CN110748781B - 一种高精度长寿命压电微喷主动供油装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度长寿命压电微喷主动供油装置，该装置包括喷油系统、储油系统和注油系统；喷油系统包括微喷机构和驱动机构；微喷机构为套筒状，套设在安装轴外侧和两个轴承之间，且套筒内径与安装轴的外径相配合；驱动机构实时感知轴承的摩擦力矩信号、安装轴的内部温度信号和安装轴的转速信号以及驱动安装轴的电机的工作电流信号，并调控切换喷射模式，分别从微喷机构的两端喷射润滑油至轴承外圈内表面、轴承内圈外表面以和轴承滚子；储油系统，设置在安装轴第一端的内部，与喷油系统连通，储存润滑油；注油系统，设置在安装轴第二端的内部，与储油系统连接，补充润滑油。

Description

一种高精度长寿命压电微喷主动供油装置

技术领域

本发明涉及精密润滑技术领域，具体涉及一种高精度长寿命压电微喷主动供油装置。

背景技术

当前，卫星正在向敏捷机动、长服役寿命(8～15年)方向发展，卫星内部回转部件需要频繁转动以进行卫星飞行姿态和观测载荷的观测方位调整，回转部件的轴承能否实现长效润滑将对卫星的服役寿命和性能产生重要影响。研究发现，润滑失效是造成空间机构故障的重要因素之一。

当前，卫星回转部件的轴承主要采用传统被动式供油方案，而在真空失重空间环境下，回转部件内部的轴承的润滑油易挥发、爬移而损耗，使轴承滚道无法形成弹性流体润滑油膜，加速轴承磨损；另外，在低速和机动工况下，轴承处于贫油或半润滑状态，易诱发保持架运转不稳定、摩擦力矩上升、轴承磨损量增大，降低轴承使用寿命，最终导致卫星寿命下降或失效。

采用主动供油润滑系统虽然可解决轴承低转速下润滑不良问题，其供油量、供油时机和供油位置可控，可闭环自动控制，具有供油效率和有效润滑效率更高等优点，对实现空间环境下轴承、轴承组件的高可靠、长效补充供油具有重要意义。专利号为201210509633.6的专利公开了一种基于压电泵的轴承双模式自动润滑装置，基于压电泵吸原理完成润滑液的输送，体积较小、移动方便，且具有通过人机界面设定润滑以及通过检测轴承故障润滑状态自动进行润滑液补充两种操作模式，具有较强的便利性。但是，这种装置自身不具有储油结构，且结构集成度不高，不能满足卫星轴承对润滑部件的结构尺寸及重量的严格要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度长寿命压电微喷主动供油装置。此装置旨在解决现有卫星内回转部件的轴承在真空失重环境下因采用传统被动式润滑方案而导致的磨损加剧乃至失效问题，提高空间精密轴承的润滑效率和可靠性，提升卫星的服役寿命及使用性能。

为达到上述目的，本发明提供了一种高精度长寿命压电微喷主动供油装置，卫星内部回转部件的安装轴两端各安装有两个轴承，该装置包括喷油系统、储油系统和注油系统；喷油系统包括微喷机构和驱动机构；微喷机构为套筒状，套设在安装轴外侧和两个轴承之间，且套筒内径与安装轴的外径相配合，且两端分别与两个轴承连接；驱动机构用以实时感知轴承的摩擦力矩信号、安装轴的内部温度信号和安装轴的转速信号以及驱动安装轴的电机的工作电流信号，并调控切换喷射模式，分别从微喷机构的两端喷射润滑油至轴承外圈内表面、轴承内圈外表面以和轴承滚子；储油系统，设置在安装轴第一端的内部，与喷油系统连通，用以储存并密封润滑油；注油系统，设置在安装轴第二端的内部，与储油系统连接，用以补充储油系统内部的润滑油。

