一种主动控制气体可倾瓦轴承
阅读说明：本技术 一种主动控制气体可倾瓦轴承 (Active control gas tilting pad bearing ) 是由 张永涛 史伟杰 杨泽 胡宇超 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种主动控制气体可倾瓦轴承,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、推力半球、压电陶瓷驱动器、螺栓、多孔质材料和盖板；所述柔性铰链轴瓦包含轴瓦体和两个柔性铰链机构；沿所述本体内圆柱面圆周方向开有至少四个铰链腔,铰链腔与所述本体内表面通过通槽相连通；所述铰链腔内放置所述柔性铰链机构；所述本体内进一步开有与每个所述铰链腔相通的圆柱腔,放置压电陶瓷驱动器；所述轴瓦体与所述轴颈之间设有气膜间隙；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沿径向运动,进而控制所述轴瓦体的径向位移和摆角,可以实现对所述气膜间隙的主动控制。(The invention discloses an active control gas tilting pad bearing, which comprises a bearing and a shaft neck matched with the bearing; the bearing comprises a body, a flexible hinge bearing bush, a thrust hemisphere, a piezoelectric ceramic driver, a bolt, a porous material and a cover plate; the flexible hinge bearing bush comprises a bearing bush body and two flexible hinge mechanisms; at least four hinge cavities are formed in the circumferential direction of the inner cylindrical surface of the body and communicated with the inner surface of the body through grooves; the flexible hinge mechanism is placed in the hinge cavity; a cylindrical cavity communicated with each hinge cavity is further formed in the body, and a piezoelectric ceramic driver is placed in the cylindrical cavity; an air film gap is arranged between the bearing bush body and the shaft neck; the flexible hinge mechanism is driven to move along the radial direction by controlling the extension or the shortening of the piezoelectric ceramic driver, so that the radial displacement and the swing angle of the bearing bush body are controlled, and the active control of the air film gap can be realized.)
技术领域
本发明涉及气体动静压轴承技术领域，特别是一种主动控制气体可倾瓦轴承。
背景技术
气体动静压轴承具有高刚度、高精度、高承载能力和良好的阻尼特性等优点。在外部供气的作用下，轴承与轴颈之间可以保持完全润滑状态。由于非接触的润滑方式，在转子系统的启停阶段，轴承与轴颈之间只存在很小的摩擦，从而延长了轴承的使用寿命。气体动静压轴承广泛应用于高精密机床主轴支承、高精密气浮平台、医疗设备中的电子计算机断层扫描机和精密测量仪器等设备。
气体动静压可倾瓦轴承的轴瓦一般是由3-5块瓦块组成，瓦块呈弧形，瓦块可以绕其支点转动。能够随着转速、载荷以及轴承温度的变化而发生自由摆动，从而使瓦片自动调整到形成气膜的最佳位置。每个瓦块作用到轴颈上的气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气膜间隙之后，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气膜压力达到动态平衡。然而，气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，即主动控制气膜间隙，实现了对轴瓦与轴颈之间气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气体可倾瓦轴承。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种主动控制气体可倾瓦轴承，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、推力半球、压电陶瓷驱动器、螺栓、多孔质材料和盖板；其中，所述柔性铰链轴瓦包含轴瓦体和两个柔性铰链机构；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四个铰链腔，铰链腔与所述本体内表面通过通槽相连通；所述铰链腔内放置所述柔性铰链机构；所述本体内进一步开有与每个所述铰链腔相通、均匀布置的圆柱腔，圆柱腔内设置所述压电陶瓷驱动器；压电陶瓷驱动器与所述柔性铰链机构之间通过设置所述推力半球相连接；所述轴瓦体与所述轴颈之间设有气膜间隙；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沿径向运动，进而控制所述轴瓦体的径向位移和摆角，可以实现对所述气膜间隙的主动控制。
进一步的，所述柔性铰链机构包含移动平台、柔性铰链A、柔性铰链B、柔性铰链C和两个固定端；其中，两个固定端用于将所述柔性铰链机构固定于所述铰链腔内，移动平台与两个固定端之间通过柔性铰链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用于将移动平台连接于所述轴瓦体的轴瓦背面；所述轴瓦体可绕柔性铰链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的移动平台沿径向运动，实现控制所述轴瓦体径向位移和摆角的作用。
