技术领域
[0001] 本发明属于机械工程中润滑技术领域，具体涉及一种点阵式智能滑动轴承及其智能润滑方法。
相关背景技术
[0002] 磁性液体滑动轴承作为一种新型主动的可控轴承，在航空航天、尖端武器与通信卫星等高端科技领域具有广阔的应用前景。磁性液体滑动轴承主要在外部磁场作用下能使轴承内的磁性液体流动到指定区域，从而实现定域润滑的效果，同时，磁性液体的黏度在磁场作用下表现出的可调控特性，是轴承实现智能润滑的重要依据。
[0003] 现代工业向智能化高速发展的时代背景下，对轴承润滑提出更高要求：如高转速、高载荷等特殊工况下，现有轴承润滑方式面临润滑介质甩出、润滑油膜过厚和润滑效果不可控等问题，远不能满足高精尖装备对润滑的高精度和智能控制的要求。
[0004] 因此，如何设计一种适用于高转速、高载荷等特殊工况，并实现智能润滑的磁性液体滑动轴承，成为本领域内技术人员亟待解决的问题。
具体实施方式
[0065] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0066] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0067] 已知的磁性液体滑动轴承，一般均利用永磁体来对由磁性液体形成的润滑油膜进行控制，其控制原理是：利用永磁体产生的磁场，将磁性液体中的纳米级磁性颗粒吸附于永磁体附近，以此来得到磁性液体滑动轴承中围绕整个转轴的润滑油膜，起到润滑效果。
[0068] 其中，润滑油膜的润滑效果与转轴所受的载荷有关，常用的磁性液体滑动轴承所承受的力包括：转轴的重力、以及向下的载荷，上述多种力的叠加之下，会使得转轴在运行过程中产生向下的偏心，进而令该处位置的润滑油膜变薄，甚至在载荷偏大时，转轴有与衬套相互接触摩擦的趋势，此时称该处位置为最小油膜厚度位置，并且此时润滑油膜的润滑效果显著降低。
[0069] 另外，润滑油膜的润滑效果还与转轴的转速有关，以控制变量为例，若转轴所受的载荷一定时，转轴的转速越快，由于离心力的作用，磁性液体越容易从轴承两端甩出引发润滑油膜厚度减薄，在此情况下，此时润滑油膜的润滑效果同样显著降低，如此一来，磁性液体滑动轴承的适用性大大降低，为了适用于不同转速、不同载荷的情况，就需要多种型号的轴承，造成生产成本大幅增加。
[0070] 鉴于此，本发明提供一种点阵式智能滑动轴承，磁性液体滑动轴承用通电情况下可产生磁场的电磁铁代替永磁体，并将电磁铁均布于衬套上，使得在通电后令磁性液体均布于衬套与转轴之间，在此结构基础上，本发明利用闭环反馈控制系统实时对转轴的径向跳动进行检测，并由控制器对转轴的径向跳动进行解析后，控制每个电磁铁的电流大小，进而控制每个电磁铁所产生的磁场强度，达到对润滑油膜所处每个区域的磁性液体分布的实时控制，最终使得润滑油膜的最小油膜厚度最大，使该点阵式智能滑动轴承的润滑效果始终得到保持，达到智能润滑的效果。
[0071] 虽然转轴产生偏心的原因有转速过高、所受载荷过大，但是，由于上述两种原因所产生的润滑油膜减薄效果相同，故而本申请以载荷方面为例进行对磁性液体滑动轴承的设计，并且本申请中所出现的滑动轴承均为磁性液体滑动轴承。
[0072] 以下将结合附图详细介绍本申请的技术方案。
[0073] 在本技术方案中，点阵式智能滑动轴承应用于转轴1上，在实际的使用情况中可概括为：转轴1的一端通过电机为其提供旋转动力，另一端设有负载，为转轴1提供载荷，电机与负载在图中未示出。
[0074] 该点阵式智能滑动轴承包括：磁性液体滑动轴承本体2与闭环反馈控制系统。
