CN116044903A - 一种集成压电节流器的高频响可控静压轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成压电节流器的高频响可控静压轴承，静压轴承周向均布四个油腔，并相应的嵌入四个压电节流器。油液通过节流器进油口流入，经过该节流器，进入相应的静压轴承的油腔，最后通过轴承中油腔两侧的回油槽流出。通过4个压电节流器，就可以分别控制上下左右4个轴承油腔中的压力/流量变化，从而推动主轴的径向位置发生变化，最终实现轴心轨迹的快速精确控制。本发明将压电节流器和静压轴承集成在一起，省略了中间油路，并增加了弹性储油腔，所构成的新型可控静压轴承具有响应速度快，控制精度高的优点。

Description

一种集成压电节流器的高频响可控静压轴承

技术领域

本发明涉及轴承和节流器技术领域，具体地，涉及到一种集成了压电节流器的可控静压轴承。

背景技术

滑动轴承可用于支承滑动，旋转，摆动或往复运动。与滚动轴承相比，滑动轴承的承载能力和减振能力更好，因而在航空航天设备、精密重载机械等领域有很多应用。

随着对速度和精度的要求越来越高，人们现在对滑动轴承的需求不仅仅是用来承载转子(轴)的运动，还希望能够更好的抑制转子在转动过程中产生的振动，甚至通过控制得到期望的轴心轨迹。许多新结构被提出来，使得某些新型滑动轴承开始具备了调节轴承特性、控制转子径向运动或形成期望轴心轨迹的能力，即所谓可控轴承。然而，大多数可控轴承的性能并不理想，其主要原因是：执行装置动作速度不够快，油路、非线性阻尼等滞后效应显著，控制系统的响应特性不够好，难以及时补偿误差实现快速而精确的控制。

目前，已经有多种类型的可控轴承被用于控制转子的径向运动。中国发明专利：一种智能可控轴承及控制转子振动的方法，申请号:CN201610352948.2。该专利将磁流变液润滑运用到了滑动轴承上，并且采用了浮环式轴承，可以使轴承适应更高转速的场合。但是该专利为了使用的励磁系会使得整个系统结构复杂，并且由于磁滞作用的影响，会使得系统的快速响应性能变差。

中国实用新型专利：一种可控阻尼的圆锥动静压滑动轴承、转动系统，申请号：CN202120684177.3。该专利提出了通过改变滑动轴承中阻尼环的形状达到调节系统阻尼为转子减振的效果。此类技术采用的控制方法属于间接控制，让阻尼环发生变形并不能精确控制转子的径向位置，而只能大致调整转子的运动轨迹，而且响应速度不够快，无法及时补偿每一圈内转子径向位置的快速变化。所以此类技术的控制精度和响应速度很难保证。

中国发明专利：一种主动控制滑动轴承，申请号:CN201110442454.0。该专利将压电小孔节流阀安装在滑动轴承的外圈，省去了节流阀到油腔这一段的管路，可以在一定程度上减少滞后，提高响应速度。但嵌入在轴承中的小孔节流阀的节流块行程一般在毫米级，对于压电致动器来说这是一个较大的行程，会导致压电陶瓷的体积较大、系统响应速度变慢。同时，此发明虽然消除了节流器与轴承之间的管路，避免了由此带来的滞后效应，但并未消除节流器之前的管路影响，而最新的研究表明，这种影响在流量高频变化时会使可控轴承几乎失去控制能力。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种集成压电节流器的高频响可控静压轴承，本发明将响应速度优异的压电式节流器与传统静压轴承集成在一起，消除了中间油路，显著降低了系统的延迟；并在轴承中设计了内嵌微型弹性储油器，抑制了高频工作时前端油路对于入口压力的影响，保证了可控轴承的控制效果；所设计的新型高频响可控静压轴承整体结构简单、功能可靠，可为更好的抑制转子振动，以及控制形成期望的轴心轨迹提供支持。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种集成压电节流器的高频响可控静压轴承，包括静压轴承，在静压轴承周向均布多个油腔，在每个油腔的一侧设置储油腔，相对的另一侧设置进油口；并每个油腔内相应的嵌入有压电节流器，所述的压电节流器包括上阀体、下阀体，在上阀体内设置有与上阀体内壁密封连接的活塞顶杆，活塞顶杆的顶部设置压电陶瓷，压电陶瓷固定在端盖上，在所述上阀体的侧壁上设有通孔Ⅰ和通孔Ⅱ；所述的通孔Ⅰ与进油口连通，通孔Ⅱ与储油腔连通；所述下阀体中心设置出油口；下阀体与活塞顶杆之间的环形节流间隙与出油口联通。

