CN103776573A - 滑动推力轴承推力负荷的测量装置、方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种推力轴承推力负荷的测量装置，包括：环形垫板，其同轴套设在推力轴承的推力块保持架和推力轴承壳体之间，其外周端面沿周向开有多个径向孔，且各径向孔在对应的壳体处相应开有与之相通的通孔；楔形滑块，其可通过壳体上的通孔容置于环形垫板的径向孔中，并可从径向孔中经壳体上的通孔拔出于壳体外；电阻应变式测力计，其容置于滑块中，一端与推力块保持架抵接。本发明还公开一种推力轴承推力负荷的测量方法，以及上述装置和方法的应用。本发明对推力轴承结构改动小，尤其不改变推力块的支撑结构，推力轴承的润滑性能不受影响，不增加推力轴承安全运行的风险，同时测力计检修更换容易，可以在不拆开推力轴承壳体的条件下进行。

Description

滑动推力轴承推力负荷的测量装置、方法及其应用

技术领域

本发明属于滑动推力轴承运行状态监测领域，具体涉及一种滑动推力轴承推力负荷的测量装置和方法。

背景技术

滑动推力轴承（以下简称推力轴承）在旋转机械的应用领域有船舶推进系统、水轮发电机组、火力发电机组和水泵机组等，其基本功能是承载和传递推力负荷。推力轴承的设计依据是流体动压润滑理论，通常按照满负荷工况并考虑一定的承载力储备进行设计。但理论设计计算都是在一定的假设基础上完成的，不可能将实际发生的所有可能因素都包括在内。因此，推力轴承推力负荷的测量非常重要。

在推力轴承的运行状态监测系统中，监测参数主要是润滑油膜压力、温度和厚度等（如CN102967462A），对推力轴承的推力负荷并没有给与积极关注，也缺乏实用的测量方法。推力轴承推力负荷的测量一方面可以为设计人员提供真实数据，有利于设计方法的改进，另一方面可以实时监测推力轴承的负荷状态，为工业生产和设备运行提供安全保障。

就船舶推进系统而言，推力轴承承载力必须与螺旋桨最大转速推力相匹配才能保障船舶的安全航行，但目前存在推力轴承承载力和螺旋桨推力的直接测量方法都缺失的两难局面，严重制约推进系统的高效设计。其中，螺旋桨推力是通过螺旋桨模型在试验水池、循环水槽或空泡水筒的敞水试验间接计算得到的，如果能解决推力轴承推力负荷的测量方法问题，就可以在推进系统中直接对实桨推力进行测量。

EP1967934B1公开一种推力轴承推力的液压测量系统，其通过在推力块和推力轴承壳体之间增设圆柱油缸，推力瓦支撑于圆柱油缸内的活塞上，活塞用液压油垫支持，液压油垫所需的压力通过配置一套液压系统提供，各圆柱油缸内液压油相互贯通形成一个连通器，由液压油垫压力与活塞总面积的乘积计算得到推力。这种液压式推力测量方案的基本原理很简单，但具体实现并非易事，一方面需要额外配置一套液压系统和漏油监测系统，另一方面活塞的密封非常关键，同时必须对活塞的行程加以限制，避免推力变化过程中推力环发生过大的刚体运动。总体看来，液压式测量系统的结构组成相对复杂，成本较高。US3828610同样公开一种液压式推力测量系统，其不足之处还包括需要对推力轴承的结构作较大的改动设计。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种推力轴承推力负荷的测量装置和方法，其通过在推力轴承的推力块保持架和推力轴承壳体之间设置电阻应变式测力计，从而实现直接对推力轴承的推力负荷进行电阻应变式测量。

为实现本发明的目的，按照本发明的一个方面，提供一种推力轴承推力负荷的测量装置，通过在推力轴承的推力块保持架和推力轴承壳体之间设置电阻应变式测力计，从而实现对所述推力轴承的电阻应变式测量，该测量装置包括：

环形垫板，其同轴套设在推力轴承的推力块保持架和推力轴承壳体之间，其外周端面沿周向开有多个径向孔，且各径向孔处对应的壳体相应开有与之相通的通孔，使得所述径向孔可与外部相通；

