專利名稱：主動控制彎扭耦振電液式周向加載執(zhí)行器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機械振動及其控制領域，具體涉及以流體作為介質傳遞動力，用電液控制方式來控制旋轉軸系低頻彎曲扭轉及其耦合振動的主動減振技術。
背景技術：
目前，在機械動力學(振動)及其控制領域中，主動控制技術已經(jīng)成為研究的熱點。振動主動控制系統(tǒng)同普通反饋控制系統(tǒng)一樣可分為四部分I.控制對象即振動體；II.振動信號采集器；III.控制器；IV.執(zhí)行器。其中實現(xiàn)控制目標函數(shù)的控制器與加載控制力的執(zhí)行器是設計開發(fā)振動主動控制系統(tǒng)的兩個關鍵點。已知，針對不同的軸系振動形式有不同的加載控制力的執(zhí)行器①通過改變油膜特性控制軸系彎曲振動的可控擠壓油膜軸承；②通過介質傳遞控制力調整軸系彎曲振動的靜壓軸承與空氣靜壓軸承；③通過調節(jié)介質阻尼控制彎曲振動的可變阻尼軸承；④通過利用材料特性，控制各類輕質量體的縱向振動的磁致伸縮、超磁致伸縮材料軸承、可控壓電晶片支承；⑤電磁軸承——該類執(zhí)行器通過調節(jié)電磁力平衡轉子重力與質量偏心以消減彎曲振動，也可通過改變軸承的阻尼和剛度或者施加附加電磁力矩來調節(jié)扭轉振動，可以用于高頻振動主動控制加載，而且無接觸、無需潤滑，可以實現(xiàn)多種控制策略，但所要求的控制系統(tǒng)極其復雜，目前已有的可控電磁軸承屬小功率電磁裝置，傳遞加載力矩較低，在研究中的大功率電磁系統(tǒng)不僅笨重、昂貴、長期運行也不太可靠，而且附加強電磁場又受環(huán)境影響或者對環(huán)境產(chǎn)生影響，同時在動力裝置中無法承受瞬時過載，因此可以控制彎曲扭轉耦合振動的電磁軸承作為執(zhí)行器只適合對實驗系統(tǒng)或者小型振動系統(tǒng)的主動控制加載。另外，前四種支承形式的加載控制力執(zhí)行器無法消減軸系的扭轉振動；而且，這些執(zhí)行器中油膜類軸承在運行中容易產(chǎn)生油膜失穩(wěn)、半速渦動甚至激發(fā)油膜振蕩；磁致伸縮、超磁致伸縮與壓電晶片等材料類支承，能夠加載的控制力極小。本實用新型的提出利用靜壓軸承、動壓軸承、恒壓供油、斜楔噴射的原理，解決上述存在的各種問題，主要是解決已有的各類執(zhí)行器無法同時考慮彎曲、扭轉兩類振動平穩(wěn)地提供足夠大的控制力和力矩的問題。

發(fā)明內容
本實用新型的目的是為解決現(xiàn)有旋轉軸系振動主動控制執(zhí)行裝置中電磁類、壓電類執(zhí)行器的加載力偏低，受環(huán)境影響大，控制系統(tǒng)復雜以及油膜軸承類壓電類、磁致伸縮材料類執(zhí)行器無法控制扭轉振動，且油膜軸承類存在油膜失穩(wěn)的問題等，而提供一種主動控制彎曲振動、扭轉振動電液式周向加載執(zhí)行裝置。
本實用新型通過以下技術方案予以實現(xiàn)，以下參照附圖1～附圖4對本實用新型的結構、原理進行詳述。
主動控制彎扭耦振電液式周向加載執(zhí)行器，主要由供油系統(tǒng)、恒壓系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)以及回油系統(tǒng)構成。參照附圖1，從功能結構上這四個系統(tǒng)為由閉式油箱20、低壓油泵21、電磁旁通閥18、潤滑油精濾器22、高壓滑油泵23等構成供油系統(tǒng)，向高壓恒壓容器9提供高壓油；由高壓恒壓容器9、蓄能器13、電液調壓閥組16、電磁限壓閥17等構成恒壓系統(tǒng)，為噴射系統(tǒng)提供一定壓力的液體介質；由軸承座1上的進油孔7、軸承2上的噴油口錐形前導孔6、軸承2上的斜噴油口5、高壓軟管3、噴油換向控制閥組4等組成噴射系統(tǒng)，向旋轉振動軸噴射壓力油，借助液體油傳遞動力減振；由軸承2上的回油槽10、軸承2上的回油孔11、軸承座1上的回油孔12、電磁卸荷閥14，回油冷凝器15，潤滑油粗濾器19，閉式油箱20等構成回油系統(tǒng)，其作用為帶背壓回油。
