CN113669362B - 一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承 - Google Patents

一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承，所述轴承包括本体、柔性铰链轴瓦、柔性铰链推杆、推力半球、压电陶瓷驱动器、螺栓和盖板；所述柔性铰链轴瓦包含轴瓦和柔性铰链机构A；所述柔性铰链推杆包含推杆机构和柔性铰链机构B；沿本体内圆柱面圆周方向开有至少三个轴瓦腔，每个轴瓦腔内进一步开有铰链腔A和铰链腔B；轴瓦腔内放置轴瓦，铰链腔A内放置柔性铰链机构A，铰链腔B内放置柔性铰链机构B；本体内进一步开有与每个铰链腔A和铰链腔B相通的圆柱腔，放置压电陶瓷驱动器；通过控制压电陶瓷驱动器带动所述柔性铰链机构A和柔性铰链机构B沿径向运动，进而控制轴瓦的径向位移和摆角，可以实现对油膜间隙的主动控制。

Description

一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承
技术领域
本发明涉及流体动压轴承技术领域，特别是一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承。
背景技术
可倾瓦轴承的轴瓦一般是由3-5块瓦块组成，瓦块呈弧形，能够随着转速、载荷以及轴承油温的变化而发生自由摆动，从而使瓦片自动调整到形成油楔的最佳位置。每个瓦块作用到轴颈上的油膜压力总是通向轴颈中心，消除了导致轴颈涡动的力源，以此来保证轴承获得较好的稳定性。除此之外，可倾瓦轴承还具有较大的承载能力、摩擦功耗少以及允许承受各个方向的径向载荷等方面的优点。可用于多种不同需求的工况，应用前景广阔。
在传统可倾瓦轴承中，轴瓦与轴颈之间建立起油膜间隙之后，轴瓦根据实时的工作情况，自主转动一定的角度，使得轴瓦转角与轴颈之间通过油膜压力达到动态平衡。然而，油膜厚度根据负载变化而被动变化，处于被动工作状态，这样无法保证可倾瓦轴承保持在最佳工作状态。本发明通过压电陶瓷驱动器主动控制轴瓦的径向位移和摆角，即主动控制油膜间隙，实现了对轴瓦与轴颈之间油膜动压力的主动控制，从而保证可倾瓦轴承保持在最佳工作状态，可以应用于提高轴颈回转精度、抑制轴颈振动、主动控制轴心轨迹等场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于提高轴颈回转精度、抑制轴颈振动和主动控制轴心轨迹等场合的主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承，包括轴承，还包括与轴承配合的轴颈，所述轴承包括本体、柔性铰链轴瓦、柔性铰链推杆、推力半球、压电陶瓷驱动器、螺栓和盖板。其中，所述柔性铰链轴瓦包含轴瓦和柔性铰链机构A；所述柔性铰链推杆包含推杆机构和柔性铰链机构B；所述本体呈圆柱形，沿所述本体内圆柱面圆周方向开有至少三个轴瓦腔，每个轴瓦腔内进一步开有铰链腔A和铰链腔B，铰链腔A和铰链腔B分别与轴瓦腔通过通槽A和通槽B相连通；所述轴瓦腔内放置所述轴瓦，所述铰链腔A内放置所述柔性铰链机构A，所述铰链腔B内放置所述柔性铰链机构B，所述推杆机构顶住所述轴瓦的轴瓦背面；所述本体内进一步开有与每个所述铰链腔A和铰链腔B相通、均匀布置的圆柱腔，圆柱腔内设置所述压电陶瓷驱动器；所述压电陶瓷驱动器与所述柔性铰链机构A、柔性铰链机构B之间通过设置推力半球相连接；所述轴瓦与轴颈之间设有油膜间隙；通过控制所述压电陶瓷驱动器的伸长或缩短带动所述柔性铰链机构A和柔性铰链机构B沿径向运动，进而控制所述轴瓦的径向位移和摆角，可以实现对所述油膜间隙的主动控制。
进一步的，所述柔性铰链机构A包含移动平台A、柔性铰链A、柔性铰链B、柔性铰链C和两个固定端A；其中，两个固定端A用于将柔性铰链机构A固定于所述铰链腔A内，移动平台A与两个固定端A之间通过柔性铰链A和柔性铰链B相连接，柔性铰链的变形刚度极低，移动平台A在所述推力半球的推动下可产生绕柔性铰链A和柔性铰链B的径向移动；柔性铰链C用于连接移动平台A与轴瓦；所述轴瓦可绕柔性铰链C转动；通过所述压电陶瓷驱动器的伸长或缩短带动所述柔性铰链机构A的移动平台A沿径向运动，实现控制所述轴瓦径向位移的作用。