作为进一步的技术方案，所述的储油腔的刚度可调。

作为进一步的技术方案，储油腔靠近静压轴承外圈的位置设置有由金属弹性薄膜和安全盖围成的腔体。

作为进一步的技术方案，所述由金属弹性薄膜和安全盖围成的腔体一部分位于静压轴承内，一部分位于静压轴承外。

作为进一步的技术方案，所述上阀体底部安装在下阀体的外沿上。

作为进一步的技术方案，所述的压电陶瓷的顶部设置垫片I,预紧螺钉穿过端盖端部与垫片I相连。

作为进一步的技术方案，所述的压电陶瓷的底部与活塞顶杆的顶部之间设置垫片Ⅱ。

作为进一步的技术方案，所述的上阀体内部设置凸台，凸台顶部设置垫片Ⅲ，且凸台位于活塞顶杆顶部的外沿下方。

作为进一步的技术方案，所述的上阀体和下阀体之间通过螺纹配合。

作为进一步的技术方案，在静压轴承的轴向均匀布置四个油腔。

作为进一步的技术方案，在下阀体上部的内径与外径差为毫米级。

本发明的工作原理:

在压电陶瓷上施加不同的电压，压电陶瓷的变形通过活塞传递，会导致节流环面上的缝隙高度发生变化，从而改变压电节流器液阻，实现对于压电节流器出口流量和压力的控制，同时，储油腔用于抑制压电节流器入口压力的波动，同时避免轴承油腔压力变化幅度的衰减，这两个作用是统一的；储油腔在系统中的功能，类似与电路中功率器件的电源端口附近的滤波电容，用以抑制供电电压的波动。当压电节流器高频动作，导致系统中流量快速变化时，压电节流器入口处的压力由于前端管路的时滞性，会发生较大波动；即：流量突然上升时入口压力下降，流量突然下降时，入口压力上升。而突然增大流量的目的通常是为了快速提高轴承油腔压力，但此时入口压力的下降使这一目的难以实现；同样，突然减小流量的目的通常是为了快速降低轴承油腔压力，但此时入口压力的上升也使这一目的难以实现。储油腔位于压电节流器入口附近，可容纳一定体积的油液，且储油腔靠近静压轴承外圈的位置设置有由金属弹性薄膜和安全盖围成的腔体，该腔体作为储油腔的腔壁具有弹性。这使得系统中流量快速变化时，储油腔释放或吸收部分油液，节流器入口处的压力基本保持不变，从而避免轴承油腔压力变化幅度的衰减。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.本发明将压电节流阀与静压轴承集成在一起，去掉了两者间的管路，从而显著降低系统延迟，提高可控静压轴承在控制轴心轨迹时的响应速度，同时并本发明在轴承中设计了内嵌微型弹性储油器，抑制了高频工作时前端油路对于入口压力的影响，保证了可控轴承的控制效果；通过弹性储油器与压电节流阀共同作用，使得高频响可控静压轴承可更好的抑制转子振动，以及控制形成期望的轴心轨迹提供支持。

2.本发明提出的嵌入静压轴承的是一种压电式环面缝隙节流阀，微小行程即可产生液阻的巨大变化，响应速度极快，且体积小易于集成，整体结构简单、功能可靠。

3、由于前端供油管路也会在一定程度上减弱可控轴承的控制效果，高频工作时尤其如此，因此本发明设计了带有弹性薄膜的内置储油腔，可吸收油液流量高频变化时节流器入口处的压力波动，且该油腔刚度可调，能够保持不同工作频率下可控轴承的控制效果不会减弱。

4、本发明提出的嵌入静压轴承的四个节流阀，是一种压电陶瓷驱动的活塞式环面缝隙节流阀，油液从下阀体的环面外缘向下阀体的中心内部流入，环面半径大且下阀体上部分内外径差别很小(毫米级)，因此，相比于小孔节流，最大流量可以大很多倍；同时，其节流原理是：压电陶瓷驱动的活塞直接改变活塞底面与下阀体顶部的环面间缝隙(缝隙高度通常是几十微米的量级)，而非遮挡孔或环的有效通过面积，因此，微小行程即可产生液阻的巨大变化，响应速度极快。且这种节流器体积小易于集成，整体结构简单、功能可靠。综上，所嵌入的特殊设计的节流器，正与可控轴承的要求相匹配。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明中所采用的高频响应静压轴承完整示意图。