軸承座1及其軸承2的結構特征參照附圖2。在軸承2的兩個平行軸截面上沿圓周反向分別從外到內斜開有三個斜噴油口5(每個平截面上的斜噴油口為三個或三個以上，開口位置在圓周上均分，兩個截面上噴油口個數(shù)相等，以下以每個軸截面上斜噴油口數(shù)量為三個做說明)和錐形前導孔6，斜噴油口5的前端為錐形前導孔6(在yoz平面上，軸承座左端三個斜噴油口記為5-1、5-2、5-3，右端三個記為5-4、5-5、5-6，六個噴油口分別在兩個平面內，兩平面相距為b，b依據(jù)軸承內徑d與外經(jīng)D而定；對應于斜噴油口的錐形前導孔分別記作6-1、6-2、6-3和6-4、6-5、6-6)。軸承2上的錐形前導孔6與軸承座1上的進油孔7(對應于前導孔位置分別記作7-1、7-2、7-3和7-4、7-5、7-6)相通；錐形前導孔6靠近斜噴油口5的一端小，靠近進油孔7的一端大，錐度由噴油量與噴油壓力決定。斜噴油口5-1、5-4相對于軸承座中垂線的偏角為α，其取值范圍為0～90°，斜噴油口5-1及其相對應的順時針斜前導孔與斜噴油口5-4及其相對應的逆時針斜前導孔相對于偏角α的極角邊對稱，噴油口5-4錐形前導孔6-4的中心線相對于偏角α的極角邊的偏角為β，其取值范圍為0～90°。在xoy平面上逆z向看，5-1、5-2、5-3斜噴油口及其錐形前導孔沿著順時針方向開，5-4、5-5、5-6斜噴油口及其錐形前導孔則沿著逆時針方向開。在xoy平面上投影，軸承2上的斜噴油口5-1、5-4，錐形前導孔6-1、6-4以及各自相連的軸承座1上的進油孔7-1、7-4，關于軸承中心與5-1、5-4尖端的連線對稱，5-1、5-4與5-2、5-5和5-3、5-6在xoy平面上看相對于軸承中心均布。軸承2上的回油槽10與軸承2上的回油孔11軸承座1上的回油孔12通過?；赜筒?0的中心線相對于軸承中心的極角記為θ。對于工作過程中雙向轉動的轉軸的振動施加控制力，以上結構參數(shù)范圍取值為α＝90°，0≤β≤-90°(負號表示在極坐標中順時針方向，不記方向則為0≤β≤90°，下同)，-165°＜θ1＜-240°、-15°＜θ2＜60°(即在xoy平面內對稱布置兩個回油槽，且兩個回油槽分別在5-2、5-5和5-3、5-6噴油口的上方，-165°＜θ1＜-240°不記方向則為120°＜θ1＜195°)；對于工作過程中單向轉動(如圖2所示，在xoy平面逆z向看，按照順時針方向轉動)的轉軸振動施加控制力，以上結構參數(shù)范圍取值為0＜α＜90°，0≤β≤-90°，-115°＜θ＜-(225°-α)(其中，-115°＜θ＜-(225°-α)按逆時針方向記則為(α+135°)＜θ＜245°內)。在以上結構中，如果使用空氣作為傳遞動力的介質則不用開回油槽，直接由軸承側隙排氣。高壓恒壓容器6到噴油口3的距離通過與噴油換向控制閥組2相連的高壓軟管調節(jié)。