进一步的，所述柔性铰链机构B包含移动平台B、柔性铰链D、柔性铰链E和两个固定端B；其中，两个固定端B用于将柔性铰链机构B固定于所述铰链腔B内，移动平台B与两个固定端B之间通过柔性铰链D和柔性铰链E相连接，柔性铰链的变形刚度极低，移动平台B在所述推力半球的推动下可产生绕柔性铰链D和柔性铰链E的径向移动。
进一步的，所述推杆机构包含推杆和圆弧面，推杆与所述移动平台B相连接，圆弧面置于推杆顶端；装配后，圆弧面顶住所述轴瓦背面；通过所述压电陶瓷驱动器的伸长或缩短带动柔性铰链机构B的移动平台B沿径向运动，进而带动推杆沿径向运动，实现控制所述轴瓦绕所述柔性铰链C的摆动角度的作用。
更进一步的，所述本体的外圆柱面上与所述圆柱腔相对应的位置上开有径向螺纹孔A，螺纹孔A内设有所述螺栓，通过拆卸所述螺栓可以更换所述压电陶瓷驱动器。
更进一步的，所述本体内在相邻两个所述轴瓦腔之间沿径向设置多个进油通道；所述本体外圆柱面上在与进油通道相对应位置设置多个进油口。
更进一步的，所述本体端面上设置多个螺纹孔B，所述盖板上设有多个螺纹孔C，两个所述盖板通过螺纹孔B和螺纹孔C分别安装在所述本体的两个端面上。
传统可倾瓦轴承中，在轴瓦与轴颈之间建立起油膜间隙之后，轴瓦根据实时的工作情况，自主转动一定的角度，使得轴瓦转角与轴颈之间通过油膜压力达到动态平衡。然而，油膜厚度根据负载的变动而被动变化，处于被动工作状态，这样无法保证可倾瓦轴承保持在最佳工作状态。利用本发明的技术方案制作的一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承，其有益效果是：通过压电陶瓷驱动器的伸长和缩短，作用于推力半球，推动柔性铰链机构产生径向移动，进一步带动轴瓦产生径向运动及摆动，实现对轴瓦径向位移和摆角的主动控制，即实现了对油膜间隙的主动控制，可以控制轴颈转动过程中油膜动压力的大小。在油膜间隙减小的位置，油膜动压力增大，对轴颈的局部支撑力增大；在油膜间隙增大的位置，油膜动压力减小，对轴颈的局部支撑力减小。多个柔性铰链轴瓦的协同配合，可以实现对轴颈所受压力、刚度、阻尼的控制，应用于保持可倾瓦轴承的最佳工作状态、提高轴颈回转精度、抑制轴颈振动和主动控制轴心轨迹等场合。此外，通过设置柔性铰链，利用柔性铰链无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，可以进一步提高主动控制油膜间隙的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承的结构示意图；
图2为本发明的主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承的横向剖视图；
图3为本发明的本体的轴向视图；
图4为本发明的本体的横向剖视图；
图5为本发明的柔性铰链轴瓦的结构示意图；
图6为本发明的柔性铰链推杆的结构示意图；
图7为本发明的端盖的结构示意图。
以上各图中，
1、轴承；
11、本体；111、轴瓦腔；112、铰链腔A；113、铰链腔B；114、圆柱腔；115、螺纹孔A；116、通槽A；117、通槽B；进油通道118；119、进油口；1110、螺纹孔B；
12、柔性铰链轴瓦；121、轴瓦；122、柔性铰链机构A；123、移动平台A；124、固定端A；125、柔性铰链A；126、柔性铰链B；127、柔性铰链C；轴瓦背面128；
13、柔性铰链推杆；131、推杆机构；132、柔性铰链机构B；133、移动平台B；134、固定端B；135、柔性铰链D；136、柔性铰链E；137、推杆；138、圆弧面；
14、推力半球；15、压电陶瓷驱动器；16、螺栓；
17、盖板；171、螺纹孔C；18、油膜间隙；
2、轴颈。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承，如图1至图7所示，包括轴承1，还包括与轴承1配合的轴颈2，轴承1包括本体11、柔性铰链轴瓦12、柔性铰链推杆13、推力半球14、压电陶瓷驱动器15、螺栓16和盖板17。