CN110594288B - 一种基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承 - Google Patents

一种基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，包括滑动套装在转动轴外周的推力轴承；还包括固定套装在转动轴外周的推力盘，跟随转动轴转动和轴向位移；推力轴承承受转动轴向推力轴承一侧的轴向负荷；所述推力轴承靠近推力盘一侧的端面上设置有多个沿圆周方向间隔布置的固定瓦块；每个所述固定瓦块的推力面设置有沿圆周方向延伸的永磁体吸附面；每个永磁体吸附面的磁力沿转动轴转动方向逐渐增大，在每个固定瓦块上形成梯度磁场，并吸附有纳米磁性液体形成油膜。该油膜在梯度磁场作用下形成具有一定倾斜角度的柔性瓦块，实现流体动压润滑，润滑能力良好；可避免冲击振动对轴承的损伤，可靠性高；结构简单，便于制造和封装。

Description

一种基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承
技术领域
本发明涉及轴承领域，具体来说是一种基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承。
背景技术
微机电系统（Micro Electromechanical System，MEMS）是由微电子和微机械元件组成的集成微器件或微系统，其在航空航天、精密机械、汽车制造、生物医学及传感技术等领域，具有十分广阔的应用前景。与宏观机械相似，MEMS旋转器件同样需要轴承对其进行支撑和润滑，降低其运动过程中的摩擦系数。
目前，已有许多研究人员相继提出干摩擦轴承、电磁轴承和气浮轴承等诸多微轴承设计方法。在干摩擦轴承设计方面，研究者主要采用销轴承、微球轴承等多种形式。微球轴承与宏观滚动轴承原理类似，定子和转子之间仅由微球连接，将滑动摩擦变为滚动摩擦。但由于干摩擦轴承采用直接接触的方式，会导致接触面的摩擦磨损，限制轴承的转速和使用寿命，因此研究人员又展开了非接触式轴承的研究。例如参考宏观旋转机械中的电磁轴承工作原理，采用微加工技术研制出定、转子直径分别为2.1mm和2.6mm，厚度为250μm的微型电磁轴承；还有采用马蹄形和圆柱形电磁铁研制的磁悬浮微轴承，其转速可达到30000r/min，响应速度也较快。但微型电磁轴承结构复杂，其磁体材料与大多数微加工技术不兼容，而且必须通过合理地控制电磁信号来保证转子的平衡性，因此人们又开发了微型气浮轴承。微型气浮轴承与宏观气浮轴承原理类似，气体在轴和轴套中间构成气膜，但微型气浮轴承的设计受MEMS加工技术的限制，同时需要着重考虑气体的贮存与密封，滑流效应对气浮轴承也有一定的影响。
从上述情况来看，MEMS中现有的轴承大都是根据宏观轴承结构原理，采用光刻、DRIE等微加工技术制造而来，结构相对复杂、可靠性差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，通过倾斜的承载油楔实现流体动压润滑，润滑能力良好；可避免冲击振动对轴承的损伤，可靠性高；结构简单，便于制造和封装。
技术方案：本发明提出一种基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，包括滑动套装在转动轴外周的推力轴承，所述推力轴承固定在轴承支座上；
还包括推力盘，所述推力盘固定套装在转动轴外周，跟随转动轴转动和轴向位移；所述推力轴承向推力盘施加轴向力，承受转动轴向推力轴承一侧的轴向负荷；
所述推力轴承靠近推力盘一侧的端面上设置有多个沿圆周方向间隔布置的固定瓦块；每个所述固定瓦块的推力面设置有沿圆周方向延伸的永磁体吸附面；每个固定瓦块上的永磁体吸附面的磁力沿转动轴转动方向逐渐增大，在每个固定瓦块上形成梯度磁场；每个所述固定瓦块的推力面通过永磁体吸附面吸附有纳米磁性液体形成油膜，所述纳米磁性液体形成的油膜沿转动轴转动方向的厚度逐渐增大，形成具有一定倾斜角度的柔性瓦块，用于推力轴承与推力盘相邻端面之间的流体动压润滑。
进一步，每个所述永磁体吸附面包括多个嵌入固定瓦块推力面的阵列排布的永磁体块；所述多个永磁体块排布的阵列的行沿圆周方向排列，列沿径向排列；每行的多个永磁体块的磁力沿转动轴转动方向逐渐增大；每列的多个永磁体块的磁力相同。
进一步，每行的多个所述永磁体块的体积沿转动轴转动方向逐渐增大，每列永磁体块的体积相同。
进一步，多个所述固定瓦块沿推力轴承中心对称布置。
进一步，相邻固定瓦块的间隔处均设置有用于存储纳米磁性液体的存储槽；每个固定瓦块磁力较小的一侧与相邻的存储槽连通。
