CN112228449A - 可变刚度智能水润滑轴承及其动力传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度智能水润滑轴承，包括管状的外壳和固定在外壳内壁的管状的内衬，内衬由高分子橡胶合金弹性体硫化而成，在内衬内埋设有至少一个磁流变弹性体。在减振降噪以及抗冲击性得到延续的同时，可通过调节外加电场控制磁流变弹性体刚度以达到橡胶界面变形可控的目的，从而提供了一种刚柔复合的、高承载的可变刚度智能水润滑轴承，可有效克服水润滑轴承高比压与低噪声之间的矛盾；并提供了一种通用的可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统，可以利用无源传感器收集动态服役工况下的性能数据，与外部无级调压循环水系统实时交互，以达到减小界面瞬态温升、磨损和提高运行可靠性的目的。

Description

可变刚度智能水润滑轴承及其动力传动系统

技术领域

本发明属于水润滑轴承技术领域,具体地讲,特别涉及一种可变刚度智能水润滑轴承及其动力传动系统。

背景技术

目前，船舶尾轴推进系统处于复杂的动态服役环境，容易遭受非线性外部冲击以及随机载荷激扰。艉轴承如果由金属材料制成并以矿物质油作为润滑介质，一方面会由于自身的大刚性结构引起摩擦噪声、冲蚀磨损、不均匀瞬态温升以及转子偏心振动，进而严重影响其运行可靠性和服役寿命；另一方面还面临着密封泄露、环境污染、浪费贵重金属材料以及大量矿物质油等战略资源的关键科技难题。因此，现有的艉轴承主要采用水润滑轴承。

专利文献CN100389271C，公开了一种水润滑机械传动系统，提供了一种采用新型工程复合材料做内衬、将动密封和水润滑轴承相组合为一体的水润滑动密封轴承，并公开了一种具有高弹性联轴器和能适应轴向窜动和周向跳动的密封装置的艉轴承传动系统。其中采用的水润滑轴承包括黄铜外壳和工程复合材料内衬，内衬固定在外壳内，衬层刚度不可调整，无法适应我国舰船推进技术革新中所面临的越来越苛刻的性能要求，例如：深海服役环境、外部非线性冲击以及装配间隙自适应协调等。尤其是当水润滑动力传动系统服役于非线性外部冲击以及深海环境时，橡胶衬层的异常形变或深海压缩造成了转子跳动量的增加，从而增加了摩擦自激放大振动以及中高频噪声辐射的风险，不利于提高水下航行器(如深海潜艇、深海探测机器人等)在深海环境和非线性工况下服役的稳定性、可靠性与隐蔽性。

专利文献CN107448472A，公开了一种刚度可调型水润滑艉轴承，设置具有密闭空腔的柔性结构的刚度可调型轴瓦，通过轴系振动监测控制装置对轴系振动数据进行分析，并根据分析结果对舷外支撑的刚度可调型轴瓦内可调气囊进行充放气，改变气囊内气体压力实现水润滑轴承刚度的调节，最终减少轴系振动。但是气囊的刚度可变范围太小，导致了承载能力调节范围有限。专利文献CN110617273A，公开了一种橡胶内衬直接采用磁流变超材料制成的变刚度艉轴承。虽然可以在磁场作用下改变力学性能，但一方面其水润滑摩擦性能却不如大多数水润滑橡胶合金，另一方面该轴承为黑/灰箱系统，无法通过界面实时摩擦学性能数据做出最优变刚度调控指令。事实上，实现缓冲吸振以及低噪声需要水润滑轴衬的自适应柔性和可协调变形功能，而实现小变形与高承载则需要水润滑轴衬的高刚度，高比压与低噪声的矛盾，是当前水润滑动力传动系统与舰船推进系统所面临的核心难点。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高承载的可变刚度智能水润滑轴承。

本发明实现上述目的的技术方案如下：一种可变刚度智能水润滑轴承，包括管状的外壳和固定在外壳内壁的管状的内衬，所述内衬由高分子橡胶合金弹性体硫化而成，在内衬内埋设有至少一个磁流变弹性体。