图2是本发明的新型高频响应静压轴承的部分结构图；

图3是本发明中所采用的上阀体结构图；

图4是本发明中所采用的下阀体结构图；

图5是本发明中所采用的静压轴承部分结构示意图；

其中:1、预紧螺钉，2、端盖，3、垫片Ⅰ，4、压电陶瓷，5、上阀体，6、进油口，7、节流间隙，8、出油口，9、下阀体，10、活塞顶杆，11、密封圈，12、储油腔，13、金属弹性薄膜，14、安全盖，15、垫片Ⅲ，16、垫片Ⅱ，17、通孔Ⅰ，18、通孔Ⅱ。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

传统的可控静压轴承，难以对转子的径向位置或轴心轨迹进行快速而精确的调节。这通常是三方面原因造成的：(1)所采用的节流器或作动器的动态特性不够好，响应速度不够快；(2)连接节流器与静压轴承的中间管路会造成增大系统延迟，从而使控制效果变差；(3)最近的理论和实验研究表明，前端供油管路会在一定程度上抑制轴承油腔处的压力变化幅度(如同一个低通滤波器)，高频控制时尤其如此，从而使可控轴承在某些频段对于油腔压力的调节几乎失效。

针对上述问题，本发明以实现可控轴承对于轴心轨迹的快速精确控制，首先，采用一种压电式环面缝隙节流器，实现静压轴承油腔中流量与压力的快速调节；其次，通过一体化的结构设计，将压电节流器嵌入静压轴承，省去了连接二者的中间管路，大大降低了系统的延迟；最后，设计了刚度可调的储油腔，并将其集成与轴承内部，以避免高频工作时前端供油管路对轴承油腔压力变化幅度的衰减，从而解决了传统可控轴承在某些工作频段失效的问题。

具体的，静压轴承周向均布四个油腔，并相应的嵌入四个压电节流器。油液通过节流器进油口流入，经过该节流器，进入相应的静压轴承的油腔，最后通过轴承中油腔两侧的回油槽流出。通过4个压电节流器，就可以分别控制上下左右4个轴承油腔中的压力/流量变化，从而推动主轴的径向位置发生变化，最终实现轴心轨迹的快速精确控制。本发明将压电节流器和静压轴承集成在一起，省略了中间油路，并增加了弹性储油腔，所构成的新型可控静压轴承具有响应速度快，控制精度高的优点。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

图1为本发明中新型高频响应可控静压轴承的完整结构图。静压轴承周向均布四个油腔，并相应的嵌入四个压电节流器。油液通过节流器右侧进油口流入，经过该节流器，进入静压轴承的油腔，最后通过轴承中油腔两侧的回油槽流出。每个压电节流器可以独立控制对应轴承油腔中的压力/流量变化，从而推动主轴的径向位置发生变化，最终实现轴心轨迹的快速精确控制。

新型高频响应可控静压轴承的局部示意图如图2所示，包括预紧螺钉1、端盖2，垫片Ⅰ3，压电陶瓷4，上阀体5，进油口6，节流间隙7，出油口8，下阀体9，活塞顶杆10，密封圈11，储油腔12，金属弹性薄膜13，安全盖14，垫片Ⅲ15，垫片Ⅱ16，通孔Ⅰ17和通孔Ⅱ18；

所述的上阀体5与下阀体9组成一个完整阀体，完整阀体又与静压轴承通过螺纹连接，下阀体9的中心孔8为出油口，液压油从静压轴承的进油口6进入，下阀体9与活塞顶杆10之间的环形节流间隙7与出油口8联通。当活塞顶杆受压电陶瓷4的驱动产生位移时，节流间隙7发生变化，出油口8的油液流量发生变化，最终改变下方的轴承油腔压力。

上述压电陶瓷4一端(对应图1的上端)通过预紧螺钉1与端盖2相连，另一端与垫片Ⅱ16相接触。预紧螺钉1与压电陶瓷4之间为垫片Ⅰ3。可以通过改变调整垫片Ⅲ15、垫片Ⅱ16的高度来设定节流间隙7的行程，同时垫片Ⅰ3、垫片Ⅱ16也可以起到防止压电陶瓷受力不均的作用。

