可倾瓦推力轴承减振功能研究

郭富贵1何思聪2赵园满3陈楚伟4邓勇5

摘要：论文针对高速工作条件下可倾瓦推力轴承所面临的振动问题，从减振设计到高效减振机制，进行了深入分析。论文首先介绍了可倾瓦推力轴承的基本原理以及振动与减振理论，阐述了减振设计的重要性。随后，详细讨论了主动控制策略、基于智能材料的减振机制以及集成能量吸收器的设计与优化，为可倾瓦推力轴承的减振设计提供了新思路和方法。

关键词：可倾瓦推力轴承；主动控制；智能材料；能量吸收器

1引言

随着工业技术的不断进步和应用领域的不断拓展，机械设备在各行各业中扮演着至关重要的角色。而在机械设备中，轴承作为支持和传递载荷的关键部件，其性能对整个系统的稳定性、可靠性以及寿命都具有重要影响。特别是在高速、高负荷、高精度等恶劣工况下，轴承的运行状态更是要求极高。然而，在这些极端工况下，振动问题往往是制约轴承性能的主要因素之一。

本论文旨在研究具有高效减振功能的可倾瓦推力轴承，以提升其在高速工作条件下的稳定性和可靠性。论文将从基本原理、振动与减振理论、先进减振技术等方面入手，通过对可倾瓦推力轴承的减振设计和高效减振机制的研究，探索提升轴承性能的途径。

2相关技术与理论

2.1可倾瓦推力轴承的基本原理

可倾瓦推力轴承是一种重要的轴承类型，其在高速机械系统中扮演着关键的角色。其基本原理是通过可倾斜的轴承面，实现在承载径向载荷的同时，允许轴向位移。这种设计使得可倾瓦推力轴承能够适应机械系统在不同工况下的复杂载荷分布。其工作原理如下[1]：

当承受径向载荷时，轴承受力分布会导致可倾斜的轴承面倾斜，从而使轴向空间出现轴向位移。而当承受轴向载荷时，轴承面的倾斜角度将会发生相应的变化，从而允许轴向位移的发生。这种设计不仅提供了较大的径向和轴向载荷承载能力，还具备了一定的自适应能力，能够应对动态工作状态下的复杂载荷变化。

然而，可倾瓦推力轴承在高速工作时也会面临振动问题。由于其特殊的结构，轴承内部的油膜动力学行为对振动的产生和传播有着重要影响。在高速运行时，轴承受到的惯性力、压力脉动以及油膜刚度变化等因素会导致振动的不断增加。因此，理解可倾瓦推力轴承的基本原理以及振动产生机制，对于设计高效的减振方法至关重要。

2.2振动与减振理论

振动问题是机械系统中普遍存在的一个问题，它不仅会影响系统的工作稳定性和性能，还可能导致零部件的疲劳损伤和寿命缩短。振动的产生与机械系统的各种因素有关，包括激励力、结构刚度、质量分布等。振动问题的解决需要深入理解振动的产生机制和传播路径。

常见的振动减缓方法包括被动和主动两种。被动振动减缓方法主要通过结构设计、减振器的添加以及材料的选择等来降低振动的幅度。而主动振动控制则是通过反馈控制系统实时调整系统的工作状态，以抑制振动的发生和传播。被动方法通常适用于固定工况下的振动控制，而主动控制方法则能够适应不断变化的工作条件，提供更加灵活和精确的振动控制效果。

2.3先进减振技术综述

随着科技的进步，先进的振动减振技术不断涌现，为解决机械系统中的振动问题提供了新的思路和方法。其中，主动控制策略是一种重要的技术手段。通过实时监测机械系统的振动状态，反馈控制系统可以精确调整系统的工作参数，实现振动的主动抑制。这种方法不仅适用于机械系统，还在航空航天、建筑结构等领域得到了广泛应用。

另一种先进的振动减振技术是基于智能材料的机制。智能材料具有特殊的力学和电学性质，可以在外界激励下实现形变和能量吸收。通过在机械系统中应用智能材料，可以将振动能量转化为其他形式的能量，从而实现振动的吸收和消散。这种技术不仅可以降低振动的幅度，还可以减少能量的损失，提高系统的能源利用率。

集成能量吸收器也是一种有效的振动控制方法。能量吸收器通过调节其自身的特性，在机械系统中消耗振动能量，从而实现振动的减缓。通过优化能量吸收器的设计，可以实现更好的振动控制效果。

3可倾瓦推力轴承减振设计

3.1减振设计的重要性

可倾瓦推力轴承在高速工作条件下常常会受到振动的困扰，这不仅会影响其性能和寿命，还可能对整个机械系统产生负面影响。因此，在设计可倾瓦推力轴承时，考虑振动减缓是至关重要的。减振设计可以有效降低轴承受力、减少油膜动力学变化，从而减小振动的产生。

3.2减振装置的集成设计

为了实现可倾瓦推力轴承的减振设计，可以考虑在轴承结构中集成减振装置。这种方法可以将减振装置与轴承紧密结合，实现振动的主动控制和吸收。一种常见的减振装置是液体阻尼器，它可以通过流体的黏滞阻尼特性来消散振动能量。在集成设计中，需要考虑液体阻尼器的位置、数量、流体特性等因素，以达到最佳的减振效果。

另一种减振装置是弹簧-阻尼器系统，它由弹簧和阻尼器组成，可以通过弹簧的弹性和阻尼器的耗能特性来实现振动的消除[2]。在设计中，需要选取合适的弹簧刚度和阻尼器的特性，以满足不同工况下的振动控制需求。