采用上述结构，在高分子橡胶合金弹性体的内衬内埋设磁流变弹性体，通过磁场变化调节磁流变弹性体的刚度，实现内衬对应部位刚度的调节。由于内衬表面仍然为高分子橡胶合金弹性体，其减振降噪以及抗冲击性能依然得到延续；由于磁流变弹性体为实体，可通过调节外加电场控制刚度以达到橡胶界面变形可控的目的，同时保证了承载能力远高于现有技术采用的气囊等技术，使内衬对轴的支撑更加稳定，从而提供了一种刚柔复合的、高承载的可变刚度水润滑轴承；一方面可有效减小深海服役环境或非线性工况环境下橡胶衬层不规则形变导致的轴系失稳跳动和中高频噪声辐射，另一方面可有效克服水润滑轴承高比压与低噪声之间的矛盾。

所述磁流变弹性体周向间隔均布有多个，并且每一磁流变弹性体均呈沿轴向布置的长条形。这样分散布置，一方面节约磁流变弹性材料，另一方面当内衬局部磨损时，便于单独控制对应的磁流变弹性体调整刚度。

作为优选，所述内衬厚度为D，每一所述磁流变弹性体与内衬内壁之间的最短距离d≥1/3D。

所述磁流变弹性体的断面呈与内衬弧度相适应的弧形，并且所述磁流变弹性体弧形断面的其中一端逐渐加厚形成加厚端，每一所述磁流变弹性体的所述加厚端均位于周向的同一方向。这样一来，磁流变弹性体弧形一端至另一端的厚度逐渐变化，使内衬对应磁流变弹性体部位的刚度沿周向具有连续的变化，有利于在该部位形成楔形水膜，以增强界面的水膜动压效应。例如，假设磁流变弹性体的刚度比内衬的刚度更高，当水润滑轴承所承载的轴向加厚端方向旋转时，在加厚端反向端所对应的内衬部位与轴之间可以形成楔形水膜。

所述磁流变弹性体的断面呈与内衬弧度相适应的弧形，并且磁流变弹性体弧形断面的中部向内衬内壁方向凸起形成圆弧形的凸起部，所述凸起部的根部与磁流变弹性体的对应弧形壁圆弧过渡。这样一来，无论轴是正转还是反转，都可以在凸起部至对应端之间形成楔形水膜，以增强界面的水膜动压效应。

在所述内衬的内壁设有多个周向均布的沟槽，所述沟槽与磁流变弹性体间隔布置。沟槽的设置可以嵌藏磨粒并增强散热。

在所述内衬的内壁设有仿生织构。目前，水润滑轴承内衬表面织构通常设置为各类几何形凹坑，如椭圆、人字形、三角等。本发明采用仿生织构，充分发掘水生生物表皮结构低流动阻力、低摩擦磨损特性等优势，一方面可以实现水润滑轴承在中/高速运转下的低流动阻力和低摩擦系数功能，另一方面可提高水润滑轴承在低速下边界润滑下的水膜黏附能力，从而优化减摩抗磨性能、实现超润滑、提高轴承服役寿命。

在所述内衬内埋设有无源传感器。通过选用特定功能的无源传感器可以直接实时监测水润滑轴承内衬的温度、应力、形变、噪声等数据，数据传输到控制系统，有利于分析水润滑轴承的运行状态，继而有利于根据运行状态调整磁流变弹性体的刚度，以优化轴承运行。例：在深海压力下，为提升转子运行平稳性以及声学性能，需要严格控制内衬形变以减小转子跳动量。为此，无源传感器获得不同海水深度下的橡胶形变量，控制系统则通过形变量信号控制磁流变弹性体的刚度以减小内衬变形，达到优化跳动量的目的。

本发明的目的之二在于提供一种通用的可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统。

本发明实现上述目的的技术方案如下：一种可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统，包括前述技术方案所述的可变刚度智能水润滑轴承及其承载的传动轴，在所述水润滑轴承的至少一端与传动轴之间设有密封结构，所述密封结构包括外壳端头延伸使外壳该端头形成的第一台阶孔，所述第一台阶孔的内径比外壳的内径大，在所述第一台阶孔内固定安装有环状的动密封座，所述动密封座的内径比内衬的外径大，在所述动密封座的外壁嵌装有与第一台阶孔内壁相抵的第一密封圈；在所述动密封座的内壁开有第二台阶孔，在所述第二台阶孔内安装有沿轴向布置的内挡圈和外挡圈，在内挡圈与外挡圈之间垫装有旋转式动密封圈，并且所述外挡圈的外周延展并卡入第二台阶孔内壁上对应开设的环槽内，所述旋转式动密封圈与传动轴密封接触。