[0075] 其中，如图1‑4所示，磁性液体滑动轴承本体2包括套设于转轴1外表面上的衬套201，衬套201为阶梯状，包括一体设置的台阶部202与安装部203，衬套201与转轴1之间设置有磁性液体形成的润滑油膜3，通过润滑油膜3的润滑作用，实现转轴1在磁性液体滑动轴承本体2中的润滑旋转。
[0076] 作为本申请的核心，在衬套201中，如图2‑4所示，安装部203的外壁上沿其周向均布设置有n列电磁阵，4≤n≤20，每列电磁阵中等间距设有m个安装孔4，3≤m≤10，在这里n、m表示了安装孔4的密集程度，若太密集会导致结构本身的加工与装配难度增大，若太疏松则会令该点阵式智能滑动轴承的智能润滑调控效果变差，每个安装孔4内均设有电磁铁，每个电磁铁均连接有控制导线，控制导线经过汇集处理后接入闭环反馈控制系统。
[0077] 其中，对电磁铁的安装采用如下结构方式：
[0078] 每个安装孔4的底部均设有螺纹孔401，用于与螺栓相配合，将电磁铁旋紧于安装孔4的内部。
[0079] 此外，对控制导线的汇集处理采用如下结构方式：
[0080] 如图3、图4所示，在安装部203上，每列电磁阵的一侧均设有导线通道5，导线通道5与该电磁阵中的每个安装孔4之间均通过一置线槽6连通，若干个导线通道5的一端通过一圆形槽7连通，圆形槽7被设于台阶部202的内部；再者，台阶部202上还开设有线圈出口204，线圈出口204与圆形槽7连通。
[0081] 基于上述结构，安装孔4内的控制导线经过置线槽6汇集于导线通道5内部后，若干个导线通道5内部的控制导线再次汇集于圆形槽7内部，最终汇集的控制导线从线圈出口204伸出磁性液体滑动轴承本体2后，接入闭环反馈控制系统，其中，控制导线通过热熔棒胶与置线槽6、导线通道5、以及圆形槽7的内部粘接。
[0082] 在本技术方案中，为了配合于磁性液体滑动轴承本体2的安装使用，如图3所示，该点阵式智能滑动轴承还包括：套筒8、轴承座9与端盖10。
[0083] 其中，套筒8被设于衬套201的安装部203外壁上，套筒8的一端与台阶部202抵接，且套筒8的壁厚与台阶部202的厚度相同，套筒8的另一端通过一翻折部801设于安装部203的端部一侧，且在翻折部801上，靠近转轴1的一侧还通过第一安装槽设有第一密封圈802，用于防止磁性液体从套筒8的翻折部801与转轴1之间泄漏。
[0084] 轴承座9的内壁与套筒8的外壁、以及台阶部202的外壁相贴合，更具体的，套筒8、衬套201以及轴承座9同时通过一连接键205连接。
[0085] 此外，磁性液体滑动轴承本体2在靠近台阶部202的一端设有端盖10，端盖10上设置有通孔1001，通孔1001与线圈出口204连通，用于控制导线穿行通过，在此基础上，端盖10通过固定螺钉与轴承座9连接，端盖10在靠近转轴1的一侧还通过第二安装槽设有第二密封圈1002，用于防止磁性液体从端盖10与转轴1之间泄漏。
[0086] 在本技术方案中，如图1、图3所示，闭环反馈控制系统，包括：电涡流位移传感器组件与控制器。
[0087] 电涡流位移传感器组件，包括被同时设于磁性液体滑动轴承本体2一侧的第一电涡流位移传感器11与第二电涡流位移传感器12，具体的，第一电涡流位移传感器11通过第一连接件设于端盖10上，第二电涡流位移传感器12通过第二连接件同样设于端盖10上，此外，第一电涡流位移传感器11与第二电涡流位移传感器12位于同一竖直平面内，且该平面与转轴1的径向截面重合，在此基础上，两个电涡流位移传感器之间的夹角为90°，第一电涡流位移传感器1用于测量转轴1的竖直位移，并将测量数据通过转换器转换为原始位移信号后送入控制器；第二电涡流位移传感器12用于测量转轴1的水平位移，并将测量数据通过转换器转换为原始位移信号后送入控制器。
[0088] 控制器与各电磁铁以及电涡流位移传感器组件连接，控制器用于接收电涡流位移传感器组件所发出的原始位移信号并进行处理后，发出用于控制各电磁铁中线圈电流的大小的控制信号，控制器在图中未示出。