其中，柔性铰链轴瓦12包含轴瓦121和柔性铰链机构A122；柔性铰链推杆13包含推杆机构131和柔性铰链机构B132；本体11呈圆柱形，沿本体11内圆柱面圆周方向开有3个轴瓦腔111，每个轴瓦腔111内进一步开有铰链腔A112和铰链腔B113，铰链腔A112和铰链腔B113分别与轴瓦腔111通过通槽A116和通槽B117相连通；轴瓦腔111内放置柔性铰链轴瓦12的轴瓦121，铰链腔A112内放置柔性铰链轴瓦12的柔性铰链机构A122，铰链腔B113内放置柔性铰链推杆13的柔性铰链机构B132，柔性铰链推杆13的推杆机构131顶住轴瓦121的轴瓦背面128；本体11内进一步开有与每个铰链腔A112和铰链腔B113相通、均匀布置的圆柱腔114，圆柱腔114内设置压电陶瓷驱动器15；压电陶瓷驱动器15与柔性铰链机构A122、柔性铰链机构B132之间通过设置推力半球14相连接；轴瓦121与轴颈2之间设有油膜间隙18；通过控制压电陶瓷驱动器15的伸长或缩短带动柔性铰链机构A122和柔性铰链机构B132沿径向运动，进而控制轴瓦121的径向位移和摆角，可以实现对油膜间隙18的主动控制。
柔性铰链机构A122包含移动平台A123、柔性铰链A125、柔性铰链B126、柔性铰链C127和两个固定端A124；其中，两个固定端A124用于将柔性铰链机构A122固定于铰链腔A112内，移动平台A123与两个固定端A124之间通过柔性铰链A125和柔性铰链B126相连接，柔性铰链的变形刚度极低，移动平台A123在推力半球14的推动下可产生绕柔性铰链A125和柔性铰链B126的径向移动；柔性铰链C127用于连接移动平台A123与轴瓦121；轴瓦121可绕柔性铰链C127转动；通过压电陶瓷驱动器15的伸长或缩短带动柔性铰链机构A122的移动平台A123沿径向运动，实现控制轴瓦121径向位移的作用。
柔性铰链机构B132包含移动平台B133、柔性铰链D135、柔性铰链E136和两个固定端B134；其中，两个固定端B134用于将柔性铰链机构B132固定于铰链腔B113内，移动平台B133与两个固定端B134之间通过柔性铰链D125和柔性铰链E126相连接，柔性铰链的变形刚度极低，移动平台B133在推力半球14的推动下可产生绕柔性铰链D125和柔性铰链E126的径向移动。
推杆机构131包含推杆137和圆弧面138，推杆137与移动平台B133相连接，圆弧面138置于推杆137顶端；装配后，圆弧面138顶住轴瓦背面128；通过压电陶瓷驱动器15的伸长或缩短带动柔性铰链机构B132的移动平台B133沿径向运动，进而带动推杆137沿径向运动，实现控制轴瓦121绕柔性铰链C127的摆动角度的作用。
本体11的外圆柱面上与圆柱腔114相对应的位置上开有径向螺纹孔A115，螺纹孔A115内设有螺栓16，通过拆卸螺栓16可以更换压电陶瓷驱动器15。
本体11内在相邻两个轴瓦腔111之间沿径向设置多个进油通道118；本体11外圆柱面上在与进油通道118相对应位置设置多个进油口119。
本体11端面上设置多个螺纹孔B1110，盖板17上设有多个螺纹孔C171，两个盖板17通过螺纹孔B1110和螺纹孔C171分别安装在本体11的两个端面上。
在本发明的主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承中，油液通过多个进油口119和进油通道118进入到轴承本体11与轴颈2之间，在轴颈2转动速度的带动下到达轴瓦121与轴颈2之间，形成油膜，有效的减小轴瓦121与轴颈2之间由于金属接触产生的摩擦。当轴颈2的负载动态变化时，轴瓦121上的油膜动压力分布产生变化，动压力对轴瓦121产生的合力发生变化，为了保证可倾瓦轴承处于最佳工作状态，通过控制压电陶瓷驱动器15的伸长和缩短，作用于推力半球14，推动柔性铰链机构A122和柔性铰链机构B132产生径向移动，进一步带动轴瓦121产生径向运动及摆动，控制轴瓦121的径向位移和摆角，可以实现对油膜间隙18的主动控制。由此，可以根据负载动态变化，主动控制油膜间隙18的平均间隙和楔形角度，进而主动控制轴瓦121与轴颈2之间动压力的大小，达到提高轴颈回转精度、抑制轴颈振动、主动控制轴心轨迹等目的。
以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承，包括轴承(1)，其特征在于，还包括与轴承(1)配合的轴颈(2)，所述轴承(1)包括本体(11)、柔性铰链轴瓦(12)、柔性铰链推杆(13)、推力半球(14)、压电陶瓷驱动器(15)、螺栓(16)和盖板(17)；
所述柔性铰链轴瓦(12)包含轴瓦(121)和柔性铰链机构A(122)；所述柔性铰链推杆(13)包含推杆机构(131)和柔性铰链机构B(132)；
