智能可倾瓦静压气体轴承其及刚度阻尼特性动态调节方法

摘要

智能可倾瓦静压气体轴承，包括轴承座、可倾瓦组件、多孔质石墨块和波纹导气管，可倾瓦组件沿轴承座周向均匀设置，可倾瓦组件包括贴合定位在轴承座内壁上的支撑瓦块、位于支撑瓦块径向内则的可倾瓦块、沿径向连接支撑瓦块与可倾瓦块的柔性阻尼件和由外部控制系统控制形成径向伸缩变形的压电陶瓷感应调节件，多孔质石墨块装在可倾瓦块内端，压电陶瓷感应调节件夹装在可倾瓦块和支撑瓦块之间并与外部控制系统信号传输连接，波纹导气管沿径向穿过轴承座、支撑瓦块和压电陶瓷感应调节件并与可倾瓦块联通。本发明实现对轴承刚度阻尼特性的动态调节，形成对轴承的智能控制。本发明还提供一种智能可倾瓦静压气体轴承的刚度阻尼特性动态调节方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能可倾瓦静压气体轴承其及刚度阻尼特性动态调节方法，属于静压气体轴承技术领域。

背景技术

多孔质可倾瓦气体轴承是在可倾瓦的金属表面粘贴了多孔质，多孔质可倾瓦气体轴承能够把多孔质静压气体轴承的优势与可倾瓦轴承的稳定性相结合，在承载力、阻尼和刚度等方面都具有良好的特性，且具有无污染、低磨损和高速度等特点，所以越来越多的被应用高速旋转机械中。对于多孔质可倾瓦气体轴承，外部加压气体通过外部进气口进入轴承基座，从多孔质流出后在轴承和转子之间形成气膜，用来支承转子系统，实现轴承和转子间的无接触悬浮，多孔质材料为静压轴承的气体节流器。由于在转子高速运转时气膜层的气体泄露率增大，造成轴承的阻尼减小，在高速运行时容易发生次同步振动，造成轴承的不稳定运行，这会导致整个轴承—转子系统的运行稳定性不佳。

为有效提高轴承的阻尼，采取的有效措施是在轴承上安装挤压油膜阻尼器，但挤压油膜阻尼器在工作时依然会有其内液压油泄露的问题产生，进而造成环境污染。为有效提高轴承的阻尼并避免环境污染，CN114483789A《一种基于电磁阻尼器的多孔质可倾瓦气体》的专利文献中公开了一种基于电磁阻尼器的多孔质可倾瓦气体轴承，主要由轴承基座、电磁阻尼器、可倾瓦片和多孔质组成，所述可倾瓦片与所述轴承基座围成同心的环状结构，所述轴承基座与可倾瓦片之间安装有电磁阻尼器，所述可倾瓦片沿轴向的外端面上设有外部进气口，所述可倾瓦片远离轴承基座的一侧设有均压槽结构，所述均压槽内安装有多孔质，所述均压槽底部设有与外部进气口相连通的多孔质供气孔。此方案中通过电磁阻尼器的设置可以提高轴承整体阻尼。但可倾瓦静压气体轴承还存在，以下缺陷：

1.由于转子的转速复杂多变，轴承的振动频率和振动幅值不稳定，但轴承刚度阻尼特性不能适应性调整，使轴承-转子系统稳定运行的转速范围较窄，转速多变会带来稳定性的下降。

2.进气管与可倾瓦结构的侧边连接，通气效率不高，容易引起漏气，而且供气孔在瓦块侧边，会在一定程度上限制瓦块的自由转动。

3.由于轴承采用了分段式的可倾瓦轴承结构，轴承在安装过程中，不能根据转子的尺寸和承载需求，调节可倾瓦结构的径向位置。

发明内容

本发明提供的智能可倾瓦静压气体轴承，实现对轴承刚度阻尼特性的动态调节，从而改变轴承-转子系统的临界频率，拓宽轴承-转子系统稳定运行的转速范围，提高轴承的承载能力，利用压电陶瓷感应调节件与外部控制系统的信号传输连接，形成对轴承的智能控制，提高转子转速复杂多变的轴承-转子系统的稳定性。本发明还提供一种智能可倾瓦静压气体轴承的刚度阻尼特性动态调节方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

