本發明屬于軸承，涉及具有動平衡功能的水潤滑軸承系統，還涉及上述具有動平衡功能的水潤滑軸承系統的控制方法。

背景技術：

1、目前，水潤滑軸承在水力機械設備中應用廣泛，其以水為潤滑劑，具備環保、無污染等優勢。但由于水的低黏度特性，加之軸承結構多樣、運行工況復雜，導致難以形成有效潤滑膜，軸系不平衡問題突出。現有水潤滑軸承平衡技術雖涵蓋結構優化、潤滑調控、故障診斷等多種方法，但大多聚焦于軸承不同工況下的潤滑機理，摩擦特性等方面研究，現有技術缺乏針對水潤滑軸承連續運行過程中的動不平衡有效控制技術。特別是在面對軸系不平衡引發的振動問題時，難以通過主動調控手段及時調整配重，致使旋轉軸持續處于不平衡振動狀態，嚴重影響設備運行穩定性與可靠性。

技術實現思路

1、本發明的第一目的是提供具有動平衡功能的水潤滑軸承系統，解決了現有技術中缺乏針對水潤滑軸承連續運行過程中的動不平衡有效控制的問題。

2、本發明的第二目的是提供具有動平衡功能的水潤滑軸承系統的控制方法。

3、本發明所采用的第一技術方案是具有動平衡功能的水潤滑軸承系統，包括旋轉軸，旋轉軸中部沿直徑方向向外依次套設有襯層、軸套、外殼，襯層、軸套、外殼、旋轉軸同軸線，旋轉軸兩端分別套設有一個水潤滑軸承端蓋，外殼和兩個水潤滑軸承端蓋共同組成密閉腔體，水潤滑軸承端蓋與控制系統連接。

4、本發明第一技術方案的特點還在于：

5、旋轉軸為中部直徑大于兩端直徑的階梯軸，旋轉軸兩端呈階梯狀的部分為軸肩，襯層、外殼均與旋轉軸的大直徑部分相匹配；

6、兩個水潤滑軸承端蓋套設在旋轉軸小直徑部分且與旋轉軸過盈配合。

7、水潤滑軸承端蓋內端面與軸肩之間設置有防水密封圈，水潤滑軸承端蓋與旋轉軸之間過渡連接有端蓋油封。

8、水潤滑軸承端蓋包括外部端蓋，外部端蓋一端呈圓盤狀，外部端蓋另一端呈圓筒狀，外部端蓋圓盤端的外圈直徑大于圓筒端的外圈直徑，外部端蓋圓盤端的內圈直徑小于圓筒端的內圈直徑；

9、外殼套接在外部端蓋圓筒端外圈且與外部端蓋的圓盤端端面螺栓連接，外部端蓋圓盤端的內圈沿直徑方向向內依次套設有端蓋油封、旋轉軸，外部端蓋圓盤端的內端面與外殼的端面匹配連接，外部端蓋圓筒端的內腔安裝有內部固定蓋，外部端蓋的圓筒端匹配封蓋有一個內部密封蓋，內部固定蓋與內部密封蓋成對使用，內部固定蓋與內部密封蓋組合形成的密封腔體，密封腔體內設置有動平衡裝置。

10、外部端蓋圓筒端沿內側壁一周均布有若干定位滑槽，定位滑槽的開設方向與外部端蓋的軸線方向一致，外部端蓋圓筒端沿端面邊沿一周均布有若干固定槽，外部端蓋圓筒端沿端面一周設有若干第一螺紋孔；

11、內部固定蓋沿外側壁一周均布有若干端蓋滑條，端蓋滑條與定位滑槽相匹配；

12、內部密封蓋一端為圓盤狀，內部密封蓋另一端為圓筒狀，內部密封蓋圓盤端的外圈直徑大于圓筒端的外圈直徑，內部密封蓋圓盤端的內圈直徑小于圓筒端的內圈直徑，內部密封蓋圓筒端沿外側壁一周均布有若干密封蓋滑條，密封蓋滑條與定位滑槽相匹配；

13、內部密封蓋圓盤端的內圈與第二滾動軸承過盈配合，第二滾動軸承的內圈與旋轉軸過盈連接，內部密封蓋圓盤端沿外側壁一周設有若干固定卡塊，固定卡塊與固定槽相匹配，內部密封蓋圓盤端的端面上開設有若干第二螺紋孔，第二螺紋孔與第一螺紋孔相匹配。

14、外部端蓋圓筒端的端面沿軸線方向開設有第一導流孔，內部密封蓋圓盤端的端面沿軸線方向開設有第二導流孔，第一導流孔和第二導流孔相互對齊。

15、動平衡裝置包括靜環，靜環固定在內部固定蓋內腔，靜環整體呈環形結構，靜環沿側壁一周設置有若干靜環螺紋孔，內部固定蓋沿側壁一周設置有固定螺紋孔，固定螺紋孔與靜環螺紋孔相匹配且通過螺栓連接，靜環沿端面一周均布有若干定子鐵芯，靜環上還纏繞有驅動線圈；

16、動平衡裝置還包括中心定子，中心定子套設在旋轉軸且與旋轉軸過盈配合，中心定子的兩端均設有套環，中心定子的中部與第一磁鎖環過盈配合，第一磁鎖環與靜環軸向尺寸相同且位于同一安裝平面內，靜環的內徑大于第一磁鎖環的外徑；