进一步，所述存储槽上还设置有用于吸附存储槽内的纳米磁性液体的第二永磁体块。
进一步，每个所述固定瓦块磁力较小的一侧设置有若干坡口；所述坡口连通至相邻的存储槽。
有益效果：本发明通过固定瓦块的梯度磁场，使得纳米磁性液体形成的油膜形成具有一定倾斜角度的柔性瓦块，与推力盘表面形成承载油楔，可以在更小的相对滑动速度下实现流体动压润滑，减少了推力面的摩擦磨损，同时具有冷却和吸振作用。此外，柔性瓦块的倾角可随转动轴的轴向负荷变化，能够减少冲击振动对轴承的损伤，保证转动轴旋转平稳，适用于多种工况条件。
纳米磁性液体这种可被定位的性质使其具有自密封性能，无需设计密封结构，简化了轴承结构，便于制造和封装，尤其适用于微加工方法制造的MEMS微轴承器件。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的推力轴承的推力面的结构示意图；
图3为本发明一个固定瓦块上的永磁体块的一种实施方式的示意图；
图4为图3的A-A截面图；
图5为本发明一个固定瓦块上的永磁体块的另一种实施方式的示意图；
图6为图5的B-B截面图。
具体实施方式
本发明提出一种基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，包括滑动套装在转动轴1外周的推力轴承2，所述推力轴承2固定在轴承支座上。
还包括推力盘3，所述推力盘3过盈配合套装在转动轴1外周；同时旋转轴1上设置有轴颈，所述轴颈与推力盘3上远离的推力轴承2一侧的端面相接，用于限制推力盘3的轴向位移。推力盘3跟随转动轴1转动和轴向位移；所述推力盘3与推力轴承2相对转动，同时推力轴承2向推力盘3施加轴向力，承受转动轴1向推力轴承2一侧的轴向负荷。
所述推力轴承2靠近推力盘3一侧的端面上设置有多个沿圆周方向间隔布置的固定瓦块4，多个所述固定瓦块4沿推力轴承中心2对称布置。固定瓦块4的数量优选为6个。每个所述固定瓦块4的推力面设置有沿圆周方向延伸的永磁体吸附面。
每个所述永磁体吸附面包括多个嵌入固定瓦块4推力面的阵列排布的永磁体块5；永磁体块5的形状优选为圆柱状。所述多个永磁体块5排布的阵列的行沿圆周方向排列，列沿径向排列。具体的加工方式是先在固定瓦块4的推力面加工出圆孔阵列，然后将永磁体块5一一置入圆孔中。
每行的多个所述永磁体块5的体积沿转动轴1转动方向逐渐增大，每列永磁体块5的体积相同。具体可以采用以下两种实施方式：
实施例1，沿转动轴1转动方向，永磁体块5的高度不变，直径依次增大；
实施例2，沿转动轴1转动方向，永磁体块5的直径不变，高度依次增大。
这样的构造使得每个固定瓦块4上的永磁体吸附面的磁力沿转动轴1转动方向逐渐增大，在每个固定瓦块4上形成梯度磁场。
每个所述固定瓦块4的表面通过永磁体吸附面吸附有纳米磁性液体形成具有一定倾斜角度的油膜，用于推力轴承2与推力盘3相邻端面之间的流体动压润滑。
纳米磁性液体是一种新型的功能材料，通过表面活性剂分子层将纳米级磁性颗粒包覆，并均匀分散于基载液中而形成的一种稳定的胶体溶液。均匀分散于基载液中的纳米级磁性颗粒在外磁场中会受到磁场力的作用，故纳米磁性液体同样能够受到磁场控制。可以通过外加磁场控制纳米磁性液体的移动、定位和形变。基于纳米磁性液体的这种特殊性质，纳米磁性液体作为润滑剂具有良好的润滑效果和承载能力。本实施方式中的永磁体均采用钕铁硼材料，纳米磁性液体均采用油基四氧化三铁纳米磁性液体。
在梯度磁场作用下，所述纳米磁性液体形成的油膜沿转动轴1转动方向的厚度逐渐增大，呈梯度变化，形成具有一定倾斜角度的柔性瓦块，与推力盘3表面形成楔形空间，实现流体动压润滑。转动轴1在静止和低速状态下，柔性瓦块均可形成有效润滑膜，减少磨损，延长实用寿命。转动轴1在旋转过程中，由于柔性瓦块具有一定倾斜角度，更容易与推力盘3表面形成承载油楔，可以在更小的相对滑动速度下实现流体动压润滑，减少了推力面的摩擦磨损，同时具有冷却和吸振作用。同时柔性瓦块倾角可随转动轴1的轴向负荷变化，适用于多种工况条件。
相邻固定瓦块4的间隔处均设置有用于存储纳米磁性液体的存储槽6，所述存储槽6上还设置有用于吸附存储槽6内的纳米磁性液体的第二永磁体块7。每个所述固定瓦块4磁力较小的一侧设置有若干坡口8；所述坡口连通至相邻的存储槽6。
存储槽6可以补充固定瓦块4处的纳米磁性液体的损耗，延长轴承维护保养周期，防止因乏油导致轴承损坏。同时，在工作过程中，若轴向负荷突然增大，导致柔性瓦块压力过大，纳米磁性液体可通过坡口8退回存储槽6，平衡压力；若轴向负荷突然减小，推力盘3与柔性瓦块间隙增大，纳米磁性液体可在磁场作用下沿坡口8进入到固定瓦块4表面，补充间隙。通过这种补充油路的设计，可避免冲击振动对轴承的损伤，保证转动轴1旋转平稳。

