CN102721503B - 一种滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，包括(一)制作至少一特制滑动轴承；特制滑动轴承安装有一压电传感器阵列，压电传感器阵列均匀分布于轴承内，用于将滑动轴承所受到的油膜压力转换成电信号并输出该电信号；（二）将至少一特制滑动轴承安装于一滑动轴承测量平台上；（三）将一信号调理采集电路通过压电传感器阵列连接特制滑动轴承，用于将压电传感器阵列输出的含有噪声的微弱电信号进行处理并转换成可以识别的信号。本发明能够在不破坏油膜本身流动、边界条件和压力分布等特性条件下，准确测量动态油膜压力的分布情况，对于提高滑动轴承动特性预报精度，提升轴系振动设计水平具有重要的理论意义和实用价值。

Description

一种滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法

技术领域

本发明专利涉及一种旋转机械的动态特性的研究领域，尤指一种滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法。

背景技术

作为旋转机械中最常用的轴承之一，滑动轴承被广泛应用于汽轮机、燃气轮机、航空发动机、舰船推进轴系等动力设备中。其动态特性对于旋转机械的整体动态特性具有十分显著的影响。由于其工作机理复杂，油膜具有很强的非线性特征，至今仍然无法准确预测，理论与实验之间相差明显，轴承支撑特性的准确获得一直是本领域的难点之一。目前国内外油膜压力的获取，多依赖于理论计算和间接测量，无论在精度与实时性方面都存在较大的局限性。

由于滑动轴承诱发的振动与失稳问题仍未很好地解决，已严重制约了我国民用和国防关键旋转机械如发动机、汽轮机、燃气轮机的研制水平。因此，深入研究滑动轴承动态油膜压力分布的实时测量方法对于促进转子动力学的实验研究，提高滑动轴承动特性预报精度，提升轴系振动设计水平具有重要的理论意义和实用价值。

综上所述，现有技术存在以下不足：由于油膜压力的获取多依赖于理论计算和间接测量，而滑动轴承在实际的工作中油膜本身流动、边界和压力分布的情况可能会有所不同，因此无法实时地获取油膜压力的精确值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，能够在不破坏油膜本身流动、边界和压力分布的情况下，准确测量出油膜压力的分布情况，从而为后续的油膜力、油膜动态特性、非线性的相关研究提供准确的实验数据。

为了解决上述问题，本发明提供一种滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，包括(一)制作至少一特制滑动轴承；该特制滑动轴承安装有一压电传感器阵列，该压电传感器阵列均匀分布于轴承内，用于将该滑动轴承所受到的油膜压力转换成电信号并输出该电信号；（二）将至少一该特制滑动轴承安装于一滑动轴承测量平台上；（三）将一信号调理采集电路通过该压电传感器阵列连接该特制滑动轴承，用于将该压电传感器阵列输出的含有噪声的微弱电信号进行处理并转换成可以识别的有效信号，根据该有效信号得到油膜压力的分布情况。

其中，该滑动轴承测量平台包括一电动机，用于提供测量设备所需动力；一主轴；一联轴器，用于将电动机的动力传递给主轴；一键相轮，用于监测主轴的相位和转速；至少两个轴承座，用于放置该特制滑动轴承，该轴承座上设置有一进油孔和一出油孔；一转子，用于降低主轴的临界转速，同时通过改变转子的重心可以对该特制滑动轴承进行不平衡力的方法验证；一基座；以及至少一供油设备，该供油设备包括输油泵，用于持续提供油压，降低油温，帮助形成油膜，并防止主轴在高速旋转中与传感器进行干摩擦导致传感器的使用寿命减短；该电动机和该轴承座固定安装于该基座上，该电动机和该主轴通过该联轴器连接，该转子和该键相轮安装于该主轴上，该主轴横穿于该两个轴承座内，该供油设备通过输油泵分别连接于该轴承座的进油孔和出油孔。