17、中心定子靠近端蓋油封的一端設置有第一滾動軸承，中心定子通過套環與第一滾動軸承過盈配合，第一滾動軸承的外圈與內部固定蓋的內圈過盈配合，中心定子的另一端沿軸線方向向外依次設有動環固定軸承、套筒，套筒通過套環與中心定子軸向連接，套筒外圈與第二滾動軸承的內圈過盈配合，第二滾動軸承的外圈與內部密封蓋圓盤端的內圈過盈配合，動環固定軸承的內圈與中心定子過盈配合，動環固定軸承外圈與第二磁鎖環的內圈過盈配合，第二磁鎖環的外圈與動環的內圈過盈配合；

18、動環整體呈環形結構，動環的端面一周鑲嵌有若干永磁體，永磁體按磁性正負相間的方式鑲嵌；

19、第二磁鎖環與配重環為同軸一體結構，配重環的內徑小于第二磁鎖環的內徑，配重環外圈直徑大于第二磁鎖環的外圈直徑，第二磁鎖環沿端面一周嵌有若干永磁體，永磁體按磁性正負相間的方式鑲嵌，配重環沿端面沿邊一周設置有緊固螺孔，配重環通過緊固螺孔與動環螺栓連接，配重環沿端面一周還設置有若干個配重孔。

20、外部端蓋圓筒端的內壁沿軸線方向開設有導線槽，外部端蓋圓盤端的端面上設置有與導線槽相匹配的導線孔。

21、控制系統包括若干傳感器，傳感器具體采用霍爾傳感器、位移傳感器、加速度傳感器，霍爾傳感器設置在動環上，位移傳感器和加速度傳感器均設置在旋轉軸一端，霍爾傳感器、位移傳感器、加速度傳感器均與信號放大器的輸入端電連，信號放大器的輸出端依次連接數采模塊和上位機，上位機的輸出端依次連接控制模塊和驅動模塊，驅動模塊的輸出端通過導線與驅動線圈連接，驅動模塊上還連接有供電模塊。

22、本發明所采用的第二技術方案是具有動平衡功能的水潤滑軸承系統的控制方法，采用上述具有動平衡功能的水潤滑軸承系統，具體步驟如下：

23、步驟1、在旋轉軸兩側安裝具有動平衡功能的水潤滑軸承系統，并通電運行，同時打開上位機；

24、步驟2、通過位移傳感器、加速度傳感器采集旋轉軸的振動位移和旋轉速度，經信號放大器、數采模塊上傳至上位機中；

25、步驟3、上位機根據步驟2中振動位移和旋轉速度計算旋轉軸當前振動幅值，然后將當前振動幅值與設置閾值比較，判斷是否執行動平衡操作，若當前振動幅值大于閾值時，進行動平衡操作，若當前振動幅值小于閾值時，執行下一步驟；

26、步驟4、重復執行步驟2-3操作。

27、本發明第二技術方案的特點還在于：

28、步驟3中動平衡操作具體如下：

29、步驟3.1、上位機根據步驟2中振動位移獲得旋轉軸的位移矢量，然后計算不平衡矢量；

30、步驟3.1中計算不平衡矢量量的具體過程如下：

31、步驟3.1.1、獲得具有動平衡功能的水潤滑軸承運行時在平動和轉動時的觀測值：

32、（1）

33、x1(t)為平動系統的觀測值；m為水潤滑軸承位移剛度；i為電流剛度；u(t)為擾動力隨時間對旋轉軸的位移偏差函數；x2(t)為轉動系統的觀測值；n為交叉反饋控制參數；

34、步驟3.1.2、引入非奇異線性變換p至觀測器中，將上述公式（1）變換為：

35、(2)

36、步驟3.1.3、根據上述方程，得到最終的滑膜觀測器方程為：

37、（3）

38、為滑膜觀測誤差；l為反饋參數；為擾動量；

39、步驟3.1.4、由上述公式（3）可知，滑膜觀測器觀測的擾動包含平動擾動 mp和轉動擾動 mz，以旋轉軸位置的位移偏差的修正量為控制目標，使兩種擾動最小，即：

40、（4）

41、式中：為平動距離，α為軸承轉動的角度，ε為擾動系數，t為運行時間；

42、步驟3.1.5、經過計算可以獲得位移偏差的修正量：

43、（5）

44、對位移傳感器采集的位移矢量用上述公式（5）獲取的水潤滑軸承旋轉軸位移偏差的修正量進行修正，則實際不平衡矢量為：

45、（6）。

46、步驟3.2、將旋轉軸的不平衡矢量，分解為旋轉軸左右兩側配重環的平衡矢量、，即=+，并根據平衡矢量、獲得配重環需要轉動到的平衡位置、；

47、步驟3.3、上位機根據步驟3.2中配重環需要轉動到的平衡位置、，發送控制指令至控制模塊，控制模塊通過控制驅動模塊產生對應的正反脈沖電壓為驅動線圈供電，定子鐵芯被勵磁并與動環上的永磁體相互作用產生軸向驅動電磁力矩，動環帶動配重環相對于旋轉軸產生相對轉動，調整兩配重環質心位置，進而實現配重動作。

48、本發明的有益效果是：

49、本發明具有動平衡功能的水潤滑軸承系統，通過控制系統實時調整水潤滑軸承端蓋內部配重環的質量分布，合成與不平衡力大小相等方向相反的力，能夠在水潤滑軸承連續運行過程中有效抑制水潤滑軸承系統中轉子的不平衡振動現象，有效提高了設備運行穩定性與可靠性。

50、本發明具有動平衡功能的水潤滑軸承系統的控制方法，該方法操作簡單，通過上位機發送控制指令給控制模塊，控制模塊通過控制驅動模塊產生對應的正反脈沖電壓為驅動線圈通電，進而調整兩配重環質心位置，實現配重動作，完成動平衡操作，通過主動調控手段及時調整配重，實時監控旋轉軸的狀態，使旋轉軸持續保持平衡狀態。