Claims (7)

1.一种基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，包括滑动套装在转动轴（1）外周的推力轴承（2），所述推力轴承（2）固定在轴承支座上；
还包括推力盘（3），所述推力盘（3）固定套装在转动轴（1）外周，跟随转动轴（1）转动和轴向位移；所述推力轴承（2）向推力盘（3）施加轴向力，承受转动轴（1）向推力轴承（2）一侧的轴向负荷；
其特征在于：所述推力轴承（2）靠近推力盘（3）一侧的端面上设置有多个沿圆周方向间隔布置的固定瓦块（4）；每个所述固定瓦块（4）的推力面设置有沿圆周方向延伸的永磁体吸附面；每个固定瓦块（4）上的永磁体吸附面的磁力沿转动轴（1）转动方向逐渐增大，在每个固定瓦块（4）上形成梯度磁场；每个所述固定瓦块（4）的推力面通过永磁体吸附面吸附有纳米磁性液体形成油膜，所述纳米磁性液体形成的油膜沿转动轴（1）转动方向的厚度逐渐增大，用于推力轴承（2）与推力盘（3）相邻端面之间的流体动压润滑。
2.根据权利要求1所述的基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，其特征在于：每个所述永磁体吸附面包括多个嵌入固定瓦块（4）推力面的阵列排布的永磁体块（5）；所述多个永磁体块（5）排布的阵列的行沿圆周方向排列，列沿径向排列；每行的多个永磁体块（5）的磁力沿转动轴（1）转动方向逐渐增大；每列的多个永磁体块（5）的磁力相同。
3.根据权利要求2所述的基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，其特征在于：每行的多个所述永磁体块（5）的体积沿转动轴（1）转动方向逐渐增大，每列永磁体块（5）的体积相同。
4.根据权利要求3所述的基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，其特征在于：多个所述固定瓦块（4）沿推力轴承（2）中心对称布置。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，其特征在于：相邻固定瓦块（4）的间隔处均设置有用于存储纳米磁性液体的存储槽（6）；每个固定瓦块（4）磁力较小的一侧与相邻的存储槽（6）连通。
6.根据权利要求5所述的基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，其特征在于：所述存储槽（6）上还设置有用于吸附存储槽（6）内的纳米磁性液体的第二永磁体块（7）。
7.根据权利要求5所述的基于纳米磁性液体的磁控柔性瓦块推力滑动轴承，其特征在于：每个所述固定瓦块（4）磁力较小的一侧设置有若干坡口（8）；所述坡口连通至相邻的存储槽（6）。
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