CN102937488A - 一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油膜压力和温度测量技术领域，具体地说是一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量装置及方法，包括电动机、传动轮、主轴、键相轮、转盘、轴承座、基座及供油设备，测量时制作多个压力传感器和温度传感器，以及至少两个可倾瓦滑动轴承，该压力传感器和温度传感器用于将油膜压力和温度转换成电信号并输出该电信号，结合油膜力的抛物线理论，将压力传感器输出的离散的压力信号插值成整个轴瓦上的油膜压力分布，并根据轴瓦的不同位置，得到轴瓦不同点的周向温度分布情况；本发明的优点为，能够准确可靠的测量出油膜压力的分布情况和温度的变化情况，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。

Description

一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量装置及方法

[技术领域]

本发明涉及滑动轴承油膜压力和温度测量技术领域，具体地说是一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量装置及方法。

[背景技术]

可倾瓦径向滑动轴承具有运转稳定性好、噪声低、径向尺寸小等许多优点,因此被广泛应用于高速旋转机械中。而可倾瓦滑动轴承应用在高速旋转机械中，其动态特性对于高速旋转机械的整体动态特性具有十分显著的影响。由于可倾瓦滑动轴承的结构和流体动力润滑的复杂性，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。且可倾瓦滑动轴承在工作中轴瓦将伴随转子转动，传统应用在普通固定瓦滑动轴承中的径向油膜压力测量方法更是无法用来测量可倾瓦滑动轴承，这无疑更增加了可倾瓦滑动轴承实验测量的难度。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。

因此，传统的测量方法存在以下不足：一方面，由于油膜压力的获取多依赖于理论计算和间接测量，而可倾瓦滑动轴承的轴瓦薄且小，在工作中不停摆动，从而传统固定轴瓦油膜压力的测量方法不易运用到可倾瓦滑动轴承中；另一方面，可倾瓦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不同于普通固定瓦轴承，可倾瓦滑动轴承每个轴瓦上都存在油膜压力和温度变化，从而传统的测量方法无法实时地获取油膜压力的精确值。

由于高速可倾瓦滑动轴承诱发的非线性振动与失稳问题仍未能很好地解决，其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，深入研究可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量方法对于促进转子动力学的实验研究，提高可倾瓦滑动轴承动特性预报精度，提升轴系振动设计水平，将具有重要的理论意义和实用价值。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量装置及方法，能够在薄轴瓦、高速摆动的情况下，准确可靠的测量出油膜压力的分布情况和温度的变化情况，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，且经济可靠，稳定性好。

为实现上述目的设计一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量装置，包括电动机、传动轮、主轴、键相轮、转盘、轴承座、基座及供油设备，所述电动机与轴承座安装在基座上，所述电动机的输出端连接传动轮，所述主轴通过传动轮与电动机相连，所述主轴横穿于轴承座内，所述键相轮、转盘安装在主轴上，所述转盘安装在主轴的两端，所述供油设备连接轴承座的进油孔与出油孔，所述轴承座上装有可倾瓦滑动轴承，所述可倾瓦滑动轴承上装有压力传感器和温度传感器，所述可倾瓦滑动轴承上设有轴承进油孔与轴承出油孔，所述轴承进油孔、轴承出油孔分别与轴承座的进油孔、出油孔相通。

所述可倾瓦滑动轴承包括径向轴承壳体、油封I、油封II及轴瓦，所述轴瓦安装在径向轴承壳体内，所述轴瓦设有至少两片，所述油封I、油封II分别安装在径向轴承壳体的两侧，所述轴瓦上与油封I相邻的一侧开有压力传感器孔，所述压力传感器孔内装有压力传感器，所述轴瓦上与油封II相邻的一侧开有温度传感器孔，所述温度传感器孔内装有温度传感器。