滑块，其可通过所述壳体上的通孔容置于所述环形垫板的径向孔中，并可从所述径向孔中经所述壳体上的通孔拔出于壳体外；

电阻应变式测力计，其容置于所述滑块中，一端与所述推力块保持架抵接；

推力轴承承载时，负荷通过所述推力块保持架上作用在所述电阻应变式测力计上，通过其内布置的多个电阻应变片感应上述作用力，即可测量得到所述推力轴承上承载的推力负荷。

进一步地，所述滑块与所述推力块保持架相对的一侧表面开有非贯通的圆柱腔，用于所述电阻应变式测力计容置于其中。

进一步地，所述滑块为楔形块，对应的所述环形垫板上的所述径向孔呈相应的楔形孔，使得所述滑块可相对此楔形孔移动，从而便于所述滑块从所述环形孔中插入或拔出。

进一步地，所述滑块与所述推力块保持架相对的一侧表面是平面，相对的另一侧表面是斜平面，截面是燕尾形，一侧端面开有与所述圆柱腔贯通的通孔，作为电阻应变式测力计的导线引出孔。

进一步地，所述电阻应变式测力计包括钢圆筒、密封结构和多个电阻应变片，其中钢圆筒的上端部是承载区，用于与所述推力块保持架抵接，中部空腔内壁上对称粘贴有多个电阻应变片，用于通过承载区的变形感应所述推力负荷，各电阻应变片的连接有导线并通过设置在所述钢圆筒外周的密封结构上的开孔引出到与所述圆柱腔贯通的通孔。

按照本发明的另一方面，提供一种推力轴承推力负荷的测量方法，其通过电阻应变测量方式实现对推力轴承推力负荷的测量，该测量方法具体包括：

在所述推力轴承的推力块保持架和推力轴承壳体之间同轴套设环形垫板的第一步骤，其中该环形垫板外周端面沿周向开有多个径向孔，且各径向孔处对应的壳体相应开有与之相通的通孔，使得所述径向孔可与外部相通；

在所述径向孔之中插入滑块的第二步骤，其中该滑块与所述推力块保持架接触的表面上开设有非贯通的通孔，一电阻应变式测力计容置于其中且其承载端与所述推力块保持支架接触；以及

在所述推力轴承承载时，负荷通过所述推力块保持架上作用在该电阻应变式测力计上，通过其内布置的多个电阻应变片感应上述作用力从而测量得到所述推力轴承上承载的推力负荷的第三步骤。

进一步地，所述滑块为楔形块，对应的所述环形垫板上的所述径向孔呈相应的楔形孔，使得所述滑块可相对此楔形孔移动，从而便于所述滑块从所述环形孔中插入或拔出。

进一步地，所述滑块与所述推力块保持架相对的一侧表面是平面，相对的另一侧表面是斜平面，截面是燕尾形，一侧端面开有与所述圆柱腔贯通的通孔，作为电阻应变式测力计的导线引出孔。

进一步地，所述电阻应变式测力计包括钢圆筒、密封结构和多个电阻应变片，其中钢圆筒的上端部是承载区，用于与所述推力块保持架抵接，中部空腔内壁上对称粘贴有多个电阻应变片，用于通过承载区的变形感应所述推力负荷，各电阻应变片的连接有导线并通过设置在所述钢圆筒外周的密封结构上的开孔引出到与所述圆柱腔贯通的通孔。

按照本发明的又一方面，提供一种上述装置或方法在船舶推进系统的螺旋桨推力测量中的应用。

本发明的推力轴承推力负荷的测量方法，通过在推力轴承的推力块保持架和推力轴承壳体之间安装测量装置，其中测量装置由垫板、滑块和电阻应变式测力计组成，所述垫板是上、下剖分式的环形结构，沿周向均匀开有多个开口朝外的径向楔形燕尾槽，各楔形燕尾槽中设置有所述滑块，各滑块中开有一圆柱腔，圆柱腔内表面开有一水平通孔，所述电阻应变式测力计放置在滑块的圆柱腔中，由钢圆筒、均匀粘贴在钢圆筒外表面中部的八片电阻应变片和密封结构组成，密封结构与钢圆筒焊接，八片电阻应变片采用全桥接线，输出导线通过所在圆柱腔的水平通孔引出与一无线遥测系统连接，由无线遥测系统对测量信号进行适调、采集和发射输入至计算机中，完成对推力轴承推力负荷的测量。

