TWI453347B - 保持面軸承潤滑油黏度係數於設計狀態之潤滑控制系統 - Google Patents

Description

保持面軸承潤滑油黏度係數於設計狀態之潤滑控制系統

磁流體、面軸承、潤滑系統、磁場控制

使用牛頓流體潤滑油的面軸承裝置，由額定的設計承載，以及相關的設計條件，可以得到軸承的最佳設計參數，包括：最大靜剛度、最佳動剛度、最大抗振阻尼、以及最大穩定性門檻值；然而，系統運轉在不同的負荷及轉速，潤滑流體因升溫效應的差異，使得流體黏度隨溫度的改變而偏離了設計值，造成系統剛度降低以及穩定性變差。若使用潤滑油溫控系統，到達定值溫度需要很長的時間，在變動工作狀況下，無法反應黏度的變化。

磁流體為非牛頓流體，其黏度在任何溫度環境下，受磁場感應時，隨磁場強度而增加。Langevin主值代表磁場強度的一種特性參數[1]，其中μ為磁性奈米粒子的磁矩，H 為外加磁場強度，k 為波茲曼常數，T 為磁流體的絕對溫度；為磁流體之無因次黏度係數比，其中η _r (∞)為假設當α趨近於無窮大時，由η _r (α)函數所得到的極限值；會隨著α的增加而增大，如圖一所示。不同的磁流體已知其依循著Shiliomis之模型 [2]或[3]，以及Felderhof之模型[4]而變，三種模型如圖一所示，其中η為磁流體的基載液黏度，φ為磁性奈米粒子的體積莫耳濃度，L (α)=cothα-α^-1 為磁性奈米粒子的Langevin函數。

面軸承的設計參數為半徑、間隙、軸承長度、軸承含角、以及潤滑油黏度係數，針對面軸承的工作狀況，不同的負載及主軸轉速，經由性能分析得到最佳的軸承設計參數；對應著運轉中面軸承之最佳性能條件，其中唯一可改變的參數是潤滑油黏度係數，其餘的設計參數均為定值。當面軸承在不同的工作狀況下運轉，因潤滑油之黏度所致摩擦效應以及環境溫度的變異，而產生差異的溫昇，繼而導致了變異的潤滑油黏度係數。

每一工作狀況都有其特定的最佳化設計參數才能得到最佳的性能，因為設計參數中唯一會在運轉中改變的參數就是黏度係數，也就成為唯一能夠隨工作狀況調整的參數；根據設計過程中所計算的最佳化黏度係數，使用磁感應流體，改變磁場感應磁致黏度，控制黏度係數保持在設計的定值，得到最佳的性能條件。

因此本發明提出面軸承潤滑控制系統使用磁流體潤滑油，在軸承與主軸之間的間隙中以主控式磁場感應；如選用Mehta實驗[1]所量測之磁流體，根據Shiliomis之S ₁ 模型，潤滑油黏度隨磁場強度而改變的關係為，在相同潤滑油黏度下η _r (α)成為定值，磁流體絕對溫度(°K)隨外加磁場強度而改變的關係成為，針對Langevin主值α分別固定在10,100,1000,以及10000時如圖二所示。

本發明的架構如圖三所示，其採用磁場可控黏度係數的潤滑油，其為於機油中添加均勻分佈之磁性奈米粒子而得到的磁流體，其由供油裝置的油壓泵浦，從供油裝置儲油槽經供油管送到供油入口，由此進入軸承與軸頸或軸承工作台之間的間隙中，通過間隙後到達回油出口，再經回油管重新回到儲油槽中；利用溫度感測器在系統回油出口感測工作流體之溫度，轉換為電壓訊號，回授予磁場控制單元；使用校準磁場強度與磁感應黏度之關係係數，調整所需外加磁場強度，控制潤滑流體之磁感應黏度係數，使潤滑流體總黏度維持在設計狀態的定值。

針對磁流體的可磁控特性如圖四所示，其顯示了控制函數的關係，將磁流體潤滑油黏度設計值設定在293°K時，其顯示由293°K到393°K的溫度變化中，維持黏度係數為293°K時，所需的外加磁場強度值。

[1]Patel,R.,Upadhyay,R. V. and Mehta. R. V.,“Viscosity measure-ments of a ferrofluid: comparison with various hydrodynamic equations,”Journal of Colloid and Interface Science,Vol. 263,pp. 661-664(2003).

[2] Shliomis,M. I.,“Effective viscosity of magnetic suspensions,”Sov. Phys. JETP,Vol. 34,pp. 1291-1294(1972).

[3]Shliomis,M. I.,“Ferrofluids: flexibility of magnetic particle chains,”J of Phys: Condens. Matter/0106414,Vol. 20,(2001).