噴油換向控制閥組4結構特征參照附圖3。噴油換向控制閥組4由三只兩位兩通換向閥4-1、4-2、4-3與一只電磁控制的三位九通控制換向噴油閥4-4構成，換向閥2-1、2-2、2-3為電液復合控制順序動作換向閥，屬普通高壓換向閥，噴油閥4-4為電磁控制彈簧復位三位九通換向閥，屬特制三位九通換向閥，兩類閥之間可用高壓軟管聯(lián)接，也可做成一體，其間開卸荷油路，換向閥4-1、4-2、4-3的進油口接高壓恒壓容器9，噴油閥4-4閥的六個出口端接軸承座上的噴油管路，聯(lián)接順序為4-4閥從左到右接軸承座1對應軸承的5-1、5-2、5-3、5-6、5-5、5-4噴油口。三個換向閥4-1、4-2、4-3控制噴油閥4-4的三個進油口的導通狀態(tài)，換向閥4-4噴油控制振動軸30的扭振或彎振以及油膜特性。從高壓恒壓容器9到噴油口5的距離由連接閥組4與容器9的高壓油管和連接閥組4和軸承座1的高壓軟管3調節(jié)，以此保證噴油口出口壓力一致。
在包含本實用新型的軸系振動主動控制系統(tǒng)中由閉式油箱20、低壓油泵21、電磁旁通閥18、潤滑油精濾器22、高壓滑油泵23、高壓恒壓容器9、蓄能器13、電磁限壓閥17、電液調壓閥組16、溫度傳感器24、壓力傳感器25、噴油換向控制閥組4、軸承座1、軸承2、電磁卸荷閥14、回油冷凝器15、潤滑油粗濾器19以及相應的高壓軟管和高壓油管、低壓油管等構成本實用新型執(zhí)行器(圖4中的虛線部分)。傳感器及其信號檢測系統(tǒng)26將采集振動軸30的振動信號以及通過溫度傳感器24、壓力傳感器25檢測到高壓恒壓容器9的介質狀態(tài)參數(shù)反饋給控制器27，再由控制器27對本實用新型執(zhí)行系統(tǒng)提供一下四種控制作用(I)控制低壓油泵21、高壓油泵23起停供油；(II)控制調壓閥17、限壓閥組16、蓄能器13保證供油壓力；(III)控制噴油閥組4按需噴油；(IV)控制回油卸荷閥14與冷凝器15工作保證回油背壓與回油溫度。
本實用新型利用了力的合成與分解作用原理，靜壓軸承、動壓軸承運行條件與原理，伺服油路與限壓閥、調壓閥、蓄能器組合恒壓原理(I)力的合成與分解作用原理通過調節(jié)噴油閥組4的各閥導通油路可以得到(在xoy平面上，逆z向看)加載在軸上的順時針扭矩逆時針扭矩以及任意方向的合力(具體情況見“具體實施方式
”中噴油消振階段的四種狀態(tài)部分說明)。(II)靜壓軸承、動壓軸承運行條件與原理保證一定回油背壓的條件下噴油口不噴油、原有軸頸與軸承間有充油相對運行的斜楔，于是軸系可以工作在動壓軸承狀態(tài)；噴油時軸系可以工作在半靜壓軸承工作狀態(tài)，噴油系統(tǒng)提供壓力足夠大時可以工作在完全靜壓軸承狀態(tài)。(III)伺服油路與閥組組合恒壓原理噴油口執(zhí)行按需噴油完全由噴油閥組4的各伺服閥完成；限壓閥、調壓閥、蓄能器以及高壓恒壓容器組合使用保證噴油壓力恒定。據(jù)此本實用新型不工作時原軸系運行在動壓軸承狀態(tài)，如有軸系的彎曲振動扭轉振動、軸承的油膜失穩(wěn)等狀況發(fā)生，則可啟用本實用新型執(zhí)行器憑借液體(或者氣體)介質傳遞控制力加載于軸系以調節(jié)。
本實用新型的有益效果在于主動控制軸系彎曲振動、主動控制軸系扭轉振動，解決了目前已有的軸系振動主動控制執(zhí)行器同時控制彎曲、扭轉振動時需要組合使用的問題；依據(jù)所需由高壓油提供較大的液力，解決了目前已有電磁類執(zhí)行器加載力偏低問題；調節(jié)軸系油膜失穩(wěn)，解決目前動壓軸承類執(zhí)行器易產(chǎn)生油膜失穩(wěn)問題；控制簡單，解決目前電磁類執(zhí)行器要求控制器復雜成本高的問題另外基于對軸承座安裝，只需要改變軸承的供油結構，因而不受在振動軸系中安裝位置限制；該系統(tǒng)既可以針對彎曲振動、又可以針對扭轉振動提供液力，而且傳遞液力的液體的溫度、壓力可以依據(jù)需要實時調節(jié)；該系統(tǒng)可以克服動壓油膜軸承的油膜失穩(wěn)，從而防止油膜振蕩；該系統(tǒng)依據(jù)檢測到的軸系振動信號以液體為介質傳遞動力加載于振動軸上，通過電液換向閥組控制噴油時間長短與間隔可以方便的控制加載力的時間，達到消減振動的目的。