智能可倾瓦静压气体轴承，包括轴承座、装在轴承座内的可倾瓦组件、装在可倾瓦组件上且呈圆弧形状的多孔质石墨块和将气体导入至多孔质石墨块上的波纹导气管，可倾瓦组件沿轴承座周向均匀设置，其特征在于：所述的可倾瓦组件包括贴合定位在轴承座内壁上的支撑瓦块、位于支撑瓦块径向内则的可倾瓦块、沿径向连接支撑瓦块与可倾瓦块的柔性阻尼件和由外部控制系统控制形成径向伸缩变形的压电陶瓷感应调节件，多孔质石墨块装在可倾瓦块内端，压电陶瓷感应调节件夹装在可倾瓦块和支撑瓦块之间并与外部控制系统信号传输连接，波纹导气管沿径向穿过轴承座、支撑瓦块和压电陶瓷感应调节件并与可倾瓦块联通。

优选的，所述的可倾瓦块的内端面上开有与多孔质石墨块相对应的导气凹槽，导气凹槽与波纹导气管联通，导气凹槽的内壁上具有沿轴向设置的凸起卡槽，多孔质石墨块上具有与凸起卡槽卡接配合的凸起卡条，凸起卡条卡入凸起卡槽中将多孔质石墨块嵌入导气凹槽中，并在多孔质石墨块的背面形成圆弧形的储气腔。

优选的，所述的凸起卡槽为横截面呈T型的条形凹槽，凸起卡条为横截面呈T型的卡条，导气凹槽一侧开设侧边开口，凸起卡条从侧边开口伸入至凸起卡槽中，侧边开口上垫有密封垫和密封垫压板，密封垫压板与可倾瓦块通过螺栓固定并压紧密封垫，密封垫压紧多孔质石墨块的圆弧形侧面，将多孔质石墨块沿轴向压紧在导气凹槽中。

优选的，所述的可倾瓦块上开设联通波纹导气管和导气凹槽的导气通孔，可倾瓦块的外端面设置与导气通孔联通的对接端环，波纹导向管的内端套在对接端环上。

优选的，所述的柔性阻尼件在压电陶瓷感应调节件的两侧对称设置，支撑瓦块的内端面和可倾瓦块的外端面上均开设用于连接柔性阻尼件的T型连接凹槽，柔性阻尼件的两端设置与T型连接凹槽相对应的T型连接端， 柔性阻尼件为沿径向呈波浪形状的不锈钢片。

优选的，所述的支撑瓦块的内端面和可倾瓦块的外端面均为平面，压电陶瓷感应调节件夹在支撑瓦块的内端面和可倾瓦块的外端面之间，包括随外部系统的信号控制沿径向伸缩变形的压电陶瓷块和用于感应轴承振动信号的PVDF传感器，压电陶瓷块套在波纹导气管外且与支撑瓦块的内端面贴合，PVDF传感器夹在压电陶瓷块与可倾瓦块之间，压电陶瓷块的连接线和PVDF传感器的连接线分别穿出轴承座与外部控制系统连接， PVDF传感器呈薄片形状且数量为两个，两个PVDF传感器在波纹导气管两侧对称设置。

优选的，所述的轴承座包括环形基座和盖在环形基座端面上的基座盖板，可倾瓦组件装在环形基座与基座盖板形成的空腔中，并与环形基座连接。

优选的，所述的支撑瓦块开设供波纹导气管穿过的支撑瓦块通孔，支撑瓦块的外端面上具有与支撑瓦块通孔联通的瓦块对接管，环形基座上具有与瓦块对接管相对应的基座对接管，瓦块对接管连接在基座对接管中，波纹导气管伸入基座对接管并穿过瓦块对接管进入至支撑瓦块通孔中。

优选的，所述的瓦块对接管通过差动螺栓连接在基座对接管中，差动螺栓呈供波纹导气管穿过的中空结构，瓦块对接管的自由端具有小螺距外螺纹，差动螺栓的内壁上具有与小螺距外螺纹配合的小螺距内螺纹，差动螺栓的外壁上具有大螺距外螺纹，基座对接管的内壁上具有与大螺距外螺纹配合的大螺距内螺纹，小螺距内螺纹的螺距小于大螺距内螺纹的螺距，差动螺栓螺纹配合伸入至基座对接管中并与瓦块对接管螺纹配合，瓦块对接管上具有对差动螺栓的进行限位的限位挡条，限位挡条设置在小螺距外螺纹的内侧，并随差动螺栓在基座对接管中的拧入而与差动螺栓端面接触。