[4] Felderhof,B. U.,“Magnetoviscosity and relaxation in ferrofluids,”Physics Review E,Vol. 62,3848(2000).

本發明是一種「保持面軸承潤滑油黏度係數於設計狀態之潤滑控制系統」，如圖三所示，磁流體潤滑油由系統供油裝置11的油壓泵浦，從儲油槽經由供油管210送到供油入口21，由此進入軸承裝置12，潤滑油經由節流器或直接進入軸承與軸頸的間隙中；主軸旋轉的動壓效應產生設計的承載能力，因設計間隙的尺度極小，僅有其他尺度的千分之一，從而產生所需的靜剛度，以及動態負荷下的動剛度與抗振阻尼；潤滑油通過間隙後，到達回油出口22，再經回油管220重新回到儲油槽中。

本發明之潤滑控制系統，使用油溫感測器14，安裝於回油出口22附近的適當處所，感測油溫的變化情形，並轉換為電壓訊號，其經由感測線23，傳回磁場控制單元15；磁場控制單元15根據磁流體之磁感應黏度與磁場強度之校準函數關係，將回授之油溫訊號，換算為潤滑油維持其設計黏度所需之磁場強度控制訊號；控制訊號經功率放大器16再經控制線24，控制軸承磁場線圈改變磁場強度，使磁流體潤滑油的磁感應黏度改變，得以保持潤滑油的總黏度於設計值。

軸承裝置12的四種形式：止推軸承之實施方式如圖五所示，頸軸承之實施方式如圖六所示，開式平面軸承之實施方式如圖七所示，以及閉式平面軸承之實施方式如圖八所示。

止推軸承之實施方式如圖五所示，由泵浦送出的磁流體，經由供油管210到達供油入口21而進入止推軸承31與主軸單元32軸頸端面之間的間隙，再經回油出口22以至回油管而重新回到儲油槽內；油溫感測器14安裝於回油出口22附近的適當處所，感測油溫的變化情形，經轉換為電壓訊號，再經由感測線23，傳回磁場控制單元；在控制單元中經由黏度增量之磁場換算，然後送出磁場強度控制訊號，經功率放大器16再經控制線24，控制環狀磁場線圈34改變磁場強度，使磁流體潤滑油的磁感應黏度改變，得以保持潤滑油的總黏度於設計值。圖五(a)及圖五(b)分別表示了主軸為導磁體及非導磁體時，在磁場感應中的磁力線分佈情形。

頸軸承之實施方式如圖六所示，由泵浦送出的磁流體，經由供油管210進入供油入口21，經過頸軸承41與主軸單元32的軸頸之間的間隙，到達回油出口22，再經過回油管重新回到儲油槽內；油溫感測器14，安裝於回油出口22附近的適當處所，感測油溫的變化情形，經轉換為電壓訊號，再經由感測線23，傳回磁場控制單元；經其計算黏度增量所需的磁場強度，控制訊號經功率放大器16後，再經控制線24，控制環狀磁場線圈34改變磁場強度，使磁流體潤滑油的磁感應黏度改變，得以保持潤滑油的總黏度在設計值。圖六(a)及圖六(b)分別表示了主軸為導磁體及非導磁體時，在磁場感應中的磁力線分佈情形。

開式平面軸承之實施方式如圖七所示，由泵浦送出的磁流體，經由供油管210到達供油入口21，再經過平面軸承51與工作台52之間的間隙，到達回油出口22，之後經過回油管回到儲油槽內；油溫感測器14，安裝於回油出口22附近的適當處所，感測油溫的變化情形，經轉換為電壓訊號，再經由感測線23，傳回磁場控制單元；經其計算黏度增量所需的磁場強度，控制訊號經功率放大器16後，再經控制線24，控制條列磁場線圈53改變磁場強度，使磁流體潤滑油的磁感應黏度改變，得以保持潤滑油的總黏度於設計值。圖七(a)及圖七(b)分別表示了工作台為導磁體及非導磁體時，在磁場感應中的磁力線分佈情形。

閉式平面軸承之實施方式如圖八所示，其兩個雙向軸承分別安裝在工作台52之兩側，其中一側為承載側平面軸承61另一側為反扣側平面軸承62，工作台兩側平面軸承分別安裝條列磁場線圈53；由泵浦送出的磁流體，經由供油管210到達供油入口21，分別進入承載側及反扣側兩平面軸承61及62與工作台52之間的間隙，而後從回油出口22經過回油管回到儲油槽內；油溫感測器14安裝於回油出口22附近的適當處所，以感測油溫的變化情形，轉換為電壓訊號，再經由感測線23，傳回磁場控制單元；經其計算黏度增量所需之磁場，得到磁場強度的控制訊號，經功率放大器16再經控制線24，控制條列磁場線圈53改變磁場強度，使磁流體潤滑油的磁感應黏度改變，得以保持潤滑油的總黏度於設計值。圖八(a)及圖八(b)分別表示了工作台為導磁體及非導磁體時，在磁場感應中的磁力線分佈情形。

