对其加压使其进入第一管道3，浸入槽2中的第一管道3的端部3A设置有单向阀20。
流动传感器21存在于第一管道上。根据本发明，这是一种能够极其精确地检测在管道3中流量的具有激光射线的发生流动传感器。该传感器21连接至单元8，单元8根据从该传感器以及传感器10和12接收到的数据来相应地调节向机械单元供应两相流体。
根据本发明，这种传感器或用于检测流动的装置是已知的自混合干涉仪(参见图3和4)。其被安装在管道3上，使得激光射线21B的发射源21A直接接触或者紧邻管道3(通常由毛细管限定)。无论与管道3是成直角还是倾斜(具有可变倾斜)，这个位置对于控制定量供给润滑剂的量是最佳的。这种发射源通常并且优选是激光二极管。
众所周知，自混合干涉仪基于在由半导体激光器发射的小部分光从远程目标反向散射时所引起的干扰的测量。通过激光振荡器发生了一种持续的辐射的发出，使得发射的功率被干涉波形调制，该干涉波形是反向散射场相位
的周期性函数，其中，k＝2π/λ是设定波长处的波数并且s是激光与目标之间的距离。
在所讨论的情况下，通过传感器21的电子电路21C中的监视光电二极管显示干涉信号。在光生成的电压信号中，每当目标经历位移等于λ/2时就会产生干涉条纹。
激光二极管或激光发射源21A被简单地支撑在包含油的流动的管道3的外表面上(或紧邻其安置)。如图4中所示，由于测量多普勒信号21E是由激光二极管21A的自然发散(通常在10°与30°之间)产生的，所以避免使用光学器件，并因此避免使用复杂的对准和组装。
自混合干涉仪21A产生一种由在油中运动的各种漫射体引起的信号贡献的总和：在粘性润滑剂流体的情况下，漫射体是有利地存在的染料颗粒。在输出端观察到信号，其频率发展取决于油的流量。
应该注意的是，在最小润滑领域，润滑剂的一个特征是它特别干净并且被很好地过滤(例如达到3μm)，换句话说，该流体不会含有会导致缺乏均匀性的污染物颗粒或缺乏均匀性的物质或污垢。这是用于根据本发明的系统的令人满意的运转的基本特征。从而保证了使用的最大可靠性和所润滑机械单元的长使用寿命。因此，为了检测流体的运动，有利地使用已知的有色润滑剂或着色活化颜料。
因此，干涉仪或传感器21允许精确测量管道3中的油的流动，其中，通过这种装置，油可以被连续地(以受控的方式)供应至管道5中。这也是因为这种油以层流运动(甚至具有最小流量)并且具有最小的粘度，并且由于其透明度以及其长期均匀性的特征，而允许测定有色颜料。层流运动的特征表征了自混合干涉仪作为流动测量器的用途，因为后者执行仅在层流运动的情况下是可靠的表面速度测量。使用染料使得可以“编码”油，从而使系统可靠并可重复。
图5示出了在流体的速度变化时的一些测量结果。在该图中：曲线A表示基准信号或噪声；曲线B涉及0.4滴/秒的流动；曲线C涉及1滴/秒的流动；曲线D涉及2滴/秒的流动；曲线E涉及3滴/秒的流动。
根据一种实施方式，基于根据图5中的曲线的信号，已经产生了单元8工作所依据的开发算法。通过这种方法，在减去噪声基础之后，它评估对数频谱的一个重心。重心的频率计算如下：
其中，积分延伸至fnoise，对应于信号超过预设阈值(例如1dB)的噪声基准的频率。该算法增加了一个将
与流动相关联的实验校准系数，从而获得实时测量。
该算法因此直接提供流动测量。
通过这种装置，通过获得管道3中的润滑剂17的流动的精确值，可以精确地(并且连续地)调节流动，同时保持其长期恒定，从而获得机械单元的连续润滑。
图1还示出了安置在混合管道5中的空气流动调节器40。此外，它示出了用于润滑剂的精细过滤器(3μm)。
图2中，对应于图1中的那些部件用相同的附图标记表示，示出了本发明的不同实施方式。其示出了包括连接至泵30的油槽2的系统1，该泵30由其自身的发动机31驱动并将油17推向已知的容积定量元件33，从容积定量元件33延伸出自混合干涉仪流动传感器21被定位其上的管道3。
后者连接至控制单元8，控制单元8基于由该传感器检测的流动数据和由压力传感器12检测到的数据干预泵30的发动机31和压力调节器13以便获得待引入第二输送流体或空气流体中的润滑剂的连续流动。
图2还示出了安置在混合管道5中的空气流动调节器40。其还示出了用于润滑剂的精细(3μm)过滤器。