该特制滑动轴承包括内圈和外圈，该外圈由上半瓦和下半瓦组成，下半瓦上安装有一压电传感器阵列，其中，该上半瓦和该下半瓦之间通过半瓦螺栓连接孔连接。

较佳地，该下半瓦设置有一个凹槽，该压电传感器阵列安装于该凹槽，在该压电传感器阵列表面涂有一层耐磨胶，并在耐磨胶固化后将该下半瓦整体切削成与该上半瓦相同的直径。

较佳地，该压电传感器阵列包括至少一压电传感器单元，该压电传感器单元主要由上极面，硅胶面和下极面组成，该硅胶面内安装有具有压电性的材料，该上极面和下极面均为绝缘薄膜，该绝缘薄膜上有光刻铜制方形面，该硅胶面镂刻有与该铜制方形面相同个数和尺寸大小的矩形孔，该具有压电性的材料放置于该矩形孔内，该具有压电性的材料与该硅胶面的厚度相同，该具有压电性的材料与该矩形孔的个数和尺寸大小相同，其中，该硅胶面放置于该上极面和该下极面之间，通过导电银浆分别连接该上极面和该下极面，该具有压电性的材料通过导电银浆分别连接该上极面、该硅胶面和该下极面。

较佳地，若该压电传感器阵列包括两个或两个以上压电传感器单元，该上极面的铜制方形面之间通过在该上极面的绝缘薄膜上光刻铜制栅线连接，该下极面的铜制方形面之间通过在该下极面的绝缘薄膜上光刻铜制栅线连接，该上极面和该下极面分别作为传感器的两个传输电极，采用回路共用的方式进行信号的传输，该信号调理采集电路通过该光刻铜制栅线连接于该压电传感器阵列。

较佳地，在该压电传感器阵列信号输出一侧，该固化后的耐磨胶宽度大于该特制滑动轴承轴向宽度，用于实现信号调理采集电路的布置并防止润滑油流入导电线路导致线路短路。

较佳地，该特制的滑动轴承安装于该轴承座内，并设有一进油孔和一出油孔，该进油孔和出油孔分别与该轴承座的进油孔和出油孔相通。

该信号调理采集电路包括信号调理电路，该信号调理电路包括电荷放大电路，可调电荷放大电路，若干低通滤波器，若干高通滤波器和工频信号陷波电路，各个电路之间通过电阻、电容和运算放大器相互连接，通过调节电阻、电容的大小可以实现滤波频率的不同选择。

较佳地，该信号调理采集电路还包括一数据采集卡或者A/D信号转换电路，该数据采集卡或者A/D信号转换电路通过该工频信号陷波电路连接于该信号调理电路。

本发明在旋转机械的动态特性的研究领域尤其是研究滑动轴承油膜压力分布和动态特性方面与现有技术相比，具有以下有益效果：

（一）提供了一种滑动轴承动态油膜压力分布的实时测量方法，能够在不破坏油膜本身流动、边界和压力分布的情况下，准确测量出油膜压力的分布情况，从而为后续的油膜力、油膜动态特性、非线性的相关研究提供准确的实验数据。

（二）滑动轴承动态油膜压力的测量要在转子旋转状态下进行，压电传感器阵列的安装不影响转子—轴承系统的动力学特性。

（三）传感器具有柔性、加工性能好，化学稳定性好，可根据实际需要制定形状等特点，通过改变传感器的尺寸大小，可以有效测量油膜的压力分布。

（四）压电传感器阵列的电路引线通过光刻铜制栅线实现，采用回路共用，可以在有限的空间内排列分布较多的走线，成本较低。

综上所述，本发明既经济又有效，迎合了现今转子—滑动轴承研究领域的迫切需求，此方法的研究不仅在学术领域上，还是在未来的市场上必定有一定的前景。

附图说明

图1是本发明实施例滑动轴承测量平台结构示意图（正视图）；

图2是本发明实施例PVDF压电薄膜传感器阵列的整体示意图；

图3A是本发明实施例PVDF压电薄膜传感器阵列上极面的示意图；

图3B是本发明实施例PVDF压电薄膜传感器阵列硅胶面的示意图；

图3C是本发明实施例PVDF压电薄膜传感器阵列下极面的示意图；

图4A是本发明实施例特制滑动轴承的正面示意图；

图4B是本发明实施例特制滑动轴承的侧面示意图；

图5是本发明专利信号调理采集电路的设计示意图；

附图标记说明：电动机1，主轴2，联轴器3，键相轮4，轴承座5，基座6，转子7，轴承座进油孔8，上极面911，硅胶面912，下极面913，光刻铜制方形面914，光刻铜制栅线915，PVDF压电薄膜916，特制滑动轴承9， PVDF压电薄膜传感器阵列91，半瓦螺栓连接孔92，轴承进油孔93，耐磨胶94，电荷放大电路101，可调电荷放大电路102，低通滤波器103，高通滤波器104，50Hz工频信号陷波电路105，信号采集卡106。