这样采用动静密封相结合的密封结构，密封结构与水润滑轴承集为一体，不仅为轴承提供了高可靠的密封，而且使结构更加紧凑、装配更加方便。实际设计中，可以根据实际情况选择是单端设置密封结构还是两端均设置密封结构，可广泛应用于水润滑传动的诸多工程领域如：船舶、潜艇、高速水面舰船、水中兵器、水下机器人、水泵、汽轮机、水轮机、空气压缩机、洗衣机以及中央空调冷却塔等。

还包括无极调压循环水系统，所述无极调压循环水系统包括水箱，连接在水箱上的供水管路和回水管路，所述供水管路和回水管路的另一端与外壳上对应开设的液体孔道连通，所述液体孔道的内端贯通内衬的内壁；在所述供水管路上自水箱端顺次安装有流量计、水流调节开关和第一开关，并且在所述流量计与水箱之间的供水管路上还设有并联的第二开关和泵，在所述泵所处的并联管路上支连有电液比例溢流阀和集水箱。

这样一来，水箱内的水通过泵吸入供水管路，泵的进口压力由电液比例溢流阀控制，由于电液比例溢流阀调整压力随电流连续变化，从而实现了无级调压，有利于水润滑轴承的工况优化。一个应用例子为：结合埋设无源传感器，当内衬内埋设的无源传感器传回一个比正常值大的温升数据时，控制系统通过增大通过电液比例溢流阀电磁铁的电流来控制润滑系统的进口压力，进口压力的增加降低了水润滑轴承的接触载荷比，进而减小了水润滑轴承的摩擦热，最终达到减小界面磨损的目的。由此可见，结合埋设无源传感器，本发明的可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统在运转过程中，可以通过无源传感器收集水润滑轴承动态服役工况下的性能数据，不仅可以监测水润滑轴承的动态服役性能，还可以根据监测数据结合动态混合热弹流理论分析结果给出最优控制策略，并与外部无级调压循环水系统实时交互，实现闭环控制以减小界面瞬态温升和磨损，提高运行可靠性。

有益效果：本发明通过在高分子橡胶合金弹性体的内衬内埋设磁流变弹性体，从而提供了一种刚柔复合的、高承载的可变刚度智能水润滑轴承，有效地克服了水润滑轴承高比压与低噪声之间的矛盾，并提供了一种采用这种可变刚度智能水润滑轴承的通用性强的动力传动系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为实施例一的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图2中磁流变弹性体的断面结构示意图之一。

图4为图2中磁流变弹性体的断面结构示意图之一。

图5为图4中线圈的俯视图。

图6为实施例二的结构示意图。

图7为实施例三的结构示意图。

图8为实施例三中无极调压循环水系统的结构示意图。

图9为实施例四的结构示意图。

附图标记：外壳1、内衬2、磁流变弹性体3、线圈4、无源传感器5、动密封座6、内挡圈7、旋转式动密封圈8、外挡圈9、第一密封圈10、第二密封圈11、法兰盘12、液体孔道13、传动轴14、安装套管15、水箱16、流量计17、水流调节开关18、第一开关19、第二开关20、泵21、电液比例溢流阀22、集水箱23、加水管路24、回水管路25。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例一：

如图1和图2所示，本实施例提供一种可变刚度智能水润滑轴承，包括管状的外壳1和固定在外壳1内壁的管状内衬2，所述内衬2由高分子橡胶合金弹性体硫化而成,所述高分子橡胶合金弹性体的制备工艺，可以参照专利文献CN101334069B中水润滑橡胶合金衬套的制备工艺，在此不做赘述。在内衬2内埋设有至少一个磁流变弹性体3。本实施例优选，所述磁流变弹性体3周向间隔均布有多个，并且每一磁流变弹性体3均呈沿轴向布置的长条形，所述磁流变弹性体3的断面设置呈与内衬2弧度相适应的弧形。

如图3所示，为了有利于增强水膜动压效应，提高润滑性能，当水润滑轴承所承载的轴仅沿单一方向转动时，设置所述磁流变弹性体3弧形断面的其中一端逐渐加厚形成加厚端，每一所述磁流变弹性体3的所述加厚端均位于周向的同一方向。这样一来，内衬2对应磁流变弹性体3部位的刚度沿磁流变弹性体3的弧形具有连续的变化，有利于在该部位的内衬2与轴之间形成楔形水膜。当水润滑轴承所承载的轴既需要正转，也需要反向转动时，如图4所示，设置所述磁流变弹性体3弧形断面的中部向内衬2内壁方向凸起形成圆弧形的凸起部，所述凸起部的根部与磁流变弹性体3的对应弧形壁圆弧过渡。