以上所述的智能可倾瓦静压气体轴承的刚度阻尼特性动态调节方法，其特征在于：根据所述的智能可倾瓦静压气体轴承初始承载需求，调节可倾瓦组件中柔性阻尼件的数量和初始阻尼，以调节可倾瓦组件的初始刚度，在承载过程中通过压电陶瓷感应调节件实时采集轴承的振动信号，并传输至外部控制系统，外部控制系统对接收到的振动信号进行实时计算分析得出电压控制信号并传输至压电陶瓷感应调节件，以控制压电陶瓷感应调节件形成径向伸缩变形，调节柔性阻尼件的阻尼特性，形成对智能可倾瓦静压气体轴承的刚度阻尼特性的动态调节。

本发明的有益效果是：

本发明的智能可倾瓦静压气体轴承中柔性阻尼件沿径向连接支撑瓦块和可倾瓦块，为可倾瓦块提供初始转动刚度和径向刚度，在转子转动时吸收可倾瓦块的振动，使轴承具有刚度阻尼特性，并且在可倾瓦块和支撑瓦块之间夹装压电陶瓷感应调节件，实时感应轴承的振动信号并传输至外部控制系统，外部控制系统根据轴承的振动信号控制压电陶瓷感应调节件沿径向伸缩变形，以带动柔性阻尼部件径向变形，改变可倾瓦块的转动刚度、径向刚度和径向位置，实现对轴承刚度阻尼特性的动态调节，从而改变轴承-转子系统的临界频率，拓宽轴承-转子系统稳定运行的转速范围，提高轴承的承载能力，利用压电陶瓷感应调节件与外部控制系统的信号传输连接，形成对轴承的智能控制，提高转子转速复杂多变的轴承-转子系统的稳定性。

波纹导气管沿径向设置由外至内穿入并与可倾瓦块联通，波纹导气管可随柔性阻尼部件形成适应性变形，在导气的同时不会对可倾瓦块的运动形成干涉，并且形成高压气由外至内的径向导入，可有效提高导气可靠性和效率，降低气体泄漏率。

支撑瓦块通过差动螺母与环形基座连接，差动螺母与支撑瓦块上的瓦块对接管小螺距螺纹配合，与环形基座上的基座对接管大螺距螺纹配合，安装时通过差动螺母在基座对接管上的旋动，对支撑瓦块的径向位置进行调微，从而调整可倾瓦块与转子的间隙，便于根据转子的尺寸和承载需求，调节可倾瓦块的径向位置，提高轴承的安装效率，实现轴承间隙的精准调节，提升轴承的实用性，中空结构的差动螺母对波纹导气管形成支撑，有效防止波纹导气管的向端折弯，提高导气可靠性。

附图说明

图1为具体实施方式中智能可倾瓦静压气体轴承的剖视图。

图2为智能可倾瓦静压气体轴承的示意图。

图3为多孔质石墨块可倾瓦组件和压电陶瓷感应调节件的组合示意图。

图4为可倾瓦块的示意图。

图5为可倾瓦块的剖视图。

图6为多孔质石墨块的示意图。

图7为多孔质石墨块、可倾瓦组件和压电陶瓷感应调节件的分解示意图。

图8为柔性阻尼件的示意图。

图 9为差动螺栓的示意图。

图10为支撑瓦块的示意图。

图11为支撑瓦块的剖视图。

图12为环形基座的半剖图。

具体实施方式

下面结合图1~12本发明的实施例做详细说明。

智能可倾瓦静压气体轴承，包括轴承座1、装在轴承座1内的可倾瓦组件2、装在可倾瓦组件2上且呈圆弧形状的多孔质石墨块3和将气体导入至多孔质石墨块3上的波纹导气管4，可倾瓦组件2沿轴承座1周向均匀设置，其特征在于：所述的可倾瓦组件2包括贴合定位在轴承座1内壁上的支撑瓦块5、位于支撑瓦块5径向内则的可倾瓦块6、沿径向连接支撑瓦块5与可倾瓦块6的柔性阻尼件7和由外部控制系统控制形成径向伸缩变形的压电陶瓷感应调节件8，多孔质石墨块3装在可倾瓦块6内端，压电陶瓷感应调节件8夹装在可倾瓦块6和支撑瓦块5之间并与外部控制系统信号传输连接，波纹导气管4沿径向穿过轴承座1、支撑瓦块5和压电陶瓷感应8调节件并与可倾瓦块6联通。