最优选的，微喷机构由多个关节单元拼接成环状；每个关节单元由第一零件和第二零件粘接构成。

最优选的，微喷机构分别在与两个轴承接触的两个端面设置有多个喷油孔，用于向轴承喷射润滑油。

最优选的，微喷机构与安装轴之间形成有内部油道，与多个喷油孔连通。

最优选的，驱动机构包括驱动控制器、压电陶瓷、温度/力矩传感器和电极引线；驱动控制器设置在安装轴外，根据温度/力矩传感器实时反馈的轴承的摩擦力矩信号、安装轴内部温度信号、驱动安装轴的电机的工作电流信号和安装轴的转速数据判断两个轴承是否需要润滑，调整并释放出脉冲激励信号，通过电极引线传输至压电陶瓷；压电陶瓷设置在微喷机构的外壁上，接收驱动控制器发出的脉冲激励信号，调控切换单次喷射或连续喷射两种喷油模式，并产生径向压电形变，进行润滑油定量补充；温度传感器设置在安装轴内部，力矩传感器设置在安装轴外部，与驱动控制器连接，用于实时反馈安装轴内部温度和轴承的摩擦力矩；所述驱动安装轴的电机的工作电流信号和安装轴的转速数据直接由电机电路在安装轴外部接入所述驱动控制器，实时向驱动控制器反馈安装轴的转速信号和驱动安装轴的电机的工作电流信号；电极引线的第一端与压电陶瓷连接，第二端穿设微喷机构和安装轴与驱动控制器连接。

最优选的，储油系统包括储油筒、移动活塞和密封盖；储油筒设置在安装轴第一端的内部，且其外径与安装轴内径相配合；移动活塞设置在安装轴内部靠近安装轴第一端口的一端，与储油筒连接，可在储油筒内部自由滑动；密封盖设置在移动活塞外侧，位于安装轴的第一端口处，与安装轴密封连接，抵住移动活塞达到极限位置，且密封储油筒；密封盖上还设置有平面槽用于储油筒内部气体抽真空。

最优选的，密封盖包括外挡盖和螺塞；外挡盖设置在移动活塞外侧，位于安装轴的第一端口处，与安装轴连接，抵住移动活塞位置，并密封储油筒；螺塞设置在外挡盖外侧，且设置有平面槽用于储油筒内部气体抽真空。

最优选的，储油筒上还开设与安装轴连通的输油通道；所述输油通道与内部油道连通。

最优选的，注油系统包括注油活塞、密封凸台、第一弹簧和第二弹簧；注油活塞设置在安装轴内部，且外径与安装轴内径相配合，其第一端位于安装轴第二端口处，第二端与储油筒连接；密封凸台设置在注油活塞右端面与储油筒内部形成的空间内部，且其第一端与注油活塞连接，第二端与储油筒连接；第一弹簧设置在密封凸台和储油筒之间，第一端与密封凸台连接，第二端与储油筒连接，处于压缩状态，将密封凸台压紧在注油活塞端面上，用以密封储油筒；第二弹簧设置在储油筒内部，第一端固定在储油筒内部，第二端与移动活塞连接，保证储油筒内部压力恒定。

最优选的，注油活塞沿轴线还设置有中空的注油通道。

运用此发明，解决了现有卫星内回转部件的轴承在真空失重环境下因采用传统被动式润滑方案而导致的磨损加剧乃至失效问题，提高了空间精密轴承的润滑效率和可靠性，提升了卫星的服役寿命及使用性能。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明系统解决了现有卫星内回转部件的轴承在真空失重环境下磨损加剧乃至失效的问题，实现了对轴承组件的主动润滑，并且具有精确可控、补油可闭环自动控制、供油效率和有效润滑效率更高等特点，显著提升了卫星的服役寿命及使用性能。

2、本发明系统实现了通过简单的改进满足其他具有长期稳定运行要求的转动部件的精密润滑需求。

附图说明

图1为本发明提供的该装置的结构示意图；

图2为本发明提供的喷油机构部分结构放大示意图；

图3为本发明提供的驱动机构调控喷油设置的流程图；

图4为本发明提供的移动活塞的结构示意图；

图5为本发明提供的外挡盖的结构示意图；

图6为本发明提供的螺塞的结构示意图；

图7为本发明提供的喷油过程中润滑油在储油筒内部运动路线示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明是一种高精度长寿命压电微喷主动供油装置，如图1所示，该装置包括喷油系统、储油系统和注油系统，均集成在同一安装轴02上，卫星回转部件的安装轴02两端各安装有两个轴承01。喷油系统，包括微喷机构11和驱动机构。其中，如图2所示，微喷机构11为套筒状，套设在安装轴02外侧和两个轴承01之间，且套筒内径与安装轴02的外径相配合，且两端分别与两个轴承01连接；驱动机构用以实时感知轴承01的摩擦力矩信号、安装轴02的内部温度信号和安装轴02的转速信号以及驱动安装轴的电机的工作电流信号，并调控切换喷射模式，分别从微喷机构11两端喷射润滑油至轴承01外圈内表面、轴承01内圈外表面以和轴承滚子。储油系统，设置在安装轴02第一端的内部，与喷油系统连通，用以储存并密封润滑油。注油系统，设置在安装轴02第二端的内部，与储油系统连接，用以补充储油系统内部的润滑油。