其中，所述滑块圆柱腔是非贯通圆柱腔。

其中，所述电阻应变式测力计高度大于滑块圆柱腔深度。

其中，所述电阻应变式测力计和推力轴承的推力块数量相等，并且两者的几何中心线两两重合。

其中，所述滑块和垫板的楔形燕尾槽相匹配。

本发明中，推力轴承承载和传递推力的路径可描述为“润滑油膜→推力块→止推块→支撑结构→保持架→电阻应变式测力计→壳体”的串联系统，除润滑油膜外，其他路径实际上是推力轴承的结构组成。根据各路径推力相等的基本性质，本发明不改变推力块的支撑结构，而是在保持架和壳体之间串联入由垫板、滑块和电阻应变式测力计组成的测量装置对推力负荷进行无线遥测，较好地解决推力轴承推力负荷不容易测量的问题。本发明可以测量各推力块的推力负荷、平均负荷以及推力轴承的总推力负荷，可以作为推力轴承运行状态监测系统的一个功能补充，细化对推力轴承运行状态的监测。

本发明还充分考虑测力计的检修更换问题。测力计的检修更换有两方面原因：一是疲劳破坏，二是使用寿命。测力计安装在推力轴承内部的狭小空间内，长期承受推力负荷的挤压作用，会产生疲劳问题，通过使用耐疲劳材料可以使得测力计的疲劳强度得到改善。因此，测力计的使用寿命将成为应用瓶颈。实际工程中，推力轴承的检修不仅耗时，而且成本高昂，因此对推力轴承的可靠性有很高要求，如果测力计使用一定长时间后出现故障需要拆开推力轴承壳体才能进行检修更换，这将极大地限制本发明测量方法的实用性，必须通过结构设计予以解决。本发明设计独立滑块作为测力计的安装载体，将测力计和滑块一起固定在垫板的楔形燕尾槽中，再在推力轴承壳体中预留尺寸较小的通孔作为滑块的进出通道。当需要检修更换测力计时，只需要用拆卸工具将滑块顺次从垫板的楔形燕尾槽和推力轴承壳体的预留孔中取出来，就可以完成对测力计的检修更换。楔形燕尾槽的结构设计极大地降低滑块的取出难度，原因在于当滑块脱离燕尾槽端面时，测力计就不再与保持架的背面相接触，在滑块移动过程中不仅没有保持架的摩擦阻力，还有效避免摩擦对测力计造成二次损坏。