以上所述的智能可倾瓦静压气体轴承中柔性阻尼件7沿径向连接支撑瓦块5和可倾瓦块6，为可倾瓦块6提供初始转动刚度和径向刚度，在转子转动时吸收可倾瓦块的振动，使轴承具有刚度阻尼特性，并且在可倾瓦块6和支撑瓦块5之间夹装压电陶瓷感应调节件8，实时感应轴承的振动信号并传输至外部控制系统，外部控制系统根据轴承的振动信号控制压电陶瓷感应调节件8沿径向伸缩变形，以带动柔性阻尼部件7径向变形，改变可倾瓦块的转动刚度、径向刚度和径向位置，实现对轴承刚度阻尼特性的动态调节，从而改变轴承-转子系统的临界频率，拓宽轴承-转子系统稳定运行的转速范围，提高轴承的承载能力，利用压电陶瓷感应调节件与外部控制系统的信号传输连接，形成对轴承的智能控制，提高转子转速复杂多变的轴承-转子系统的稳定性。波纹导气管4沿径向设置由外至内穿入并与可倾瓦块6联通，波纹导气管4可随柔性阻尼部件7形成适应性变形，在导气的同时不会对可倾瓦块的运动形成干涉，并且形成高压气由外至内的径向导入，可有效提高导气可靠性和效率，降低气体泄漏率。

其中，所述的可倾瓦块6的内端面上开有与多孔质石墨块3相对应的导气凹槽61，导气凹槽61与波纹导气管4联通，导气凹槽61的内壁上具有沿轴向设置的凸起卡槽62，多孔质石墨块3上具有与凸起卡槽卡接配合的凸起卡条31，凸起卡条31卡入凸起卡槽62中将多孔质石墨块3嵌入导气凹槽61中，并在多孔质石墨块3的背面形成圆弧形的储气腔63。多孔质石墨块3与可倾瓦块6通过凸起卡条31和凸起卡槽62的卡接配合连接，相比于粘接的连接方式，多孔质石墨块3的安装更方便，且不会从可倾瓦块6上脱落，提高多孔质石墨块3的安装稳定性，多孔质石墨块3背面的储气腔63使气体在多孔质石墨块3背面均匀分布，使气体均匀的分布在多孔质石墨块3的外表面，保证对轴转子的承载润滑效果。

其中，所述的凸起卡槽62为横截面呈T型的条形凹槽，凸起卡条31为横截面呈T型的卡条，导气凹槽61一侧开设侧边开口64，凸起卡条31从侧边开口64伸入至凸起卡槽62中，侧边开口64上垫有密封垫9和密封垫压板10，密封垫压板10与可倾瓦块6通过螺栓固定并压紧密封垫9，密封垫9压紧多孔质石墨块3的圆弧形侧面，将多孔质石墨块3沿轴向压紧在导气凹槽62中。将凸起卡条31与凸起卡槽62对齐后从侧边开口64沿轴向推入凸起卡槽62中即形成多孔质石墨块3与可倾瓦块6的连接，侧边开口64的开设实现多孔质石墨块3的快速安装，密封垫9压紧在多孔质石墨块3的侧边，密封垫压板10压紧密封垫9，从而将多孔质石墨3沿轴向压紧在导气凹槽62中，将导气凹槽61形成密封，减少储气腔63中气体的外泄率，提高轴承的阻尼可靠性。