[0089] 至此，上述结构可实现对润滑油膜3所处每个区域的磁性液体分布的实时控制，进而使得最终使得润滑油膜3的最小油膜厚度最大，使得润滑油膜3的厚度趋于均匀，从而使得该点阵式智能滑动轴承的润滑效果始终得到保持，达到智能润滑的效果。
[0090] 基于上述结构，本申请还提供一种点阵式智能滑动轴承的智能润滑方法，如图7所示，包括：
[0091] 在步骤S1中：利用电机为转轴1提供旋转动力，转轴1开始旋转，由于磁性液体自身属于一种润滑油，故而在转轴1旋转伊始，点阵式智能滑动轴承利用润滑油膜3本体进行不通电润滑。
[0092] 在步骤S2中：在负载的作用下，转轴1在转动的过程中逐步偏离衬套201中心，该偏心使转轴1产生水平方向的位移与竖直方向的位移；利用两个电涡流位移传感器分别采集转轴1在水平方向与竖直方向的原始位移信号。
[0093] 具体在于：以衬套201的圆心o为原点，则其坐标为o(0，0)、水平方向为X轴、竖直方向为Y轴。
[0094] 本申请中，通过两个电涡流位移传感器分别测得转轴1在偏心后，转轴1表面在竖直方向上的检测点坐标A(0，a)、以及转轴1表面在水平方向上的检测点坐标B(b，0)，并将该两点坐标数据通过转换器转换为原始位移信号送入控制器。
[0095] 在步骤S3中：利用控制器对原始位移信号处理后，输出对电磁铁的线圈中电流大小进行调控的电流信号，如图8所示，具体包括：
[0096] S31、根据A(0，a)、B(b，0)两点的坐标数据得出转轴1的偏心轨迹方程组，并根据该方程得出转轴1偏心后圆心o′的坐标。在该步骤中：设所述衬套201的半径为R，转轴1的半径为r，转轴1偏心后其圆心为o′，o′的坐标为o′(x1，y1)。
[0097] 由于在实际应用中，回转体的转轴1所受的载荷方向可能为沿其周向上的任意一点指向圆心，无法做到对转轴1所受载荷的任意情况进行研究，故而经多次实验，利用归纳法得出转轴1所受代表性载荷方向进行研究，所述的代表性载荷方向为：转轴1受竖直向上的载荷；转轴1受竖直向下的载荷。
[0098] 下面将对这两种情况进行详细阐述。
[0099] ①当转轴1受竖直向下的载荷时，根据A(0，a)、B(b，0)两点的坐标，得出直线ab的方程为：
[0100]
[0101] 式中：a—转轴在偏心后转轴表面于竖直方向上的检测点坐标A(0，a)的纵坐标值；b—转轴在偏心后转轴表面于水平方向上的检测点坐标B(b，0)的横坐标值。
[0102] 点o′位于直线ab的垂直平分线上，该垂直平分线的方程为：
[0103]
[0104] 式中：a—转轴在偏心后转轴表面于竖直方向上的检测点坐标A(0，a)的纵坐标值；b—转轴在偏心后转轴表面于水平方向上的检测点坐标B(b，0)的横坐标值。
[0105] 由于o′b的长度为转轴半径r，根据垂直平分线方程以及勾股定理，得出转轴的偏心轨迹方程组，用以计算o′坐标；所述偏心轨迹方程组为：
[0106]
[0107] 式中：a—转轴在偏心后转轴表面于竖直方向上的检测点坐标A(0，a)的纵坐标值；b—转轴在偏心后转轴表面于水平方向上的检测点坐标B(b，0)的横坐标值；x1、y1分别为转轴偏心后其圆心o′的横坐标值与纵坐标值。
[0108] ②当转轴1受竖直向上的载荷时，根据A(0，a)、B(b，0)两点的坐标，得出直线ab的方程为：
[0109]
[0110] 式中：a—转轴在偏心后转轴表面于竖直方向上的检测点坐标A(0，a)的纵坐标值；b—转轴在偏心后转轴表面于水平方向上的检测点坐标B(b，0)的横坐标值；
[0111] 点o′位于直线ab的垂直平分线上，该垂直平分线的方程为：