本发明具有以下几方面的显著优点：

（1）测量原理是简单的电阻应变式测力方法，技术成熟度高，测量精度高；

（2）测量装置结构简单，几何尺寸小，无缝地集成于推力轴承内部结构中；

（3）测力计检修更换容易，可以在不拆开推力轴承壳体的条件下进行；

（4）可以测量各推力块的负荷，细化对推力轴承运行状态的监测；

（5）对推力轴承结构改动小，尤其不改变推力块的支撑结构，推力轴承的润滑性能不受影响，不增加推力轴承安全运行的风险；

（6）采用无线遥测技术，避免布线的繁琐，可以实现远距离的测量和监测。

附图说明

图1（a）是本发明实施例的电阻应变式测力计的结构示意图，图1（b）是电阻应变片的粘贴展开图。

图2是本发明实施例的测量方法的原理图。

图3是本发明实施例的滑块的结构示意图。

图4是本发明实施例的垫板的结构示意图。

图5是本发明实施例的测量装置在推力轴承内部的安装示意图。

图6是本发明实施例的测量船舶螺旋桨推力的应用方案图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1（a）所示是本发明实施例的电阻应变式测力计的结构示意图。测力计1由钢圆筒2、密封结构3和电阻应变片4组成。钢圆筒2的上部是承载区，中部是电阻应变片4的粘贴区，下部是安装区，中部横截面面积根据材料弹性极限强度和线性要求完成计算，其高度大于直径。空心结构的设计可提高测量灵敏度，并且横向稳定性好，在相同承载力条件下可以减小几何尺寸。结合图1（b），八片电阻应变片4对称地粘贴在应力较均匀的钢圆筒2表面中部，其中，电阻应变片4.1、4.2、4.3、4.4沿轴向粘贴，电阻应变片4.5、4.6、4.7、4.8沿周向粘贴。密封结构3与钢圆筒2焊接，在钢圆筒2的中部形成封闭空间。密封结构3中部开有预留孔5，预留孔5用密封钮6盖住，电阻应变片4的导线通过密封钮6的通孔引出。

图2是本发明实施例的测量方法的原理图。电阻应变片4采用全桥接线，沿轴向粘贴的电阻应变片4.1和4.3，4.2和4.4分别串联，并且处于对臂位置，当压力偏离钢圆筒2几何中心产生弯矩时，电阻应变片4.1和4.3中一个受拉，另一个受压，或者电阻应变片4.2和4.4中一个受拉，另一个受压，由此引起的电阻值大小相等、符号相反，串联叠加后相互抵消，进而消除弯矩引起的误差；沿周向粘贴的电阻应变片4.5和4.7、4.6和4.8作为温度补偿片，起到温度补偿作用。电阻应变片4的导线与无线遥测系统7连接，无线遥测系统7由采集模块7.1、编码模块7.2和发射模块7.3组成。电阻应变片4将钢圆筒2的形变信号转换为电信号输出至无线遥测系统7的采集模块7.1，完成信号前置处理和A/D转换，编码模块7.2对采集的数字信号进行编码，通过发射模块7.3被计算机8接受，计算机8对接受信号进行解码、计算、显示和存储，完成对推力负荷的测量。电阻应变片4和无线遥测系统7都是市售商品，可根据测量精度要求选择。

图3是本发明实施例的滑块的结构示意图。滑块9是楔形块，其上表面10是水平面，下表面11是斜平面，截面是燕尾形，小端面12和大端面13都是圆弧面。滑块9内部开有非贯通的圆柱腔14，用于放置测力计1，圆柱腔14内表面开有水平通孔15，作为测力计1的导线引出孔。

图4是本发明实施例的垫板的结构示意图。垫板16是上、下剖分式环形结构，沿周向均匀开有多个开口朝外的径向楔形燕尾槽17。楔形燕尾槽17的内端面18是圆弧面，底面19是上倾斜平面，底面19的倾斜度满足摩擦“自锁”条件，即倾斜度的正切值小于摩擦系数。

滑块9和垫板16的楔形燕尾槽17是配对的，滑块9安装在楔形燕尾槽17中，安装时滑块9的小端面12对准楔形燕尾槽17的开口，下表面11紧密贴合底面19滑入，直至小端面12接触内端面18。楔形燕尾槽17不仅起到固定滑块9的作用，更重要在于简易滑块9的安装和拆卸。为保证滑块9和垫板16具有较高的疲劳强度，两者制造材料均为高硬度轴承钢。

图5是本发明实施例的测量装置在推力轴承内部的安装示意图。测量装置由垫板16、滑块9和测力计1组成，安装于保持架20和壳体21之间。测力计1放置在滑块9的圆柱腔14中，测力计1和滑块9又一起固定在垫板16的楔形燕尾槽17中。在壳体21上开有通槽22，通槽22中放置相匹配的挡块23。挡块23中部开有径向通孔24，内端面顶住滑块9，外端面通过螺钉固定在壳体21上。测力计1的导线依次从滑块9的通孔15和挡块23的通孔24引出。为防止可能的漏油现象，在挡块23的通孔24的开口处设置油封25。这样，推力负荷经推力环26、推力块27、止推块28、支撑座29、保持架20传递至测力计1。