其中，所述的可倾瓦块6上开设联通波纹导气管4和导气凹槽61的导气通孔65，可倾瓦块6的外端面设置与导气通孔联通的对接端环66，波纹导向管4的内端套在对接端环66上。对接端环66对波纹导气管4的内端进行定位，使波纹导向管4与导气通孔65保证对齐联通，高压气体从波纹导气管4进入经导气通孔65进入至储气腔63中，再经过多孔质石墨块3对转子形成润滑承载。

其中，所述的柔性阻尼件7在压电陶瓷感应调节件8的两侧对称设置，支撑瓦块5的内端面和可倾瓦块6的外端面上均开设用于连接柔性阻尼件8的T型连接凹槽51，柔性阻尼件7的两端设置与T型连接凹槽51相对应的T型连接端71，柔性阻尼件7为沿径向呈波浪形状的不锈钢片。T型连接凹槽51与T型连接端71的配合使柔性阻尼件7可沿轴向推入安装，快速将可倾瓦块6与支撑瓦块5连接，柔性阻尼件7为不锈钢材质，其厚度不同、波浪形状不同，使其初始阻尼不同，承载后其阻尼变形的过程中也不同，因此可通过调节柔性阻尼件7的厚度、形状或材质来调节其初始阻尼和轴承承载过程中的刚度阻尼特性。

其中，所述的支撑瓦块5的内端面和可倾瓦块6的外端面均为平面，压电陶瓷感应调节件8夹在支撑瓦块5的内端面和可倾瓦块6的外端面之间，包括随外部系统的信号控制沿径向伸缩变形的压电陶瓷块81和用于感应轴承振动信号的PVDF传感器82，压电陶瓷块81套在波纹导气管4外且与支撑瓦块5的内端面贴合，PVDF传感器82夹在压电陶瓷块81与可倾瓦块6之间，压电陶瓷块81的连接线和PVDF传感器82的连接线分别穿出轴承座1与外部控制系统连接， PVDF传感器82呈薄片形状且数量为两个，两个PVDF传感器82在波纹导气管4两侧对称设置。PVDF传感器82实时轴承的振动信号，包括轴承的振动频率和振动幅值，并传输至外部控制系统，外部控制系统对采用到的振动信号进行实时计算分析，判断轴承的运行状态并形成相应的电压控制信号发送至压电陶瓷块81，控制压电陶瓷块81沿径向伸缩变形，其中利用压电陶瓷块81 具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变，当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度，极化强度的增大使压电陶瓷块沿极化方向伸长，如果加反向电场,则电压陶瓷块沿极化方向缩短，形成逆压电效应，通过外部控制系统控制压电陶瓷块81的电压值使其产生径向伸缩变形，当转子转速增大，轴承振动频率和幅值提升时外部控制系统控制压电陶瓷块81沿径向伸长，从而带动柔性阻尼件7沿径向伸长变形，提高柔性阻尼件的阻尼，提升可倾瓦块的径向刚度、转动刚度，并将可倾瓦块6向内推动，减小轴承与转子间的间隙，提高轴承的稳定性，当转子转速下降，轴承振动频率和幅值下降时外部控制系统又会控制压电陶瓷块81沿径向回缩，从而使柔性阻尼件7沿径向回缩，通过柔性阻尼件7变形消耗轴承的振动能量，使轴承保持稳定，实现对轴承刚度阻尼特性的动态调节，从而改变轴承-转子系统的临界频率，拓宽轴承-转子系统稳定运行的转速范围，提高轴承的承载能力，利用压电陶瓷感应调节件8与外部控制系统的信号传输连接，形成对轴承的智能控制，提高转子转速复杂多变的轴承-转子系统的稳定性。

其中，所述的轴承座1包括环形基座11和盖在环形基座11端面上的基座盖板12，可倾瓦组件2装在环形基座11与基座盖板12形成的空腔中，并与环形基座11连接。基座盖板12对可倾瓦组件2形成轴向定位，防止可倾瓦块6、支撑瓦块5、柔性阻尼件7及压电陶瓷块81的相对轴向运动，对可倾瓦组件2形成包围，以保护可倾瓦组件2。