具体实施方式

本发明专利涉及一种滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，包括(一)制作至少一特制滑动轴承；该特制滑动轴承安装有一压电传感器阵列，该压电传感器阵列均匀分布于轴承内，用于将该滑动轴承所受到的油膜压力转换成电信号并输出该电信号；（二）将至少一该特制滑动轴承安装于一滑动轴承测量平台上；（三）将一信号调理采集电路通过该压电传感器阵列连接该特制滑动轴承，用于将该压电传感器阵列输出的含有噪声的微弱电信号进行处理并转换成可以识别的有效信号，根据该有效信号得到油膜压力的分布情况。其中，压电传感器阵列包括至少一压电传感器单元，压电传感器单元主要由上极面911，硅胶面912，具有压电性的材料和下极面913组成，在本发明中，对具有压电性的材料具体采用哪一种材料不作严格限制，对压电传感器单元的个数也不作限制，传感器单元尺寸越小，分布越多，就越容易精确测量油膜的动态压力分布。本发明能够在不破坏油膜本身流动、边界条件和压力分布等特性条件下，准确测量动态油膜压力的分布情况，对于促进转子动力学的实验研究，提高滑动轴承动特性预报精度，提升轴系振动设计水平具有重要的理论意义和实用价值。为了便于说明本发明，以下结合附图，举一具体实施例加以详细说明。

如图1至图5所示为本发明一较佳实施例一种滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法的示意图。首先，制作至少一特制滑动轴承9，用于将特制滑动轴承9所受到的油膜压力转换成电信号并输出该电信号。特制滑动轴承9包括内圈和外圈，外圈由上半瓦和下半瓦组成，下半瓦上安装有一压电传感器阵列，其中，上半瓦和下半瓦之间通过半瓦螺栓连接孔连接。压电传感器阵列包括至少一压电传感器单元，在本发明中，对压电传感器单元的个数不作严格限制，在本实施例中，压电传感器单元的个数为15个，即压电传感器阵列为一个3乘5的矩阵分布设计。压电传感器单元主要由上极面911，硅胶面912和下极面913组成，硅胶面912置于上极面911和下极面913之间，硅胶面912内安装有具有压电性的材料，硅胶面912通过导电银浆分别连接上极面911和下极面913，具有压电性的材料通过导电银浆分别连接上极面911、硅胶面912和下极面913。在本发明中，对具有压电性的材料具体采用哪一种材料不作严格限制，在本实施例中，优选地，为PVDF压电薄膜材料。上极面911和下极面913均为绝缘薄膜，绝缘薄膜上有光刻铜制方形面914，硅胶面912镂刻有与铜制方形面914相同个数和尺寸大小的矩形孔，将PVDF压电薄膜916剪切成与矩形孔相同个数和尺寸大小的单元，放置于矩形孔内，硅胶面912与PVDF压电薄膜916厚度相同。在本发明中，对其中所述的尺寸大小并不作限制，通过改变PVDF压电薄膜916尺寸，把传感器单元以尽量多的数量，均匀地分布于轴承的下半瓦，有利于更加精确地测量油膜压力的分布。

上极面911的铜制方形面914之间通过在上极面911的绝缘薄膜上光刻铜制栅线915连接，下极面913的铜制方形面914之间通过在下极面913的绝缘薄膜上光刻铜制栅线915连接，上极面911和下极面913分别作为传感器的两个传输电极，采用回路共用的方式进行信号的传输，在PVDF压电薄膜传感器阵列91的电极表面，加保护层，防止电极被破坏。在该压电传感器阵列信号输出一侧，该固化后的耐磨胶宽度大于特制滑动轴承9轴向宽度，用于实现信号调理采集电路的布置并防止润滑油流入导电线路导致线路短路。

对于PVDF压电薄膜传感器阵列91在特制滑动轴承9中的安装，由于主轴2与轴承之间的油膜间隙是非常小的，需要在滑动轴承9的下半瓦比目标直径多切削1-2mm的凹槽，用于放置PVDF压电薄膜传感器阵列91，同时需要在传感器阵列表面涂上一层耐磨胶，以保护传感器。并在耐磨胶固化后将下半瓦整体切削成与上半瓦相同的直径，保证切削表面光滑平整。特制的滑动轴承上设有一进油孔93和一出油孔，进油孔93和出油孔分别与该轴承座5的进油孔8和出油孔相通。用于向特制滑动轴承9内注油以帮助形成油膜并防止主轴2在高速旋转中与传感器进行干摩擦导致该压电传感器的使用寿命减短。PVDF压电薄膜传感器阵列91的电路引线通过光刻铜制栅线915实现，采用回路共用，可以在有限的空间内排列分布较多的走线，成本较低。