所述本体(11)呈圆柱形，沿所述本体(11)内圆柱面圆周方向开有至少三个轴瓦腔(111)，每个轴瓦腔(111)内进一步开有铰链腔A(112)和铰链腔B(113)，铰链腔A(112)和铰链腔B(113)分别与轴瓦腔(111)通过通槽A(116)和通槽B(117)相连通；
所述轴瓦腔(111)内放置所述轴瓦(121)，所述铰链腔A(112)内放置所述柔性铰链机构A(122)，所述铰链腔B(113)内放置所述柔性铰链机构B(132)，所述推杆机构(131)顶住所述轴瓦(121)的轴瓦背面(128)；
所述本体(11)内进一步开有与每个铰链腔A(112)和铰链腔B(113)相通、均匀布置的圆柱腔(114)，圆柱腔(114)内设置所述压电陶瓷驱动器(15)；所述压电陶瓷驱动器(15)与所述柔性铰链机构A(122)、柔性铰链机构B(132)之间通过设置所述推力半球(14)相连接；
所述轴瓦(121)与轴颈(2)之间设有油膜间隙(18)；通过控制所述压电陶瓷驱动器(15)的伸长或缩短带动所述柔性铰链机构A(122)和柔性铰链机构B(132)沿径向运动，进而控制所述轴瓦(121)的径向位移和摆角，可以实现对所述油膜间隙(18)的主动控制；
所述柔性铰链机构A(122)包含移动平台A(123)、柔性铰链A(125)、柔性铰链B(126)、柔性铰链C(127)和两个固定端A(124)；其中，两个固定端A(124)用于将所述柔性铰链机构A(122)固定于所述铰链腔A(112)内，移动平台A(123)与两个固定端A(124)之间通过柔性铰链A(125)和柔性铰链B(126)相连接，柔性铰链的变形刚度极低，移动平台A(123)在所述推力半球(14)的推动下可产生绕柔性铰链A(125)和柔性铰链B(126)的径向移动；柔性铰链C(127)用于连接移动平台A(123)与所述轴瓦(121)；所述轴瓦(121)可绕柔性铰链C(127)转动；通过所述压电陶瓷驱动器(15)的伸长或缩短带动所述柔性铰链机构A(122)的移动平台A(123)沿径向运动，实现控制所述轴瓦(121)径向位移的作用；
所述柔性铰链机构B(132)包含移动平台B(133)、柔性铰链D(135)、柔性铰链E(136)和两个固定端B(134)；其中，两个固定端B(134)用于将所述柔性铰链机构B(132)固定于所述铰链腔B(113)内，移动平台B(133)与两个固定端B(134)之间通过柔性铰链D(135)和柔性铰链E(136)相连接，移动平台B(133)在所述推力半球(14)的推动下可产生绕柔性铰链D(135)和柔性铰链E(136)的径向移动。
2.根据权利要求1所述的一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承，其特征在于，所述推杆机构(131)包含推杆(137)和圆弧面(138)，推杆(137)与所述移动平台B(133)相连接，圆弧面(138)置于推杆(137)顶端；装配后，圆弧面(138)顶住所述轴瓦背面(128)；通过所述压电陶瓷驱动器(15)的伸长或缩短带动所述柔性铰链机构B(132)的移动平台B(133)沿径向运动，进而带动推杆(137)沿径向运动，实现控制所述轴瓦(121)绕所述柔性铰链C(127)的摆动角度的作用。
3.根据权利要求1所述的一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承，其特征在于，所述本体(11)的外圆柱面上与所述圆柱腔(114)相对应的位置上开有径向螺纹孔A(115)，螺纹孔A(115)内设有所述螺栓(16)，通过拆卸螺栓(16)可以更换所述压电陶瓷驱动器(15)。
4.根据权利要求1所述的一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承，其特征在于，所述本体(11)内在相邻两个所述轴瓦腔(111)之间沿径向设置多个进油通道(118)；所述本体(11)外圆柱面上在与进油通道(118)相对应位置设置多个进油口(119)。
5.根据权利要求1所述的一种主动控制油膜间隙的可倾瓦轴承，其特征在于，所述本体(11)端面上设置多个螺纹孔B(1110)，所述盖板(17)上设有多个螺纹孔C(171)，两个所述盖板(17)通过螺纹孔B(1110)和螺纹孔C(171)分别安装在所述本体(11)的两个端面上。
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