其中，所述的支撑瓦块5开设供波纹导气管穿过的支撑瓦块通孔52，支撑瓦块5的外端面上具有与支撑瓦块通孔52联通的瓦块对接管53，环形基座11上具有与瓦块对接管53相对应的基座对接管13，瓦块对接管53连接在基座对接管13中，波纹导气管4伸入基座对接管13并穿过瓦块对接管53进入至支撑瓦块通孔52中。支撑瓦块5对整个可倾瓦组件2形成支撑和定位，瓦块对接管53伸入基座对接管13并连接，将可倾瓦组件2定位在轴承座1上，同时也通过瓦块对接管53与基座对接管13的连接，形成了支撑瓦块5径向位置的可调结构，便于在安装时对可倾瓦块6的径向位置进行微调。

其中，所述的瓦块对接管53通过差动螺栓14连接在基座对接管13中，差动螺栓14呈供波纹导气管4穿过的中空结构，瓦块对接管53的自由端具有小螺距外螺纹531，差动螺栓14的内壁上具有与小螺距外螺纹531配合的小螺距内螺纹141，差动螺栓14的外壁上具有大螺距外螺纹142，基座对接管13的内壁上具有与大螺距外螺纹142配合的大螺距内螺纹131，小螺距内螺纹141的螺距小于大螺距内螺纹131的螺距，差动螺栓14螺纹配合伸入至基座对接管13中并与瓦块对接管53螺纹配合，瓦块对接管53上具有对差动螺栓的进行限位的限位挡条54，限位挡条54设置在小螺距外螺纹531的内侧，并随差动螺栓14在基座对接管53中的拧入而与差动螺栓14端面接触。从附图中可以看出，差动螺栓呈中空结构，内壁上具有小螺距内螺纹141，外壁上具有大螺距外螺纹142，小螺距内螺纹141与瓦块对接管53上的小螺距外螺纹531形成螺纹配合，大螺距外螺纹142与基座对接管13上的大螺纹内螺纹131形成螺纹配合，差动螺栓14将瓦块对接管53与基座对接管13连接，旋转差动螺栓14可以形成瓦块对接管53的径向位置调微，安装时通过差动螺母14在基座对接管13上的旋动，对支撑瓦块5的径向位置进行调微，从而调整可倾瓦块6与转子的间隙，便于根据转子的尺寸和承载需求，调节可倾瓦块6的径向位置，提高轴承的安装效率，实现轴承间隙的精准调节，提升轴承的实用性，中空结构的差动螺母14对波纹导气管4形成支撑，有效防止波纹导气管的向端折弯，提高导气可靠性。

本发明还提供一种以上所述的智能可倾瓦静压气体轴承的刚度阻尼特性动态调节方法，其特征在于：根据所述的智能可倾瓦静压气体轴承初始承载需求，调节可倾瓦组件2中柔性阻尼件的数量和初始阻尼，以调节可倾瓦组件2的初始刚度，在承载过程中通过压电陶瓷感应调节件8实时采集轴承的振动信号，并传输至外部控制系统，外部控制系统对接收到的振动信号进行实时计算分析得出电压控制信号并传输至压电陶瓷感应调节件8，以控制压电陶瓷感应调节件8形成径向伸缩变形，调节柔性阻尼件7的阻尼特性，形成对智能可倾瓦静压气体轴承的刚度阻尼特性的动态调节。

以上所述的刚度阻尼特性动态调节方法，柔性阻尼件7为可倾瓦块6提供初始转动刚度和径向刚度，在转子转动时吸收可倾瓦块的振动，使轴承具有刚度阻尼特性，可通过调节柔性阻尼件7的厚度、形状或材质来调节其初始阻尼和轴承承载过程中的刚度阻尼特性，并且在可倾瓦块6和支撑瓦块5之间夹装压电陶瓷感应调节件8，实时感应轴承的振动信号并传输至外部控制系统，外部控制系统根据轴承的振动信号控制压电陶瓷感应调节件8沿径向伸缩变形，以带动柔性阻尼部件7径向变形，改变可倾瓦块的转动刚度、径向刚度和径向位置，实现对轴承刚度阻尼特性的动态调节，从而改变轴承-转子系统的临界频率，拓宽轴承-转子系统稳定运行的转速范围，提高轴承的承载能力，利用压电陶瓷感应调节件与外部控制系统的信号传输连接，形成对轴承的智能控制，提高转子转速复杂多变的轴承-转子系统的稳定性。

以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。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的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。