圖1為本實用新型的結構以及油路圖。
圖2為本實用新型的軸承座及其軸承結構圖。
圖3為本實用新型的噴油換向控制閥組符號圖。
圖4為包含本實用新型的彎曲扭轉耦合振動主動控制系統(tǒng)圖。
圖1中1-軸承座；2-軸承；3-高壓軟管；4-噴油換向控制閥組；5-軸承上的斜噴油口(5-1、5-2、5-3為左邊三個噴油口，5-4、5-5、5-6為右邊三個噴油口)；6-軸承上噴油口的錐形前導孔(對應5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6分別為6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6)；7-軸承座上的進油孔(對應6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6分別為7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、7-6)；8-高壓油管；9-高壓恒壓容器；10-軸承上的回油槽；11-軸承上的回油孔；12-軸承座上的回油孔；13-蓄能器；14-卸荷閥；15-回油冷凝器；16-電液調壓閥組；17-電磁限壓閥；18-電磁旁通閥；19-潤滑油粗濾器；20-閉式油箱；21-低壓油泵；22-潤滑油精濾器；23-高壓滑油泵；24-溫度傳感器；25-壓力傳感器。
圖2中1——軸承座；2——軸承；30——振動軸；5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6——軸承上2斜噴油口；6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6——軸承2上對應于斜噴油口5的錐形前導孔；7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、7-6——軸承座1上對應于前導孔6的進油孔；10——軸承2上的回油槽；11——軸承2上的回油孔；12——軸承座1上的回油孔；b——斜噴油口5-1、5-2、5-3所在的軸截面與斜噴油口5-4、5-5、5-6所在的軸截面之距；d——軸承內孔徑；D——軸承外徑；α——5-1與5-4噴油口尖端相對于軸承中心的極角；β——噴油口5-4的前導孔6-4的中心線相對于α的極角邊的偏角(噴油口5-1及其前導孔6-1相對于α的極角邊與5-4及其6-4對稱，其它兩對即5-2、5-5和5-3、5-6與5-1、5-4相對于軸承中心均布)；θ——回油槽10的中心線極角。
圖3中4-1、4-2、4-3——電液復合控制順序動作換向閥；4-4——電磁控制彈簧復位三位九通換向閥。
圖4中1-軸承座；2-軸承；3-高壓軟管；4-噴油換向控制閥組；5-軸承2上的斜噴油口；8-高壓油管；9-高壓恒壓容器；10-軸承2上的回油槽；13-蓄能器；14-卸荷閥；15-回油冷凝器；16-電液調壓閥組；17-電磁限壓閥；18-電磁旁通閥；19-潤滑油粗濾器；20-閉式油箱；21-低壓油泵；22-潤滑油精濾器；23-高壓滑油泵；24-溫度傳感器；25-壓力傳感器；26-信號采集器；27-振動主動控制器；30-彎曲扭轉耦合振動軸；帶箭頭的單實線表示信號線；帶箭頭的雙實線表示油路(與9、4相連為高壓油路，其它為低壓油路)；1與30之間的雙虛線表示以液體為介質傳遞力的作用線。