再接下来，将特制滑动轴承9安装于滑动轴承测量平台的轴承座5内。

滑动轴承测量平台，用于提供测量需要的实验环境，为研究滑动轴承油膜压力分布和动态特性提供油膜支持。滑动轴承测量平台包括电动机1、主轴2、联轴器3、键相轮4、轴承座5、基座6、转子7以及供油设备，其中，轴承座5上设置有一进油孔8和一出油孔，供油设备包括有输油泵。在本发明中，对轴承座5的个数不作严格限制，包括至少两个轴承座5，具体的设置个数依据需要测量的特制滑动轴承9的个数来决定。对于供油设备的个数，本发明也不作严格限制，供油设备的个数与需要测量的特制滑动轴承9的个数有关。在本实施例中，滑动轴承测量平台包括一电动机1、一主轴2、一联轴器3、一键相轮4、两个轴承座5、一基座6、一转子7以及一供油设备，电动机1的转动通过联轴器3带动主轴2高速旋转，有利于研究油膜的动态压力分布和动态特性；转子7的存在可以减小主轴2的临界转速，同时通过改变转子7的重心可以对特制滑动轴承9进行不平衡力的方法验证；供油设备可以持续提供油压，既可以帮助形成油膜，降低油温，又可以防止主轴2在高速旋转中与压电传感器阵列发生干摩擦，减少传感器的使用寿命。

PVDF压电薄膜传感器阵列91受到压力之后，会有电荷产生，从PVDF压电薄膜传感器阵列91输出的信号，含有噪声干扰且非常微弱，需要经过信号调理采集电路分析处理后才能够进行识别以实现在电脑上有效信号的显示。

因此，还需要提供一信号调理采集电路，通过PVDF压电薄膜传感器阵列91连接特制滑动轴承，用于将PVDF压电薄膜传感器阵列91输出的含有噪声的微弱电信号进行处理并转换成可以识别的信号。具体地，信号调理采集电路通过光刻铜制栅线915连接于PVDF压电薄膜传感器阵列91。在本发明中，对信号调理采集电路的个数不作严格限制，可以包含有若干个信号调理采集电路，具体跟PVDF压电薄膜传感器阵列91信号输出一侧的光刻铜制栅线915的条数有关。在本实施例中，包含有8个信号调理采集电路，如图5所示，每一个信号调理采集电路包括一信号调理电路，信号调理电路包括电荷放大电路101，可调电荷放大电路102，若干低通滤波器103，若干高通滤波器104和工频信号陷波电路105，各个电路之间通过电阻、电容和运算放大器相互连接，通过调节电阻、电容的大小可以实现滤波频率的不同选择。在本发明中，对低通滤波器和高通滤波器的个数不作限制，低通滤波器和高通滤波器的个数与用户实际操作时设计的信号调理电路的采集频段有关。在本实施例中，信号调理电路包括电荷放大电路101，可调电荷放大电路102，四阶巴特沃斯低通滤波器，四阶巴特沃斯高通滤波器和50HZ工频信号陷波电路105，其中，四阶巴特沃斯低通滤波器包括两个低通滤波器，四阶巴特沃斯高通滤波器包括两个高通滤波器。根据油膜压力在特制滑动轴承9中的变化情况，设计的调理电路主要的采集频段是在0.1Hz-500Hz，可以通过调节各个电路的电阻、电容的值来实现。

信号调理采集电路还包括一数据采集卡或者A/D信号转换电路，数据采集卡或者A/D信号转换电路通过工频信号陷波电路的输出端连接于信号调理电路。在发明中，对工频信号陷波电路的输出端连接的元件不做严格限制，可以为数据采集卡或者是A/D信号转换电路，在本实施例中，选用的是数据采集卡106，用于将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号以最终实现在电脑上有效信号的显示，根据此有效信号便可以直观地得到油膜压力的分布情况，从而为后续的油膜力、油膜动态特性、非线性的相关研究提供准确的实验数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，其特征在于，包括