所述油封I上开有压力传感器引线孔，所述油封II上开有温度传感器引线孔。

所述轴瓦背面设有球面销定位孔，所述轴瓦通过球面销定位孔安装在径向轴承壳体上。

所述轴瓦上开有引流孔，所述引流孔均匀分布在轴瓦的中线位置处。

所述压力传感器为压阻式压力传感器，所述压力传感器线路连接电荷放大器。

所述温度传感器为铂电阻温度传感器，所述温度传感器线路连接电荷放大器和数字显示器。

所述供油设备包括输油泵，所述供油设备通过输油泵连接轴承座的进油孔与出油孔。

所述传动轮为皮带轮。

一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量方法，包括以下步骤：

1）首先，制作多个压力传感器和温度传感器；

2）制作至少两个可倾瓦滑动轴承，将压力传感器和温度传感器安装在可倾瓦滑动轴承上，该压力传感器和温度传感器均匀分布于可倾瓦滑动轴承的轴瓦上；

3）然后，将至少两个可倾瓦滑动轴承安装在如权利要求1所述装置的轴承座内；

4）压力传感器和温度传感器将可倾瓦滑动轴承所受到的油膜压力和温度转换成电信号，并输出该电信号；

5）结合油膜压力的抛物线理论，将压力传感器输出的离散的压力信号插值成整个轴瓦上的油膜压力分布；

6）根据可倾瓦滑动轴承轴瓦的不同位置，得到轴瓦不同点的周向温度分布情况。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.提供了一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量装置及方法，能够在几乎不破坏油膜本身流动、边界和压力分布的情况下，可靠的测量并推导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；

2.可倾瓦滑动轴承动态油膜压力的测量需在转子旋转状态下进行，同时轴瓦在转子实际选择状态下不停摆动，压力传感器和温度传感器的安装能保证可倾瓦滑动轴承的正常工作，不影响转子与轴承系统的动力学特性；

3.压力传感器和温度传感器的加工性能好，稳定性可靠，在可实现的范围内，成本较低；

综上，本发明不仅经济有效，迎合了现今转子与可倾瓦滑动轴承研究领域的迫切需求，此装置与方法的研究在学术领域上具有很大的首创性和应用价值，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中可倾瓦滑动轴承正侧的分解示意图；

图3是本发明中可倾瓦滑动轴承背侧的分解示意图；

图4是本发明中可倾瓦滑动轴承的俯视图；

图5是本发明中压力传感器的结构示意图；

图6是本发明中温度传感器的结构示意图；

图中：1电动机、2主轴、3皮带轮、4键相轮、5轴承座、6基座、7转盘、8进油孔、9可倾瓦滑动轴承、91径向轴承壳体、92油封II、93油封I、94轴瓦、95内六角螺钉、96球面销定位、97温度传感器孔、98温度传感器引线孔、99球面销定位孔、910压力传感器孔、911引流孔、912压力传感器引线孔、913压线板螺纹孔、914轴承进油孔、915轴承定位销、10压力传感器、101探头、102螺纹、103滚花、104引出线、11温度传感器、111铂电阻封装、112引线。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图1至附图6所示，本发明包括：电动机1、传动轮、主轴2、键相轮4、转盘7、轴承座5、基座6及至少一台供油设备，电动机与轴承座安装在基座上，电动机用于提供测量设备所需动力，电动机的输出端连接传动轮，传动轮用于将电动机的动力传递给主轴，主轴通过传动轮与电动机相连，该传动轮为皮带轮3，轴承座设有至少两个，主轴横穿于轴承座内，键相轮、转盘安装在主轴上，键相轮用于监测主轴的相位和转速，转盘安装在主轴的两端，该两个转盘用于降低主轴的临界转速，同时通过改变转盘的重心可以对可倾瓦滑动轴承进行不平衡力的方法验证，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轴瓦进行干摩擦导致可倾瓦滑动轴承的使用寿命减短，供油设备通过输油泵连接轴承座的进油孔8与出油孔，轴承座上装有可倾瓦滑动轴承9，可倾瓦滑动轴承上装有压力传感器10和温度传感器11，可倾瓦滑动轴承上设有轴承进油孔914与轴承出油孔，轴承进油孔、轴承出油孔分别与轴承座的进油孔、出油孔相通。