进一步的，所述轴瓦体包含圆弧本体、多孔材料腔、气压腔和凸台；在圆弧本体的内圆弧面上开有多孔材料腔，多孔材料腔内进一步开有气压腔，气压腔内设置凸台；多孔材料腔内放置所述多孔质材料；所述多孔材料腔的下表面与凸台的上表面处于同一假想圆柱面上，作为所述多孔质材料的粘接面，装配时，将所述多孔质材料的底面粘接于所述多孔材料腔的下表面和凸台的上表面上。
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，所述轴瓦体的端面上开有进气孔，用于向所述气压腔供气。
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。
传统气体可倾瓦轴承中，在轴瓦与轴颈之间建立起气膜间隙之后，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气膜压力达到动态平衡。然而，气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气体可倾瓦轴承，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，即实现了对气膜间隙的主动控制，可以控制轴颈转动过程中气膜动压力的大小。在气膜间隙减小的位置，气膜动压力增大，对轴颈的局部支撑力增大；在气膜间隙增大的位置，气膜动压力减小，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气膜间隙的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的主动控制气体可倾瓦轴承的结构示意图；
图2为本发明的主动控制气体可倾瓦轴承的横向剖视图；
图3为本发明的本体的横向剖视图；
图4为本发明的本体的轴向视图；
图5为本发明的柔性铰链轴瓦的横向剖视图；
图6为本发明的柔性铰链轴瓦的结构示意图；
图7为本发明的多孔质材料的结构示意图；
图8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、铰链腔；112、通槽；113、圆柱腔；114、螺纹孔A；115、螺纹孔B；
12、柔性铰链轴瓦；121、轴瓦体；1211、圆弧本体；1212、多孔材料腔；1213、气压腔；1214、凸台；1215、下表面；1216、上表面；1217、轴瓦背面；1218、进气孔；
122、柔性铰链机构；1221、移动平台；1222、固定端；1223、柔性铰链A；1224、柔性铰链B；1225、柔性铰链C；
13、推力半球；14、压电陶瓷驱动器；15、螺栓；
16、多孔质材料；161、底面；
17、盖板；171、螺纹孔C；18、气膜间隙；
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：
一种主动控制气体可倾瓦轴承，如图1至图8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、推力半球13、压电陶瓷驱动器14、螺栓15、多孔质材料16和盖板17；其中，柔性铰链轴瓦12包含轴瓦体121和两个柔性铰链机构122；本体11呈圆柱形，沿本体11内圆柱面圆周方向开有6个铰链腔111，铰链腔111与本体11内表面通过通槽112相连通；铰链腔111内放置柔性铰链轴瓦12的柔性铰链机构122；本体11内进一步开有与每个铰链腔111相通、均匀布置的圆柱腔113，圆柱腔113内设置压电陶瓷驱动器14；压电陶瓷驱动器14与柔性铰链机构122之间通过设置推力半球13相连接；轴瓦体121与轴颈2之间设有气膜间隙18；通过控制压电陶瓷驱动器14的伸长或缩短带动柔性铰链机构122沿径向运动，进而控制轴瓦体121的径向位移和摆角，可以实现对气膜间隙18的主动控制。
柔性铰链机构122包含移动平台1221、柔性铰链A1223、柔性铰链B1224、柔性铰链C1225和两个固定端1222；其中，两个固定端1222用于将柔性铰链机构122固定于铰链腔111内，移动平台1221与两个固定端1222之间通过柔性铰链A1223和柔性铰链B1224相连接，柔性铰链的变形刚度极低，移动平台1223在推力半球13的推动下可产生绕柔性铰链A1223和柔性铰链B1224的径向移动；柔性铰链C1225用于将移动平台1221连接于轴瓦体121的轴瓦背面1217；轴瓦体121可绕柔性铰链C1225转动；通过压电陶瓷驱动器14的伸长或缩短带动柔性铰链机构122的移动平台1221沿径向运动，实现控制轴瓦体121径向位移和摆角的作用。
轴瓦体121包含圆弧本体1211、多孔材料腔1212、气压腔1213和凸台1214；在圆弧本体1211的内圆弧面上开有多孔材料腔1212，多孔材料腔1212内进一步开有气压腔1213，气压腔1213内设置凸台1214；多孔材料腔1212内放置多孔质材料16；多孔材料腔1212的下表面1215与凸台1214的上表面1216处于同一假想圆柱面上，作为多孔质材料16的粘接面，装配时，将多孔质材料16的底面161粘接于多孔材料腔1212的下表面1215和凸台1214的上表面1216上。
本体11的外圆柱面上与圆柱腔113相对应的位置上开有径向螺纹孔A114，螺纹孔A114内设有螺栓15，通过拆卸螺栓15可以更换压电陶瓷驱动器14。
轴瓦体121的端面上开有进气孔1218，用于向气压腔1213供气。
本体11端面上设置多个螺纹孔B115，盖板17上设有多个螺纹孔C171，两个盖板17通过螺纹孔B115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气体可倾瓦轴承中，高压气体通过进气孔1218进入到气压腔1213，气压腔1213中的高压气体穿孔多孔质材料16进入轴瓦体121与轴颈2之间，利用多孔质材料16的节流作用，在轴瓦体121与轴颈2之间建立起气膜。当轴颈2的负载动态变化时，轴瓦体121上的气膜动压力分布产生变化，动压力对轴瓦体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14的伸长和缩短，作用于推力半球13，推动柔性铰链A1223和柔性铰链B1224产生变形，移动平台1221径向运动，进而带动轴瓦体121产生径向运动及摆动，控制轴瓦体121的径向位移和摆角，可以实现对气膜间隙18的主动控制。由此，可以根据负载动态变化，主动控制气膜间隙18的平均间隙和楔形角度，进而主动控制轴瓦体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。
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