(一)制作至少一特制滑动轴承；该特制滑动轴承安装一压电传感器阵列，该压电传感器阵列均匀分布于轴承内，用于将该滑动轴承所受到的油膜压力转换成电信号并输出该电信号；

（二）将至少一该特制滑动轴承安装于一滑动轴承测量平台上；

（三）将一信号调理采集电路通过该压电传感器阵列连接该特制滑动轴承，用于将该压电传感器阵列输出的含有噪声的微弱电信号进行处理并转换成可以识别的有效信号，根据该有效信号得到油膜压力的分布情况;

其中，该特制滑动轴承包括内圈和外圈，该外圈由上半瓦和下半瓦组成，下半瓦上安装有一压电传感器阵列，其中，该上半瓦和该下半瓦之间通过半瓦螺栓连接孔连接；该下半瓦设置有一个凹槽，该压电传感器阵列安装于该凹槽，在该压电传感器阵列表面涂有一层耐磨胶，并在耐磨胶固化后将该下半瓦整体切削成与该上半瓦相同的直径；

该压电传感器阵列包括至少一压电传感器单元，该压电传感器单元主要由上极面，硅胶面和下极面组成，该硅胶面内安装有具有压电性的材料，该上极面和下极面均为绝缘薄膜，该绝缘薄膜上有光刻铜制方形面，该硅胶面镂刻有与该铜制方形面相同个数和尺寸大小的矩形孔，该具有压电性的材料放置于该矩形孔内，该具有压电性的材料与该硅胶面的厚度相同，该具有压电性的材料与该矩形孔的个数和尺寸大小相同，其中，该硅胶面放置于该上极面和该下极面之间，通过导电银浆分别连接该上极面和该下极面，该具有压电性的材料通过导电银浆分别连接该上极面、该硅胶面和该下极面。

2.如权利要求1所述的滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，其特征在于，该滑动轴承测量平台包括

一电动机，用于提供测量设备所需动力；

一主轴；

一联轴器，用于将电动机的动力传递给主轴；

一键相轮，用于监测主轴的相位和转速；

至少两个轴承座，用于放置该特制滑动轴承，该轴承座上设置有一进油孔和一出油孔；

一转子，用于降低主轴的临界转速，同时通过改变转子的重心可以对该特制滑动轴承进行不平衡力的方法验证；

一基座；以及

至少一供油设备，该供油设备包括输油泵，用于持续提供油压，降低油温，帮助形成油膜，并防止主轴在高速旋转中与传感器进行干摩擦导致传感器的使用寿命减短；

其中，该电动机和该轴承座固定安装于该基座上，该电动机和该主轴通过该联轴器连接，该转子和该键相轮安装于该主轴上，该主轴横穿于该两个轴承座内，该供油设备通过输油泵分别连接于该轴承座的进油孔和出油孔。

3.如权利要求1所述的滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，其特征在于，若该压电传感器阵列包括两个或两个以上压电传感器单元，该上极面的铜制方形面之间通过在该上极面的绝缘薄膜上光刻铜制栅线连接，该下极面的铜制方形面之间通过在该下极面的绝缘薄膜上光刻铜制栅线连接，该上极面和该下极面分别作为传感器的两个传输电极，采用回路共用的方式进行信号的传输，该信号调理采集电路通过该光刻铜制栅线连接于该压电传感器阵列。

4.如权利要求1所述的滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，其特征在于，在该压电传感器阵列信号输出一侧，该固化后的耐磨胶宽度大于该特制滑动轴承轴向宽度，用于实现信号调理采集电路的布置并防止润滑油流入导电线路导致线路短路。

5.如权利要求4所述的滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，其特征在于，该特制的滑动轴承安装于该轴承座内，并设有一进油孔和一出油孔，该进油孔和出油孔分别与该轴承座的进油孔和出油孔相通。

6.如权利要求1所述的滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，其特征在于，该信号调理采集电路包括信号调理电路，该信号调理电路包括电荷放大电路，可调电荷放大电路，若干低通滤波器，若干高通滤波器和工频信号陷波电路，各个电路之间通过电阻、电容和运算放大器相互连接，通过调节电阻、电容的大小可以实现滤波频率的不同选择。

7.如权利要求6所述的滑动轴承动态油膜压力分布实时测量方法，其特征在于，该信号调理采集电路还包括一数据采集卡或者A/D信号转换电路，该数据采集卡或者A/D信号转换电路通过该工频信号陷波电路的输出端连接于该信号调理电路。