[发明专利]自动调节润滑液黏度的智能滑动轴承及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动调节润滑液黏度的智能滑动轴承及其控制方法，属于机械设计和自动控制技术领域。

背景技术

滑动轴承是一种在工业领域应用十分广泛的轴承，它具有承载能力强、旋转精度高、运行平稳、缓冲吸振性好等优点【杨可桢，程光蕴.机械设计基础.北京：高等教育出版社，2003.】。对于使用液体润滑的滑动轴承，润滑液的黏度对轴承的性能具有重要的影响。润滑液的黏度过低会导致润滑油膜的承载力不足，引起零件表面之间的直接机械接触，增大摩擦和磨损，甚至引发灾难性事故。而润滑剂的黏度过高则会增大摩擦损耗和发热，降低机械效率。因此，对于液体润滑的滑动轴承，在一定的工况条件下，润滑液都存在合适的黏度范围。

另外，根据Stribeck曲线，滑动轴承的润滑状态主要是由轴承的相对滑动速度U、承受的载荷p以及润滑油的黏度η决定的【温诗铸，黄平.摩擦学原理.北京：清华大学出版社，2008.】。并且轴承特性参数ηU/p存在最优值，使得滑动轴承的摩擦因数最小。在实际使用中，滑动轴承的相对滑动速度和载荷由所处的工况条件决定，因此可以通过调节润滑油的黏度来控制轴承特性参数ηU/p，使其保持在低摩擦状态，从而减小摩擦磨损，延长使用寿命。

浙江海洋学院的徐静于2001年在《小型内燃机与摩托车》的第30卷第3期提出了利用电压控制电流变液的黏度，从而改变轴承静、动态特性的设想。但该文章只是从理论上分析了电流变液轴承的性能，没有给出具体的设计方案。而且目前电流变液由于稳定性、剪切强度和使用温度范围等方面的缺陷，尚未达到工程应用的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以根据工况条件自动调节润滑液黏度的智能滑动轴承及其控制方法，从而使轴承保持在良好的润滑状态下，减少摩擦功率损耗和磨损。

一种自动调节润滑液黏度的智能滑动轴承，其特征在于：包括轴承内套、轴承外套、安装于轴承外套与轴承内套之间的线圈，轴承内套与轴承外套左右两端，每端均安装有一对极靴，每对极靴间均安装有环形磁体；上述环形磁体和极靴与转轴之间为密封结构，通过密封结构使磁性液体被保持在转轴和轴承内套之间；还包括外置的力传感器和转速传感器组成。

上述自动调节润滑液黏度的智能滑动轴承的控制方法，其特征在于包括以下过程：首先通过一系列试验确定不同速度和载荷大小条件下轴承摩擦转矩最小时的线圈控制电流，此时控制电流的大小即为该条件下最优控制电流；然后根据试验结果，建立针对不同速度和载荷条件的最优控制电流的数据库；最后在实际应用中，通过的力传感器和转速传感器测量实际工况下的速度和载荷，根据测量结果查询数据库，从而调节线圈控制电流的大小，使得润滑液的黏度自动适应工况条件。

由于永磁体和极靴产生的密封结构以及线圈产生磁场的作用，磁性液体被保持在转轴和轴承内套之间，从而形成充分的液体润滑。在运转过程中，该轴承可以根据力传感器和转速传感器测得转轴的载荷和速度，自动调节线圈中电流的大小来改变内部磁场的强弱，从而将润滑液的黏度控制在合适的范围，使轴承工作在低摩擦状态。

在外磁场的作用下，磁性液体可以被定位、保持在摩擦区域，从而提高润滑效果；同时磁性液体的黏度与外磁场的大小有关，外磁场越大磁性液体的黏度也越大，因此可以通过控制外磁场的大小来控制磁性液体的黏度；并且通过外磁场的设计，磁性液体可以起到自密封的作用，防止泄露污染环境。本发明能够根据工况条件自动调节润滑液黏度，改善摩擦学性能，适用于对于润滑要求苛刻的高速旋转机械。

由Stribeck曲线的轴承特性参数ηU/p(η为润滑液的黏度；U为滑行速度；p为承受的载荷)可知，滑动轴承的速度和载荷对摩擦性能的影响是相互关联的，因此在建立数据库时可以选用两者之商U/p作为特性参数，从而减少试验量。

附图说明

图1是本智能滑动轴承的结构设计图。其中，1为极靴，2为环形永磁体，3为轴承外套，4为线圈，5为磁性液体，6为转轴，7为轴承内套。

图2是本智能轴承的控制流程示意图。

具体实施方式

该智能滑动轴承的结构如图1所示，通过在轴承内套中布置的线圈，可以改变轴承内部的磁场大小，从而调节润滑剂的黏度，改善摩擦学性能。设计中，轴承内套采用既具有一定机械强度又具有导磁性的金属，如铸铁和碳钢加工而成；线圈采用常见的漆包线绕制；环形永磁体选用钕铁硼、钕镍硼等磁性较强的稀土永磁体；极靴则由具有铁磁性的电工纯铁加工而成。

在轴承运行时，首先通过外部的传感器测量转轴的速度和载荷，然后通过数据采集卡将传感器的信号采集到电脑中，接着将测得的速度载荷信息与电脑中的数据库进行比对，输出信号控制直流电源的电压。该直流电源与线圈相连，线圈的电阻值一定，因此通过调节输出电压的大小可以调节线圈中的电流，从而最终调节磁性液体的黏度。该系统中的传感器包括力传感器和转速传感器，其中力传感器可选用常见的应变式传感器，而转速传感器选用精度较高的光电编码器。直流电源选用输出电压可控的可编程直流电源。润滑剂选用性能稳定的Fe₃O₄磁性液体。该系统中控制电流数据库是建立在对轴承摩擦试验数据总结的基础上的。对于结构一定的滑动轴承，可以通过摩擦学试验，确定不同速度和载荷条件下的轴承摩擦转矩最小时的线圈电流。该电流值即为相应速度载荷条件下的最优控制电流。通过大量试验可以获得整个工况条件下轴承最优控制电流的数据库，从而为该轴承的智能控制建立基础。