具體實施方式
參照附圖4，軸系30的彎曲、扭轉振動信號由傳感器及其信號檢測系統(tǒng)26采集經(jīng)相應的調理電路傳至控制器27，再由控制器27依據(jù)控制目標函數(shù)與相應的控制律對本實用新型執(zhí)行器發(fā)出控制信號控制執(zhí)行系統(tǒng)動作，執(zhí)行系統(tǒng)通過介質傳遞控制力加載到軸上以此消減、抑制振動。
本實用新型執(zhí)行系統(tǒng)具體工作過程與狀態(tài)如下。
I.噴油準備階段噴油換向控制閥組4中各閥截止，即如附圖3所示4-4閥停在左位，4-1、4-2、4-3閥停在中位；低壓油泵21開啟，高壓油泵23開啟；限壓閥17設定值，調壓閥組16調定值；蓄能器13按照調壓閥組16設定值蓄高壓油；卸荷閥14關閉。
II.噴油消振階段這一階段分如下四種狀態(tài)，(a)傳感器及其信號檢測系統(tǒng)26采集到振動軸系30上發(fā)生扭轉振動，在xoy平面上逆著z向看(涉及旋向，以下同)，存在順時針扭矩激勵，4-4閥左位導通，在一定時間(約0.01秒)后4-3閥右位導通，5-45-5、5-6斜噴油口噴油，施加逆時針扭矩于軸上；(b)傳感器及其信號檢測系統(tǒng)26采集到振動軸系30上發(fā)生扭轉振動，且由逆時針扭矩激勵引起，4-4閥左位導通，在一定時間后4-1閥右位導通，5-1、5-2、5-3油口噴油，施加順時針扭矩于軸上；(c)傳感器及其信號檢測系統(tǒng)26采集到振動軸系30上發(fā)生彎曲振動，且由向上的彎曲激勵引起，4-4閥右位導通，在一定時間后4-1閥右位導通，5-1、5-4油口噴油，施加向下的力于軸上；(d)傳感器及其信號檢測系統(tǒng)26采集到振動軸系30上發(fā)生彎曲振動，且由向下的彎曲激勵引起，4-4閥右位導通，在一定時間后4-3、4-2閥右位導通，5-3、5-6與5-2、5-5油口噴油，施加向上的力于軸上。其它方向的彎曲激勵也可通過調節(jié)噴油換向控制閥組4中各閥導通截止狀態(tài)以及調節(jié)高壓恒壓容器9中油壓大小來由5-1、5-4、5-2、5-5、5-3、5-6噴油傳遞的液力合成消減以上各種狀態(tài)中供油系統(tǒng)與恒壓系統(tǒng)照常工作，即低壓油泵21開啟，高壓油泵23開啟，限壓閥17設定值，調壓閥組16按噴油壓力需要調定壓力值，蓄能器13按照調壓閥16設定值蓄高壓油。
III.背壓回油階段各噴油口5-1、5-4、5-2、5-5、5-3、5-6有油噴射時，卸荷閥14開啟卸油，回油冷凝器15起動保證回油溫度在一定值內；5-1、5-4、5-2、5-5、5-3、5-6噴油口沒有油噴射時，卸荷閥14關閉保證軸承內壁有一定背壓。
軸承座下體采用鑄鋼如ZG270-500，上蓋采用灰鑄鐵如HT200、HT250等；對于大型轉子軸系，與斜噴油口及其錐形前導孔相連的噴油管路以及回油管路可采用預埋鋼管鑄造，對于小型軸系可采用鉆孔加工；斜噴油口及其錐形前導孔采用精細加工保證內壁光滑清潔。
權利要求1.主動控制彎扭耦振電液式周向加載執(zhí)行器，主要由供油系統(tǒng)、恒壓系統(tǒng)、回油系統(tǒng)以及噴射系統(tǒng)構成，其特征在于所述的噴射系統(tǒng)是由軸承座(1)、軸承(2)、高壓軟管(3)和噴油換向控制閥組(4)組成，在軸承(2)的兩個平行軸截面上沿圓周反向分別開有三個斜噴油口(5)，斜噴油口(5)的前端為錐形前導孔(6)，前導孔(6)與軸承座(1)上相應的進油孔(7)相通，進油孔(7)通過高壓軟管(3)與噴油換向控制閥組(4)連接，閥組(4)通過高壓油管(8)接至高壓恒壓容器(9)。