微喷机构11通过过盈配合或紧固连接安装在安装轴02上；紧固连接包括粘结剂胶粘、紧固螺钉连接、焊接等方式。

套筒状的微喷机构11由L个关节单元采用粘结方式拼接成环状，且满足1≤L≤100，L为整数。每个关节单元由分开加工的第一零件11-1和第二零件11-2通过密封胶27粘接构成。

微喷机构11分别在与两个轴承01接触的两个端面沿轴向，在不同半径位置处设置有N个喷油孔26，N满足1≤N≤100，N为整数，用于向轴承01喷射润滑油，且保证一个或全部喷孔同时工作；喷油孔26直径为φ，长度为D，满足0.05mm≤φ≤0.5mm，D＝1mm。

微喷机构11与安装轴02之间形成有内部油道17，与喷油孔26连通；内部油道17中设计有单向密封的薄膜片25，保证内部油道17在抽真空时的密封性；薄膜片25通过细金属丝24焊接或粘接在内部油道17的侧壁上，防止喷油时薄膜片25堵塞喷油孔26；

微喷机构11上开有真空抽取孔，与内部油道17联通，真空抽取孔与外界的真空保压装置相互配合保证内部油道17的真空度。

驱动机构用以实时感知轴承01的摩擦力矩信号、安装轴02的内部温度信号和安装轴02的转速信号和驱动安装轴的电机的工作电流信号，并调控切换喷射模式，分别从微喷机构11两端喷射润滑油至轴承01外圈内表面、轴承01内圈外表面以和轴承滚子。

驱动机构包括驱动控制器、温度传感器08、电极引线13和压电陶瓷10。

驱动控制器为闭环控制系统，设置在安装轴02外，根据温度传感器08实时反馈的安装轴内部温度的数据信号、驱动安装轴02的电机的工作电流信号和安装轴02的转速数据是否超过正常工作限值判断两个轴承01是否需要润滑，若数据信号超过正常工作限值，则根据前期微喷润滑实验确定的温度信号与润滑参数的对应关系确定出最佳润滑参数，调整并释放出具有特定频率的脉冲激励信号，通过电极引线13作用于压电陶瓷10。

压电陶瓷10设置在微喷机构11的外壁上，接收驱动控制器发出的脉冲激励信号，调控切换单次喷射或连续喷射两种喷油模式，并产生径向压电形变，进行润滑油定量补充；压电陶瓷10形状为环形，有M个压电陶瓷10，且M满足1≤M≤10；环形的压电陶瓷10与微喷机构11的外壁采用导电胶28粘接，保证脉冲激励信号可传递至环形的压电陶瓷10。

温度传感器08为热敏电阻，设置在安装轴02内部，与驱动控制器连接，用于感知安装轴02的内部温度。

电极引线13的第一端分别与多个压电陶瓷10连接，第二端穿设微喷机构11和安装轴02与驱动控制器连接；微喷机构11外壁沿径向还设置有与安装轴02内部连通的圆柱槽12，用于电极引线13的穿设。

如图3所示，驱动机构中，驱动控制器根据温度传感器08反馈的安装轴02的温度数据信号，调整释放出具有特定频率的脉冲激励信号，通过电极引线13驱动压电陶瓷10，调控切换单次喷射及连续喷射两种喷油模式，产生径向压电形变，在储油系统内部产生压力波进行传播，压力波在传播的过程中由于反射叠加会在喷油孔26形成驱动力，驱动喷油孔26的润滑油液滴分别喷射至两个待润滑的轴承02上，达到润滑油定量补充，实现润滑。喷油模式可通过脉冲激励信号切换单次喷射和连续喷射模式，单次喷射的喷油量约为储油筒09所存油量的0.125～0.25倍。

储油系统包括储油筒09、移动活塞19和密封盖。

储油筒09设置在安装轴02第一端的内部，且其外径与安装轴02内径相配合；储油筒09上还开设与安装轴02连通的输油通道29，且该输油通道29与内部油道17连通。

储油筒09外壁上设置密封圈14进行相应的密封，保证储油筒09的密闭性；密封圈14为O型密封圈；密封圈14材料为LFS氟硅橡胶。

储油筒09内壁上还设置有密封膜18；密封膜18的外壁紧贴储油筒09内壁，两端分别与储油筒09的端面和移动活塞19的端面粘接用以密封储油筒09；移动活塞19在移动的过程中密封膜18可自由伸缩舒张，防止润滑油从移动活塞19与安装轴02中空内壁间的间隙渗漏。