可倾瓦滑动轴承包括径向轴承壳体91、油封I93、油封II92及轴瓦94，轴瓦背面设有球面销定位孔99，轴瓦通过球面销定位孔和球面销定位96安装在径向轴承壳体上，径向轴承壳体顶端设有轴承定位销915，轴瓦设有至少两片，轴瓦上开有引流孔911，该引流孔将油膜压力引到压力传感器前端进行测量，引流孔可设置在轴瓦轴向的中间位置处，即引流孔均匀分布在轴瓦的中线位置处，便于测出最大油膜压力，而温度传感器由于和巴氏合金接近，则不需要开孔；油封I、油封II通过内六角螺钉95安装在径向轴承壳体的两侧，为了便于排布，且由于轴瓦的厚度较薄和其特殊构造，以及传感器尺寸的限制，从而将压力传感器和温度传感器均匀的分布在轴瓦的两侧，其中，轴瓦上与油封I相邻的一侧开有压力传感器孔910，压力传感器孔内装有压力传感器，压力传感器线路连接电荷放大器，该压力传感器为压阻式压力传感器，轴瓦上与油封II相邻的一侧开有温度传感器孔97，温度传感器孔内装有温度传感器，温度传感器线路连接电荷放大器和数字显示器，该温度传感器为铂电阻温度传感器，为了防止传感器信号线妨碍轴瓦的摆动或者受到转轴的摩擦，在两侧油封正对传感器的位置均开了引线孔，即油封I上开有压力传感器引线孔912，油封II上开有温度传感器引线孔98，以方便传感器信号线的引出，且不会因为和轴承、油封或其他部分的摩擦，影响传感器和轴承、转子的正常运行。

本发明中，可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量装置用于提供测量需要的实验环境，为研究可倾瓦滑动轴承油膜压力分布和动态特性提供油膜支持，对压力传感器孔和温度传感器孔的个数不作严格限制，可根据可倾瓦滑动轴承实际轴瓦的大小和需要进行增减，理论上越多越好。在本实施例中，每个轴瓦上装有3个压力传感器和2个温度传感器，从而整个可倾瓦滑动轴承上装有12个压力传感器和8个温度传感器；对轴承座的个数也不作严格限制，具体的设置个数依据需要测量的可倾瓦滑动轴承的个数来决定，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可倾瓦滑动轴承的个数有关。

为了方便导线的布置，在径向轴承壳体两侧设置了引线压板，以方便导线整齐顺利地从轴承座中引出，即压力传感器和温度传感器的引线分别通过压力传感器引线孔和温度传感器引线孔引出到轴承座中，再通过固定在压线板螺纹孔913的压线板固定，从而有利于更加方便的把导线从轴承座中引出；径向轴承壳体由上半瓦和下半瓦组成，该上下两个半瓦上各装有两个轴瓦，每个轴瓦背面通过球面销定位，两侧油封亦能起到防止轴瓦滑落，上半瓦和下半瓦之间通过半瓦螺栓连接孔连接。

附图5和附图6分别为本发明的压力传感器和温度传感器，压力传感器包括探头101、螺纹102、滚花103和引出线104，温度传感器包括铂电阻封装111和引线112。其中，压力传感器为压阻式压力传感器，其原理是压敏电阻受压后产生电阻变化，再通过放大电路将电阻的变化转换为标准信号输出，压敏电阻以惠斯通电桥形式与应变材料（不锈钢）结合在一起，具有体积小巧，精度和稳定性较好，温度漂移可以通过电路补偿（或传感器内置补偿）减小到很小的程度等特点，该压力传感器通过螺纹且辅助密封胶和轴瓦相连；温度传感器为铂电阻温度传感器，外表面用易导热的不锈钢金属薄层进行封装，其原理为铂电阻的电阻值随着温度的变化而改变，通过放大电路，将电阻的变化转换为标准信号输出，即可得到温度的变化，铂电阻温度传感器尺寸小，抗氧化性能较好，电阻-温度线性度高，且可测温度范围宽，价格低廉；压力传感器和温度传感器后都接有电荷放大器，传感器采集到的信号经电荷放大器放大后，由数据采集卡或者A/D信号转换电路采集到电脑中，温度传感器再外接数字显示器，以方便实时显示温度，该温度传感器通过密封胶和轴瓦相连。