如图3和图4所示，所述内衬2厚度为D，每一所述磁流变弹性体3与内衬2内壁之间的最短距离d≥1/3D。在所述内衬2的内壁设有多个周向均布的沟槽，所述沟槽与磁流变弹性体3间隔布置。所述沟槽的断面呈圆弧形，沟槽顶部圆弧过渡到内衬2的内壁，一方面可防止沟槽边界处的应力集中，另一方面可减小轴颈运转过程中的刮擦磨损。在所述内衬2的内壁还设有仿生织构，所述仿生织构仿高速游行水生物表皮设计，所述高速游行水生物包括但不限于鲨鱼、水蛇。

如图1至图5所示，为了便于形成磁场来调节磁流变弹性体3的刚度，在每一所述磁流变弹性体3外均套设有线圈4，所述线圈4也同磁流变弹性体3一起埋设在内衬2内，当通过线圈4的电流发生变化时产生不同的磁场，使磁流变弹性体3的刚度发生变化。

如图2、图3和图4所示，在所述内衬2内还埋设有无源传感器5，所述无源传感器5可以监测温度、应力、形变、噪声等数据。无源传感器5优选与磁流变弹性体3一一对应布置，并且每一无源传感器5均埋设在对应磁流变弹性体3内圆弧面与内衬2内侧面之间。

实施例二：

如图6所示，本实施例提供一种可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统，包括实施例一所述的可变刚度智能水润滑轴承及其承载的传动轴14，在所述可变刚度智能水润滑轴承的至少一端设有密封结构。所述密封结构是仅仅设置在可变刚度智能水润滑轴承的一端，还是两端均设置有，由本领域技术人员根据可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统的实际应用设置，不做限定。所述密封结构包括外壳1端头延伸使外壳1该端头形成的第一台阶孔，所述第一台阶孔的内径比外壳1的内径大。在所述第一台阶孔内通过径向的螺钉固定安装有环状的动密封座6，所述动密封座6的内径比内衬2的外径大，在所述动密封座6的外壁嵌装有与第一台阶孔内壁相抵的第一密封圈10，本实施例中所述第一密封圈10沿轴承轴向并排布置有两个。

如图6所示，在所述动密封座6的内壁开有第二台阶孔，在所述第二台阶孔内安装有沿轴向布置的内挡圈7和外挡圈9，在内挡圈7与外挡圈9之间垫装有旋转式动密封圈8，并且所述外挡圈9的外周延展并卡入第二台阶孔内壁上对应开设的环槽内，从而实现对内挡圈7、旋转式动密封圈8和外挡圈9的轴向限位和定位。所述旋转式动密封圈8与传动轴14密封接触。在所述外壳1的该端头外壁还开槽卡装有第二密封圈11，本实施例中所述第二密封圈11沿轴承轴向并排布置有两个。

如6所示，所述外壳1的该端头还周向延展形成有法兰盘12，在所述法兰盘12上开设有多个螺栓孔。在所述外壳1上开有至少一个液体孔道13用于连通循环水系统。所述液体孔道13的内端贯通内衬2的内壁，并且液体孔道13的内端位于内衬2的沟槽内，液体孔道13的内端位于水润滑轴承的底部。并且，所述第二密封圈11位于液体孔道13沿外壳1轴向的外端。如果是两端均设有密封结构的可变刚度智能水润滑轴承，则外壳1上设有一进一出两个液体孔道13。

需要说明的是，可变刚度智能水润滑轴承端头设置的所述密封结构包括：外壳1该端头形成的第一台阶孔、位于该第一台阶孔内的动密封座6、第一密封圈10、内挡圈7、旋转式动密封圈8、外挡圈9以及外壳1该端头外壁开槽卡装的第二密封圈11。

实施例三：

如图7和图8所示，本实施例提供一种基于实施例二的可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统，本实施例中所述传动轴14的前后两端均安装有可变刚度智能水润滑轴承，并且两可变刚度智能水润滑轴承仅仅相互背离的一端设有密封结构，两可变刚度智能水润滑轴承安装在安装套管15内。每一所述可变刚度智能水润滑轴承上仅开设一个液体孔道13。