如图4所示，移动活塞19设置在安装轴02内部靠近安装轴02第一端口的一端，与储油筒09连接，可在储油筒09内部自由滑动；移动活塞19外壁上设置的滚道内还设置有球形滚子19-1，使得移动活塞19在安装轴02的中空内壁间以滚动摩擦的方式运行以减小移动活塞19与安装轴02之间的摩擦力。

密封盖设置在移动活塞19外侧，位于安装轴02的第一端口处，与安装轴02密封连接，抵住移动活塞19达到极限位置，且密封储油筒09；密封盖上还设置有平面槽用于抽取气体以达到真空状态。如图5所示，密封盖包括外挡盖20和螺塞22；外挡盖20设置在移动活塞19外侧，位于安装轴02的第一端口处，通过螺纹与安装轴02连接，并采用密封垫圈21进行结构密封；如图6所示，螺塞22设置在外挡盖20外侧，其螺杆上设置有两个平面槽，在放松螺塞22时通过两个平面槽可抽取储油筒09内部的气体以达到真空状态。

注油系统包括注油活塞04、密封凸台05、第一弹簧06和第二弹簧16。

注油活塞04设置在安装轴02内部，且外径与安装轴02内径相配合，其第一端位于安装轴02第二端口处，第二端设置有外螺纹与所述储油筒09的内螺纹连接；注油活塞04与储油筒09的接合处还设置有环形的密封垫圈07保证储油筒09的密闭性；注油活塞04沿轴线还设置有中空的注油通道；注油活塞04上还设置有紧固螺母03，用以非注油状态时注油系统的夹紧。

密封凸台05设置在注油活塞04右端面与储油筒09内部形成的空间内部，且其第一端与注油活塞04连接，第二端与储油筒09连接。

第一弹簧06设置在密封凸台05和储油筒09之间，第一端与密封凸台05连接，第二端与储油筒09连接；非注油状态下，第一弹簧06处于压缩状态，将密封凸台05压紧在注油活塞04端面上，用以密封储油筒09；注油状态下，润滑油通过注油活塞04的注油通道进入，通过润滑油注入时的压力将密封凸台05顶起，从而与储油筒09连通，润滑油进入储油筒09。

第二弹簧16设置在储油筒09内部，第一端固定在与储油筒09连接的固定杆23上，第二端与移动活塞19连接，连接处采用螺钉加密封垫圈进行密封；注油过程中，润滑油进入储油筒09内部，移动活塞19靠近密封盖方向移动到极限位置，第二弹簧16为恒力(拉力)弹簧，保证储油筒09内部压力恒定，储油筒09在停止注油后，拉动移动活塞19回位，储油筒09处于密封状态。

喷油过程中，该装置外部抽真空，内部通过第二弹簧16保持对移动活塞19恒定拉力，随着油量的减少，第二弹簧16拉动移动活塞19逐渐向左移动，保证储油筒09内压力恒定。第二弹簧16拉力大小的确定是通过恒定压力以及摩擦力的大小计算确定的，恒定拉力大小通过有限元法计算出液滴形成而未喷射出时的压力大小。

如图7为喷油过程中润滑油在储油筒09内部的运动路线示意图，由于压电陶瓷10的径向压电形变，储油筒09内部产生压力波，第二弹簧16为保证储油筒09内压力恒定，拉动移动活塞19向储油筒09内部移动，挤压储油筒09内部的润滑油通过输油通道29到达内部油道17，通过喷油孔26分别喷射至两个待润滑的轴承02上，达到润滑油定量补充，实现润滑。

本发明的工作原理：

驱动控制器根据温度/力矩传感器反馈的安装轴的内部温度数据、轴承的摩擦力矩数据，驱动安装轴的电机电路反馈的电机工作电流数据以及安装轴的转速数据，调整释放出具有特定频率的脉冲激励信号，通过电极引线驱动压电陶瓷，调控切换单次喷射及连续喷射两种喷油模式，产生径向压电形变，在储油筒内部产生压力波，第二弹簧为保证储油筒内压力恒定，拉动移动活塞向储油筒内部移动，挤压储油筒内部的润滑油通过输油通道到达内部油道，通过喷油孔分别喷射至两个待润滑的轴承上，达到润滑油定量补充，实现润滑。