一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量方法，包括以下步骤：

1）首先，制作多个压力传感器和温度传感器；

2）制作至少两个可倾瓦滑动轴承，将压力传感器和温度传感器安装在可倾瓦滑动轴承上，该压力传感器和温度传感器均匀分布于可倾瓦滑动轴承的轴瓦上；

3）然后，将至少两个可倾瓦滑动轴承安装在如权利要求1装置的轴承座内；

4）压力传感器和温度传感器将可倾瓦滑动轴承所受到的油膜压力和温度转换成电信号，并输出该电信号；

5）结合油膜压力的抛物线理论，将压力传感器输出的离散的压力信号插值成整个轴瓦上的油膜压力分布；

6）根据可倾瓦滑动轴承轴瓦的不同位置，得到轴瓦不同点的周向温度分布情况。

测量油膜压力时，在轴瓦承载面上打一个微小的引流孔，将油膜压力引至传感器前端，由于引流孔尺寸很小（直径在1mm以下），因此对油膜的破坏可忽略不计；同时压力传感器的前端和轴瓦承载面也极其靠近，因此引流孔的影响亦可忽略不计。其中，引流孔均匀的打在轴瓦的中线位置，这是因为油膜压力的轴向分布可以近似的看成抛物线分布，测出了抛物线的最大点的油膜压力（中线位置压力），即可得到轴向抛物线的分布规律；周向的油膜分布通过测得的中线的离散的油膜压力值插值法得到，这样就可以得到整个轴瓦的近似的油膜压力分布；测量油膜温度时，由于金属对温度具有良好的导热作用，因此不需要将温度传感器直接接触油膜，只需将温度传感器尽量接近轴瓦承载面即可；由于温度传感器普遍价格低廉且市场上尺寸可以做到可观的大小，因此很容易得到温度在轴瓦上的分布。

以上步骤中，压力传感器采集到的信号经信号调理后得到的是离散的压力信号值，要得到油膜的压力分布需进行必要的数据处理和插值运算，该具体插值方法不限，可采取如下插值方法：

假设某一时刻的油膜压力分布为，

p(θ，z)=p(z)gp(θ)

其中p(z)为轴向压力分布，p(θ)为周向压力分布，

根据短轴承理论，轴向压力分布为一抛物线，故假设

周向压力采用三角插值法，令由测得的三点压力以及边界压力为零，边界压力导数为零可得7组压力数据，即可得到7个未知量，则压力分布可得。据此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。

所需测量的温度点，如进口温度、出口温度、最高温度等，由于温度传感器本身可以做到很小，因此可以根据需要按照本发明中所示方法，在瓦块上布点测得。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可倾瓦滑动轴承动态油膜压力分布和温度的实时测量装置，其特征在于：包括电动机、传动轮、主轴、键相轮、转盘、轴承座、基座及供油设备，所述电动机与轴承座安装在基座上，所述电动机的输出端连接传动轮，所述主轴通过传动轮与电动机相连，所述主轴横穿于轴承座内，所述键相轮、转盘安装在主轴上，所述转盘安装在主轴的两端，所述供油设备连接轴承座的进油孔与出油孔，所述轴承座上装有可倾瓦滑动轴承，所述可倾瓦滑动轴承上装有压力传感器和温度传感器，所述可倾瓦滑动轴承上设有轴承进油孔与轴承出油孔，所述轴承进油孔、轴承出油孔分别与轴承座的进油孔、出油孔相通。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述可倾瓦滑动轴承包括径向轴承壳体、油封I、油封II及轴瓦，所述轴瓦安装在径向轴承壳体内，所述轴瓦设有至少两片，所述油封I、油封II分别安装在径向轴承壳体的两侧，所述轴瓦上与油封I相邻的一侧开有压力传感器孔，所述压力传感器孔内装有压力传感器，所述轴瓦上与油封II相邻的一侧开有温度传感器孔，所述温度传感器孔内装有温度传感器。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述油封I上开有压力传感器引线孔，所述油封II上开有温度传感器引线孔。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述轴瓦背面设有球面销定位孔，所述轴瓦通过球面销定位孔安装在径向轴承壳体上。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述轴瓦上开有引流孔，所述引流孔均匀分布在轴瓦的中线位置处。

6.如权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于：所述压力传感器为压阻式压力传感器，所述压力传感器线路连接电荷放大器。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述温度传感器为铂电阻温度传感器，所述温度传感器线路连接电荷放大器和数字显示器。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述供油设备包括输油泵，所述供油设备通过输油泵连接轴承座的进油孔与出油孔。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述传动轮为皮带轮。

10.一种利用权利要求1的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）首先，制作多个压力传感器和温度传感器；

2）制作至少两个可倾瓦滑动轴承，将压力传感器和温度传感器安装在可倾瓦滑动轴承上，该压力传感器和温度传感器均匀分布于可倾瓦滑动轴承的轴瓦上；

3）然后，将至少两个可倾瓦滑动轴承安装在如权利要求1所述装置的轴承座内；

4）压力传感器和温度传感器将可倾瓦滑动轴承所受到的油膜压力和温度转换成电信号，并输出该电信号；

5）结合油膜压力的抛物线理论，将压力传感器输出的离散的压力信号插值成整个轴瓦上的油膜压力分布；

6）根据可倾瓦滑动轴承轴瓦的不同位置，得到轴瓦不同点的周向温度分布情况。

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