如图7和图8所示，还包括无极调压循环水系统，所述无极调压循环水系统包括水箱16，连接在水箱16上的供水管路和回水管路25，所述供水管路和回水管路25的另一端与两可变刚度智能水润滑轴承外壳上对应开设的液体孔道13连通。在所述供水管路上自水箱16端顺次安装有流量计17、水流调节开关18和第一开关19，在流量计17与水箱16之间的供水管路上还设有并联的第二开关20和泵21，并且在泵21所处的并联管路上支连有电液比例溢流阀22和集水箱23，在所述水箱16上还连接有加水管路24。这样一来，前后两可变刚度智能水润滑轴承利用安装套管15的密封作用，实现利用一无极调压循环水系统统一进行循环水无极调压。本实施例可直接应用于艉轴传动系统。

实施例四：

如图9所示，本实施例提供一种基于实施例二的可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统，本实施例中所述传动轴14的前后两端均安装有可变刚度智能水润滑轴承，并且两可变刚度智能水润滑轴承的前后两端均设有密封结构，每一所述可变刚度智能水润滑轴承上均开设一进一出两个液体孔道13，在每一所述水润滑轴承系统的两个液体孔道13之间均连接有实施例三所述的无极调压循环水系统，两个所述无极调压循环水系统共用同一水箱16。

Claims (10)

1.一种可变刚度智能水润滑轴承，包括管状的外壳和固定在外壳内壁的管状的内衬，其特征在于：所述内衬由高分子橡胶合金弹性体硫化而成，在内衬内埋设有至少一个磁流变弹性体。

2.根据权利要求1所述的可变刚度智能水润滑轴承，其特征在于：所述磁流变弹性体周向间隔均布有多个，并且每一磁流变弹性体均呈沿轴向布置的长条形。

3.根据权利要求1或2所述的可变刚度智能水润滑轴承，其特征在于：所述内衬厚度为D，每一所述磁流变弹性体与内衬内壁之间的最短距离d≥1/3D。

4.根据权利要求3所述的可变刚度智能水润滑轴承，其特征在于：所述磁流变弹性体的断面呈与内衬弧度相适应的弧形，并且所述磁流变弹性体弧形断面的其中一端逐渐加厚形成加厚端，每一所述磁流变弹性体的所述加厚端均位于周向的同一方向。

5.根据权利要求3所述的可变刚度智能水润滑轴承，其特征在于：所述磁流变弹性体的断面呈与内衬弧度相适应的弧形，并且磁流变弹性体弧形断面的中部向内衬内壁方向凸起形成圆弧形的凸起部，所述凸起部的根部与磁流变弹性体的对应弧形壁圆弧过渡。

6.根据权利要求3所述的可变刚度智能水润滑轴承，其特征在于：在所述内衬的内壁设有多个周向均布的沟槽，所述沟槽与磁流变弹性体间隔布置。

7.根据权利要求3所述的可变刚度智能水润滑轴承，其特征在于：在所述内衬的内壁设有仿生织构。

8.根据权利要求3所述的可变刚度智能水润滑轴承，其特征在于：在所述内衬内埋设有无源传感器。

9.一种可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统，其特征在于：包括权利要求1-8任一所述的可变刚度智能水润滑轴承及其承载的传动轴，在所述可变刚度智能水润滑轴承的至少一端与传动轴之间设有密封结构，所述密封结构包括外壳端头延伸使外壳该端头形成的第一台阶孔，所述第一台阶孔的内径比外壳的内径大，在所述第一台阶孔内固定安装有环状的动密封座，所述动密封座的内径比内衬的外径大，在所述动密封座的外壁嵌装有与第一台阶孔内壁相抵的第一密封圈；在所述动密封座的内壁开有第二台阶孔，在所述第二台阶孔内安装有沿轴向布置的内挡圈和外挡圈，在内挡圈与外挡圈之间垫装有旋转式动密封圈，并且所述外挡圈的外周延展并卡入第二台阶孔内壁上对应开设的环槽内，所述旋转式动密封圈与传动轴密封接触。

10.根据权利要求9所述的可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统，其特征在于：还包括无极调压循环水系统，所述无极调压循环水系统包括水箱，连接在水箱上的供水管路和回水管路，所述供水管路和回水管路的另一端与外壳上对应开设的液体孔道连通，所述液体孔道的内端贯通内衬的内壁；在所述供水管路上自水箱端顺次安装有流量计、水流调节开关和第一开关，并且在所述流量计与水箱之间的供水管路上还设有并联的第二开关和泵，在所述泵所处的并联管路上支连有电液比例溢流阀和集水箱。

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