综上所述，本发明解决了现有卫星内回转部件的轴承在真空失重环境下因采用传统被动式润滑方案而导致的磨损加剧乃至失效问题，提高了空间精密轴承的润滑效率和可靠性，提升了卫星的服役寿命及使用性能。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种高精度长寿命压电微喷主动供油装置，其特征在于，卫星内部回转部件的安装轴两端各安装有一个轴承，该装置包括喷油系统、储油系统和注油系统；喷油系统包括微喷机构和驱动机构；所述微喷机构为套筒状，套设在安装轴外侧和两个轴承之间，且套筒内径与安装轴的外径相配合，且两端分别与两个轴承连接；所述驱动机构用以实时感知轴承的摩擦力矩信号、安装轴的内部温度信号和安装轴的转速信号以及驱动安装轴的电机的工作电流信号，并调控切换喷射模式，分别从所述微喷机构的两端喷射润滑油至轴承外圈内表面、轴承内圈外表面和轴承滚子；

储油系统，设置在安装轴第一端的内部，与所述喷油系统连通，用以储存并密封润滑油；

注油系统，设置在安装轴第二端的内部，与所述储油系统连接，用以补充所述储油系统内部的润滑油；

所述微喷机构分别在与两个轴承接触的两个端面上设置有多个喷油孔，用于向轴承喷射润滑油；

所述微喷机构与安装轴之间形成有内部油道，与所述多个喷油孔连通；

所述储油系统包括储油筒、移动活塞和密封盖；所述储油筒设置在安装轴第一端的内部，且其外径与安装轴内径相配合；所述移动活塞设置在安装轴内部靠近安装轴第一端口的一端，与所述储油筒连接，可在所述储油筒内部自由滑动；所述密封盖设置在所述移动活塞外侧，位于安装轴的第一端口处，与安装轴密封连接，抵住所述移动活塞达到极限位置，且密封所述储油筒；所述密封盖上还设置有平面槽用于所述储油筒内部气体抽取以达到真空状态；

所述储油筒上还开设与安装轴连通的输油通道；所述输油通道与所述内部油道连通；

注油系统包括注油活塞、密封凸台、第一弹簧和第二弹簧；所述注油活塞设置在安装轴内部，且外径与安装轴内径相配合，其第一端位于安装轴第二端口处，第二端与储油筒连接；所述密封凸台设置在所述注油活塞右端面与所述储油筒内部形成的空间内部，且其第一端与所述注油活塞连接，第二端与所述储油筒连接；所述第一弹簧设置在所述密封凸台和所述储油筒之间，第一端与所述密封凸台连接，第二端与所述储油筒连接，处于压缩状态，将所述密封凸台压紧在所述注油活塞端面上，用以密封所述储油筒；所述第二弹簧设置在所述储油筒内部，第一端固定在所述储油筒内部，第二端与所述移动活塞连接，保证所述储油筒内部压力恒定；

所述注油活塞沿轴线还设置有中空的注油通道。

2.如权利要求1所述的高精度长寿命压电微喷主动供油装置，其特征在于，所述微喷机构由多个关节单元拼接成环状；每个关节单元由第一零件和第二零件粘接构成。

3.如权利要求1所述的高精度长寿命压电微喷主动供油装置，其特征在于，所述驱动机构包括驱动控制器、压电陶瓷、温度传感器、力矩传感器和电极引线；所述驱动控制器设置在安装轴外，所述驱动控制器根据所述温度传感器和所述力矩传感器实时反馈的轴承的摩擦力矩信号、安装轴内部温度信号、驱动安装轴的电机的工作电流信号和安装轴的转速数据，共同判断两个轴承是否需要润滑，调整并释放出脉冲激励信号，通过所述电极引线传输至所述压电陶瓷；所述压电陶瓷设置在所述微喷机构的外壁上，接收所述驱动控制器发出的脉冲激励信号，调控切换单次喷射或连续喷射两种喷射模式，并产生径向压电形变，进行润滑油定量补充；所述温度传感器设置在安装轴内部，所述力矩传感器设置在安装轴外部，与所述驱动控制器连接，用于实时反馈安装轴内部温度和轴承的摩擦力矩；所述驱动安装轴的电机的工作电流信号和安装轴的转速数据直接由电机电路在安装轴外部接入所述驱动控制器，实时向驱动控制器反馈安装轴的转速信号和驱动安装轴的电机的工作电流信号；所述电极引线的第一端与所述压电陶瓷连接，第二端穿设所述微喷机构和安装轴与所述驱动控制器连接。

4.如权利要求1所述的高精度长寿命压电微喷主动供油装置，其特征在于，所述密封盖包括外挡盖和螺塞；所述外挡盖设置在所述移动活塞外侧，位于安装轴的第一端口处，与安装轴连接，抵住所述移动活塞位置，并密封所述储油筒；所述螺塞设置在所述外挡盖外侧，且设置有平面槽用于储油筒内部气体抽真空。

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