2.按照權利要求1所述的主動控制彎扭耦振電液式周向加載執(zhí)行器，其特征在于所述的軸承(2)的軸截面上開有六個斜噴油口(5)其中斜噴油口(5-1)、斜噴油口(5-2)、斜噴油口(5-3)按順時針方向開口，均分在一個平截面上，另外三個斜噴油口(5-4)、(5-5)、(5-6)按逆時針方向開口，均分在另一平截面上，斜噴油口(5-1)、(5-4)的尖端相對于軸承座中垂線的偏角為α，其取值范圍為0～90°，順時針斜噴油口(5-1)及其相對應的前導孔(6-1)與逆時針斜噴油口(5-4)及其相對應的前導孔(6-4)相對于偏角α的極角邊對稱，錐形前導孔(6)的中心線與偏角α的極角邊之間的夾角為β，其取值范圍為0～90°，斜噴油口(5-3、5-6)的下方開有一組回油槽(10)及回油孔(11)，回油槽(10)的中心線相對于軸承中心的極角為θ，其取值范圍為(α+135°)＜θ＜245°。
3.按照權利要求1或2所述的主動控制彎扭耦振電液式周向加載執(zhí)行器，其特征在于回油槽(10)及回油孔(11)也可為兩組，分別開在斜噴油口(5-3)、(5-6)與斜噴油口(5-2)、(5-5)的上方，回油槽中心線相對于軸承中心極角θ分別為-15°～60°、120°～195°。
4.按照權利要求1所述的主動控制彎扭耦振電液式周向加載執(zhí)行系統(tǒng)，其特征在于所述的噴油換向控制閥組(4)由三個兩位兩通換向閥(4-1)、(4-2)、(4-3)和一個三位九通控制噴油閥(4-4)組成，三個兩位兩通換向閥(4-1)、(4-2)、(4-3)為電液復合控制換向閥，三位九通控制噴油閥(4-4)為電磁控制該閥，兩類閥之間可用高壓軟管聯(lián)接，也可做成一體，其間開卸荷油路，三個換向閥(4-1)、(4-2)、(4-3)控制噴油閥(4-4)三個進油口的導通狀態(tài)，換向閥(4-1)、(4-2)、(4-3)的進油口通過高壓油管(8)接至高壓恒壓容器(9)，噴油閥(4-4)六個出口端通過高壓軟管(3)、軸承座(1)上的進油孔(7)與斜噴油口(5)相通，噴油閥(4-4)六個出口端按照從左到右的順序接至六個斜噴油口(5-1)、噴油口(5-2)、噴油口(5-3)、噴油口(5-6)、噴油口(5-5)和噴油口(5-4)。
5.按照權利要求1所述的主動控制彎扭耦振電液式周向加載執(zhí)行器，其特征在于高壓恒壓容器(9)到噴油口(5)的距離通過高壓恒壓容器(9)與噴油換向控制閥組(4)之間的高壓油管(8)、噴油換向控制閥組(4)與進油孔(7)之間的高壓軟管(3)調節(jié)。
專利摘要主動控制彎扭耦振電液式周向加載執(zhí)行器，涉及以流體為介質傳遞動力來控制彎曲扭轉耦合振動的主動減振技術。本實用新型由供油、恒壓、回油以及噴射系統(tǒng)構成，噴射系統(tǒng)是由軸承座、軸承、噴油換向控制閥組和高壓軟管等組成。在軸承上開兩組斜噴油口及其錐形前導孔，前導孔與軸承座上相應的進油孔相通，進油孔通過高壓軟管與噴油換向控制閥組連接，閥組通過高壓油管接至高壓恒壓容器。本實用新型依據(jù)檢測到的軸系振動信號以液體介質傳遞動力加載于振動軸上，同時控制軸系彎振、扭振，能提供較大的液力，調節(jié)軸系油膜失穩(wěn)，主體安裝軸承座上，不受在軸系中安裝位置限制，通過電液換向閥組控制噴油時間長短與間隔控制加載力，達到減振的目的。
文檔編號F16F15/02GK2743618SQ20042002926
公開日2005年11月30日 申請日期2004年7月1日 優(yōu)先權日2004年7月1日
發(fā)明者張俊紅, 于鎰隆 申請人:天津大學