4高效减振机制研究

4.1主动控制策略介绍

主动控制策略是一种有效的振动减缓方法，可以通过实时监测系统的振动状态，采取相应的控制措施来抑制振动的发生和传播。在可倾瓦推力轴承中，引入主动控制策略可以有效减小振动的幅度，提高轴承的稳定性和性能。常见的主动控制策略见表1。

表1常见主动控制策略

主动控制减振策略	策略描述
反馈控制 (PID 控制)	利用实时监测到的振动信号，通过比例、积分和微分控制来调节轴承的工作参数，以抑制振动的产生和传播。
模糊控制	基于模糊逻辑的控制方法，根据振动信号的模糊规则进行调整，适应不同工况下的振动控制需求。
自适应控制	通过实时监测振动信号，根据系统的动态特性自适应地调整控制参数，实现振动的主动控制。
前馈控制	在事先了解系统的振动特性的基础上，通过预先采取控制措施，如施加外部力或调整系统的刚度，以减小振动的发生。
LQR 控制	线性二次调节控制方法，通过优化控制器的权重矩阵，使系统的性能指标达到最优，从而实现振动的有效控制。

4.2基于智能材料的减振机制

智能材料在减振领域具有广泛的应用前景。这些材料可以在外界激励下实现形变和能量吸收，从而实现振动的控制。在可倾瓦推力轴承中，引入智能材料的减振机制可以有效消除振动，提高轴承的工作稳定性。应用在减振方向的主要的智能材料见表2。

表2基于智能材料的减振机制

智能材料减振机制	机制描述
压电材料减振	将压电材料集成到轴承结构中，当材料受到机械激励时，产生电压信号，并通过反馈控制系统调整轴承的工作参数，实现振动的主动控制。
磁流变液体减振	将磁流变液体置于轴承内部，通过外加磁场改变流体的黏滞特性，实现能量的吸收和耗散，从而降低振动的幅度。
形状记忆合金减振	利用形状记忆合金的形状变化特性，在外界激励下实现材料的形变，将机械能转化为其他形式的能量，从而减小振动的传播。
纳米材料减振	利用纳米材料的特殊性质，如高比表面积和可调节性质，将其引入轴承结构中，实现振动的控制和消散，从而提高轴承的稳定性和减振效果。

4.3集成能量吸收器的设计与优化

能量吸收器是一种有效的减振装置，可以通过消耗振动能量来实现振动的减缓。在可倾瓦推力轴承中，将能量吸收器集成到轴承结构中，可以实现振动的主动控制和能量的有效消散。常见的能量吸收器类型见表3。

表3 能量吸收器类型

能量吸收器类型	特点和机制描述
液体阻尼能量吸收器	将液体阻尼器集成到轴承结构中，通过流体的黏滞特性来实现能量的吸收和耗散，从而减小振动的传播和幅度。
磁流变液体能量吸收器	在轴承内部引入磁流变液体，通过外加磁场改变流体的黏滞特性，实现能量的吸收和消散，从而降低振动的幅度。
负刚度能量吸收器	通过设计轴承结构使其在受到外界激励时产生负刚度特性，使系统能够主动吸收和消耗振动的能量，从而实现振动的减缓。
弹性-塑性能量吸收器	引入弹性-塑性材料，当受到外界激励时，材料在弹性和塑性之间的切换产生能量耗散，从而实现振动的减缓。

能量吸收器的设计与优化是一个复杂的工程问题，需要考虑多个因素，包括吸收器的材料、结构、特性等。一种常见的能量吸收器是基于负刚度特性的设计，它可以在系统受到激励时产生负刚度效应，从而消耗振动能量。另一种设计是基于液体阻尼器的能量吸收器，它通过流体的黏滞特性来实现能量的消耗。在设计中，需要考虑吸收器的刚度、阻尼特性、材料的选择等因素，以实现最佳的减振效果。

5结论

本论文主要探讨了具有高效减振功能的可倾瓦推力轴承的研究。通过对可倾瓦推力轴承的基本原理、振动与减振理论、先进减振技术的探讨，以及减振设计和高效减振机制的研究，旨在提升可倾瓦推力轴承在高速工作条件下的稳定性和可靠性。

（1）论文介绍了可倾瓦推力轴承的基本原理，解释了其工作机制以及在高速工况下可能面临的挑战。随后，深入探讨了振动与减振理论，介绍了常见的振动产生机制和减振方法。论文分析了主动控制策略、基于智能材料的减振机制以及集成能量吸收器的设计与优化。

（2）论文详细讨论了可倾瓦推力轴承的减振设计。通过在轴承结构中集成减振装置，可以实现振动的控制和消除。介绍了数值模拟和优化方法在减振设计中的应用，以及实验验证与结果分析的重要性。这些内容为可倾瓦推力轴承的减振设计提供了理论和实践支持。

（3）在高效减振机制研究方面，论文探讨了主动控制策略的优势，介绍了基于智能材料的减振机制，以及集成能量吸收器的设计与优化。这些先进技术为可倾瓦推力轴承的减振提供了新的思路和方法，可以有效地降低振动幅度，提高轴承的稳定性和性能。

参考文献

[1]周平． 流体支承可倾瓦滑动轴承系统的设计与性能研究[D]. 广州：华南理工大学，2013．

[2]徐华，姜歌东，丛红，等．四瓦可倾瓦径向滑动轴承动力特性的实验研究[J]. 摩擦学学报，2001，21(5)：387－389.

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