工作时，在压电陶瓷上施加不同的电压，压电陶瓷的变形通过活塞传递，会导致节流环面7上的缝隙高度发生变化，从而改变节流器液阻，实现对于节流器出口流量和压力的控制。即通过调节驱动电压来控制静压轴承的油腔压力。当增加驱动电压时，压电陶瓷4伸长，推动活塞顶杆10减小节流间隙7，使节流阀液阻增加、流量减小，使对应的轴承油腔压力下降；当减小驱动电压时，压电陶瓷4缩短，活塞顶杆10受油液压力作用向上运动，增大节流间隙7，使伺服阀液阻减小、流量增加，使对应的轴承油腔压力上升。因此，可以通过改变施加于压电陶瓷4上的驱动电压改变节流间隙，调节相应轴承油腔压力，进而实现轴心轨迹的快速精确控制的目的。

在每个节流阀的左侧设有储油腔12，储油腔12上方为金属弹性薄膜13和安全盖14。储油腔位于节流器入口附近，可容纳一定体积的油液，且腔壁具有弹性。当节流器入口流量快速上升时，储油腔12释放部分油液；而节流器12入口流量快速下降时，储油腔12吸收部分油液；这使得节流器入口处的压力基本保持不变，从而避免轴承油腔压力变化幅度的衰减。因此，带有金属弹性薄膜的储油腔12可以起到抑制节流器入口油液压力波动的作用。金属弹性薄膜13可以更换为不同的厚度(具有不同的刚度)，储油腔12也可加工为不同容积，以上二者通过设计可以匹配不同的节流器工作频率。安全盖14具有固定金属薄膜、防止油液泄露的作用。优选的，金属弹性薄膜13可以采用铜箔、铝箔等。

图3为压电节流阀中的上阀体结构，在上阀体5上设置通孔Ⅰ17、通孔Ⅱ18，通孔Ⅰ17、通孔Ⅱ18为配合油液通过开设的油孔。在开设通孔时，需要提前考虑通孔的位置，使通孔Ⅰ17与进油口6配合，使通孔Ⅱ18与储油腔12配合。图4为下阀体结构，为便于安装，将下阀体做成阶梯型。下阀体与上阀体通过螺纹配合。图5为静压轴承示意图，油液从出油口8出来后直接进入轴承内孔的静压油腔。

本发明将压电节流阀嵌入在滑动轴承内部，去掉了两者间的管路，从而达到显著降低系统延迟的目的。同时，所嵌入的活塞式压电环面节流阀，活塞行程小，液阻变化大，响应速度快，且体积小易于集成。所发明的装置中还内置了弹性储油腔，可吸收油液流量高频变化时产生的入口压力波动，且该油腔刚度可调，能够吸收不同工作频率下的入口压力波动。本发明显著提升了可控轴承的动态性能。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，包括静压轴承，在静压轴承周向均布多个油腔，在每个油腔的一侧设置储油腔，相对的另一侧设置进油口；并每个油腔内相应的嵌入有压电节流器，所述的压电节流器包括上阀体、下阀体，在上阀体内设置有与上阀体内壁密封连接的活塞顶杆，活塞顶杆的顶部设置压电陶瓷，压电陶瓷固定在端盖上，在所述上阀体的侧壁上设有通孔Ⅰ和通孔Ⅱ；所述的通孔Ⅰ与进油口连通，通孔Ⅱ与弹性储油腔连通；所述下阀体中心设置出油口；下阀体与活塞顶杆之间的环形节流间隙与出油口联通。

2.如权利要求1所述的集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，所述的弹性储油腔的刚度可调。

3.如权利要求2所述的集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，储油腔靠近静压轴承外圈的位置设置有由金属弹性薄膜和安全盖围成的腔体。

4.如权利要求3所述的集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，所述由金属弹性薄膜和安全盖围成的腔体一部分位于静压轴承内，一部分位于静压轴承外。

5.如权利要求1所述的集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，所述上阀体底部安装在下阀体的外沿上。

6.如权利要求1所述的集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，所述的压电陶瓷的顶部设置垫片I,预紧螺钉穿过端盖端部与垫片I相连。

7.如权利要求1所述的集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，所述的压电陶瓷的底部与活塞顶杆的顶部之间设置垫片Ⅱ。

8.如权利要求1所述的集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，所述的上阀体内部设置凸台，凸台顶部设置垫片Ⅲ，且凸台位于活塞顶杆顶部的外沿下方。

9.如权利要求1所述的集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，所述的上阀体和下阀体之间通过螺纹配合。

10.如权利要求1所述的集成压电节流器的高频响可控静压轴承，其特征在于，在下阀体上部的内径与外径差为毫米级。

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