主軸及工作台採用導磁體如圖五至圖八之(a)所示，可以產生高密度分佈的磁力線，以比較少的耗能達到所需的功能；主軸或工作台採用非導磁體如圖五至圖八之(b)所示，產生低密度分佈的磁力線，耗能較大才能得到所需的磁場強度，但是磁力線分佈被集中在間隙內部的磁流體，減少對磁流體以外區域的影響。

11．．．供油裝置

12．．．軸承裝置

14．．．油溫感測器

15．．．磁場控制單元

16．．．功率放大器

21．．．供油入口

22．．．回油出口

23．．．感測線

24．．．控制線

210．．．供油管

220．．．回油管

31．．．止推軸承

32．．．主軸單元

34．．．環狀磁場線圈

41．．．頸軸承

51．．．平面軸承

52．．．工作台

53．．．條列磁場線圈

61．．．承載側平面軸承

62．．．反扣側平面軸承

圖一　無因次黏度係數比與磁場強度參數之關係圖

圖二　不同磁場特性參數的磁流體溫度與磁場強度關係圖

圖三　面軸承潤滑油黏度係數控制系統架構圖

圖四　固定設計黏度值之外加磁場強度與磁流體溫度關係圖

圖五　止推軸承實施案例圖(a)導磁體主軸(b)非導磁體主軸

圖六　頸軸承實施案例圖(a)導磁體主軸(b)非導磁體主軸

圖七　開式平面軸承實施案例圖(a)導磁體工作台(b)非導磁體工作台

圖八　閉式平面軸承實施案例圖(a)導磁體工作台(b)非導磁體工作台

11．．．供油裝置

12．．．軸承裝置

14．．．油溫感測器

15．．．磁場控制單元

16．．．功率放大器

21．．．供油入口

22．．．回油出口

23．．．感測線

24．．．控制線

210．．．供油管

220．．．回油管

Claims (2)

1. 一種「保持面軸承潤滑油黏度係數於設計狀態之潤滑控制系統」，由供油裝置、軸承裝置、油溫感測器、磁場控制單元、功率放大器、磁場線圈、供油管、供油入口、回油出口、感測線、控制線、以及回油管所組成，其中供油裝置以供油管連接至供油入口，再連結軸承裝置至回油出口，其以回油管連接至供油裝置形成潤滑油的迴路；且其中油溫感測器安裝於回油出口，其連接感測線至磁場控制單元，以控制線經功率放大器至磁場線圈；其中的軸承裝置運用在包括止推軸承、頸軸承、及平面軸承的軸承裝置中；其止推軸承及頸軸承分別在旋轉主軸之軸向及徑向作為承載用途，平面軸承作為平移的工作台承載之用途；其採用磁場可控黏度係數的潤滑油，其為於機油中添加均勻分佈之磁性奈米粒子而得到的磁流體，其由供油裝置的油壓泵浦，從供油裝置儲油槽經供油管送到供油入口，由此進入軸承與軸頸或軸承工作台之間的間隙中，通過間隙後到達回油出口，再經回油管重新回到儲油槽中；其中的溫度感測器在系統回油出口感測工作流體之溫度，轉換為電壓訊號，經感測線回授至磁場控制單元，其使用校準磁場與黏度之關係係數，計算所需外加磁場強度，控制訊號經功率放大器、控制線至磁場線圈改變磁場強度，控制磁流體之磁感應黏度，使潤滑油總黏度維持在設計狀態的定值。
2. 如專利範圍第1項所述之「保持面軸承潤滑油黏度係數於設計狀態之潤滑控制系統」，其中運用在止推軸承包含一止推軸承與環狀磁場線圈組裝在一起，止推軸承為一圓柱形軸承，其端面作為主軸軸向負載之支持面，環狀磁場線圈繞在圓柱體之外圍以產生所需之磁場；其中運用在頸軸承時，頸軸承為一圓筒型軸承，包覆於軸頸之外，其圓柱形的內表面作為主軸徑向負載之支承面，環狀磁場線圈繞在軸承圓柱體之外圍以產生所需之磁場；其中運用在開式平面軸承時，面軸承為一矩形平面軸承，軸承的頂面作為工作台負載的支承面，條列磁場線圈安裝在平面軸承承載面之下方，提供磁流體所需之磁場；其中運用在雙向閉式平面軸承時，面軸承為上下相對的兩個矩形平面軸承，承載側平面軸承負擔工作台負載之承載及反扣側平面軸承之出力，反扣側平面軸承提供反方向出力，提高軸承的剛度，其條列磁場線圈安裝在兩側軸承的承載面之外側，提供改變磁流體黏度係數所需之磁場。