通过本发明，可以向机械单元提供润滑剂的最少供应，即使在非常接近的时间段内，以至少1秒至2秒的速率重复地获得大致恒定的润滑剂用量(具有可修改的频率)。润滑剂以规则的、精确的层流运动并且以也被精确调节和控制的预定供应压力运动。这允许在空气(或第二流体或输送流体)中定量供给充分少量的油(或第一流体或润滑剂流体)的最佳混合，而不需要如在现有技术的解决方案中发生的用于对循环定量供给的相对大的量(例如10mm3或10μl)进行稀释的长管道。
还可获得两相混合物(空气-油)的供应，这种供应与用于将该混合物供应至机械单元的在管道中存在的可变压力无关。
已经提供了本发明的不同实施方式的描述。然而其它情况也是可能的，例如，激光传感器21也可以不同于干涉仪或自混合单元，却使用相同的方法来检测处于基于规则和层状的运动的具有稳定的光学性质的流体。这些变型也可以被认为包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内。
Claims (8)
1.用两相混合物对处于运转中的机械单元进行最小润滑的方法，所述方法包括：在第二相或输送流体相内供应第一液相或润滑剂流体(17)；调节和控制这两相的流量和/或压力；以及在混合管道(5)内将这些相作为混合物供应至所述机械单元，将所述第一液相或润滑剂流体(17)重复地以恒定的用量供应至所述输送流体相内，在第一管道(3)内的所述第一液相或润滑剂流体到达所述第二相或输送流体相也到达的所述混合管道(5)之前检测和调节所述第一液相或润滑剂流体的流量，对所述流量的该检测是通过由安装在所述第一管道(3)上的激光发射器发射的激光射线(21B)从该润滑剂流体向检测器单元的反向散射来获得，所述检测器单元连接至对所述机械单元的润滑进行控制的指令和控制单元(8)，所述指令和控制单元(8)调节向所述机械单元供应所述两相混合物，所述润滑剂流体以层流运动，其特征在于，所述激光射线(21B)由自混合干涉仪发射，所述激光发射器被安置成与所述第一液相或润滑剂流体(17)在其中运动的所述第一管道(3)接触或者紧邻所述第一管道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从槽(2)供应所述第一液相或润滑剂流体，所述第一液相或润滑剂流体在所述槽(2)中被加压，所述槽(2)连接至压力调节器(7)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一液相或润滑剂流体从连接至泵(30)的容积定量元件(33)获得。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将染料颗粒引入到所述润滑剂流体(17)中。
5.用两相混合物对处于运转中的机械单元进行最小润滑的系统，所述系统包括：用于将第一液相或润滑剂流体(17)供应至第二相或输送流体相内的装置；设置用于对这些相在混合管道(5)内作为混合物至所述机械单元的流量和/或压力进行控制的装置；借助于在第一管道(3)内流动的所述第一液相或润滑剂流体的流量的激光射线检测来提供检测的检测装置，在所述第一管道(3)连接至第二管道或混合管道之前，所述检测装置连接至用于控制和调节该第一液相或润滑剂流体的流量的装置，所述用于控制和调节该第一液相或润滑剂流体的流量的装置能够根据检测到的该第一液相或润滑剂流体(17)在所述第一管道(3)内的流量对用于获得该第一液相或润滑剂流体(17)在所述第一管道(3)内的预定流量的装置进行干预，所述干预能够使该第一液相或润滑剂流体(17)的该流量在所述第一管道(3)内保持恒定，其特征在于，所述检测装置是自混合干涉仪，所述自混合干涉仪具有被安置成与所述第一管道(3)接触的激光发射器，所述激光发射器与所述第一管道(3)成直角或者相对于所述第一管道(3)倾斜。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，用于获得所述第一液相或润滑剂流体的预定流量的所述装置为电子压力调节器或泵。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，用于控制和调节的所述装置是指令和控制单元(8)。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述指令和控制单元(8)具有微处理器。
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