[0112]
[0113] 式中：a—转轴在偏心后转轴表面于竖直方向上的检测点坐标A(0，a)的纵坐标值；b—转轴在偏心后转轴表面于水平方向上的检测点坐标B(b，0)的横坐标值；
[0114] 由于o′b的长度为转轴半径r，根据垂直平分线方程以及勾股定理，得出转轴的偏心轨迹方程组，用以计算o′坐标；所述偏心轨迹方程组为：
[0115]
[0116] 式中：a—转轴在偏心后转轴表面于竖直方向上的检测点坐标A(0，a)的纵坐标值；b—转轴在偏心后转轴表面于水平方向上的检测点坐标B(b，0)的横坐标值；x1、y1分别为转轴偏心后其圆心o′的横坐标值与纵坐标值。
[0117] 除此之外，转轴1偏心的具体方向还与其旋转方式有关，以转轴1受竖直向下的载荷为例，当转轴1以某一端面为基准，且转轴1以顺时针方向旋转时，此时转轴1向X轴的下方偏心，并且位于X轴的正半轴，具体示意图如图6所示；当转轴1仍以上述端面为基准，且转轴1以逆时针方向旋转时，此时转轴1向X轴的下方偏心，并且位于X轴的负半轴，具体示意图如图5所示；上述两种情况是转轴1在实际中会存在的偏心位置区别，但利用上述方法研究的过程中，只需在上述公式中直接带入A(0，a)、B(b，0)两检测点的实际数据即可分别得到具体圆心o′的横坐标值与纵坐标值。
[0118] 如图6所示，在步骤S32中：按照以下公式得出偏位角的值θ：
[0119]
[0120] 式中：x1、y1分别为转轴偏心后其圆心o′的横坐标值与纵坐标值。
[0121] 偏位角表示轴颈中心和轴承中心的连线与载荷线所夹锐角。其中，轴颈在机械设计中表示转轴1上与轴承相配合的部位，本申请中轴颈中心即为偏移后的转轴1圆心o′、轴承中心即为衬套201圆心o(0，0)、载荷线表示载荷的施加方向所在的直线。
[0122] 根据载荷线与偏位角的定义、数值，可确定出转轴1偏心的实际角度，此时，该滑动轴承中轴颈中心和轴承中心连线的延长线，与润滑油膜3的相交位置处为转轴1偏心后润滑油膜3的最小厚度位置。
[0123] 在此基础上，按照以下公式得出润滑油膜3的最小厚度h：
[0124] h＝c(1+εcosθ)
[0125] 式中：c—轴承径向间隙；ε—偏心率；θ—偏位角。
[0126] 轴承径向间隙也叫半径间隙：指衬套实际半径与轴颈半径之差；偏心率：ε＝e/c，式中：e—偏心距，指转轴偏心后圆心o′与轴承中心o的距离；c—轴承径向间隙。
[0127] 在步骤S33中：根据润滑油膜3的最小厚度位置，确定与该位置处相距小于距离s的多块电磁铁，利用控制器调节上述多块电磁铁通过的电流大小为Ii+ΔIi，即电涡流位移传感器组件第一次检测到转轴1偏心后对电磁铁的调整为开始通电，电流大小为Ii，Ii是一个初始的、较大的调整电流，用于快速响应控制器的控制并改善润滑油膜3所对应区域的润滑效果；电涡流位移传感器组件再次检测到转轴1偏心位置得到最小油膜厚度位置，对上述电磁铁继续调整，在Ii的基础上增加或减少增量电流ΔIi，ΔIi是一个较小的调整电流，用于在已有电流的基础上进行微调，以进一步优化润滑效果。此外，根据常用滑动轴承，距离s为大于电磁铁本身的尺寸。
[0128] 至此，完成对控制器对各电磁铁的一次调控，但由于闭环反馈控制系统始终实时利用电涡流位移传感器组件对转轴1的偏心位置进行检测，故而在润滑油膜3的最小厚度h未达到最大时，控制器对各电磁铁中电流大小的调控将始终进行下去，最终使得润滑油膜3的厚度趋于均匀，即：在步骤S4中：利用上述步骤反复迭代，直至润滑油膜3的最小油膜厚度值最大，此时点阵式智能滑动轴承的润滑效果最佳。
[0129] 最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。