测力计1由于长期承受推力负荷的挤压作用，容易产生疲劳，除使用耐疲劳材料外，还需要考虑故障失效情况下的检修更换。本发明的上述结构设计可有效解决这一问题。在对测力计1进行检修更换时，先拧开螺钉挪去挡块23，再移动滑块9连同测力计1一起取出来。楔形燕尾槽17可显著减小滑块9的取出难度，一旦滑块9的小端面12与垫板16的内端面18脱离，测力计1便不再与保持架20的背面相接触，滑块9沿着楔形燕尾槽17的移动过程中都不受到保持架20的摩擦力，不仅移动阻力减小，还有效避免测力计1遭受二次摩擦损坏。

作为本发明的一个应用实施例，本发明为船舶螺旋桨推力的测量提供一种有效可行的实用方法。如图6所示的船舶推进系统包括螺旋桨30、艉轴31、中间轴32和推力轴承33，推力轴承33中安装有本发明的测量装置。螺旋桨30以一定转速旋转产生的推力经艉轴31、中间轴32、推力轴34、推力环26、推力块27、止推块28、支撑座29、保持架20传递至测力计1，测力计1中的钢圆筒2在推力作用下发生变形，电阻应变片4将形变信号转换为电信号输出，通过导线传输至无线遥测系统7中，由无线遥测系统7对测量信号进行适调、采集和发射输入至计算机8的测试软件中，完成对此转速螺旋桨推力的测量。改变螺旋桨转速，重复测量，得到转速区间内所有螺旋桨推力，进而建立螺旋桨推力和转速的准确关系式。

针对推力轴承推力负荷难以测量的问题，本发明以电阻应变式测力方法为基础，并具体安装于推力块保持架和壳体之间，不仅不影响推力轴承的运行安全性，还充分考虑测力计的检修更换问题，有效保障本发明的工程实用性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的一个较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神思想和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种推力轴承推力负荷的测量装置，通过在推力轴承的推力块保持架和推力轴承壳体之间设置电阻应变式测力计，从而实现对所述推力轴承的电阻应变式测量，其特征在于，该测量装置包括：

环形垫板（16），其同轴套设在推力轴承的推力块保持架（20）和推力轴承壳体（21）之间，其外周端面沿周向开有多个径向孔（17），且各径向孔（17）在对应的壳体处相应开有与之相通的通孔（22），使得所述径向孔（17）可与外部相通；

滑块（9），其可通过所述壳体（21）上的通孔容置于所述环形垫板（16）的径向孔（17）中，并可从所述径向孔（17）中经所述壳体（21）上的通孔拔出于壳体（21）外；

电阻应变式测力计（1），其容置于所述滑块（9）中，一端与所述推力块保持架（20）抵接；

推力轴承承载时，负荷通过所述推力块保持架（20）上作用在电阻应变式测力计（1）上，通过其内布置的多个电阻应变片（4）感应上述作用力，即可测量得到所述推力轴承上承载的推力负荷。

2.根据权利要求1所述的一种推力轴承推力负荷的测量装置，其特征在于，所述滑块（9）与所述推力块保持架（20）相对的一侧表面开有非贯通的圆柱腔（14），用于所述电阻应变式测力计（1）容置于其中。

3.根据权利要求1或2所述的一种推力轴承推力负荷的测量装置，其特征在于，所述滑块（9）为楔形块，对应的所述环形垫板（16）上的所述径向孔（17）呈相应的楔形孔，使得所述滑块（9）可相对此楔形孔移动，从而便于所述滑块（9）从所述径向孔（17）中插入或拔出。

4.根据权利要求1－3中任一项所述的一种推力轴承推力负荷的测量装置，其特征在于，所述滑块（9）与所述推力块保持架（20）相对的一侧表面（10）是平面，相对的另一侧表面（11）是斜平面，截面是燕尾形，一侧端面开有与所述圆柱腔（14）贯通的通孔（15），作为电阻应变式测力计（1）的导线引出孔。

5.根据权利要求1－4中任一项所述的一种推力轴承推力负荷的测量装置，其特征在于，所述电阻应变式测力计（1）包括钢圆筒（2）、密封结构（3）和多个电阻应变片（4），其中钢圆筒（2）的上端部是承载区，用于与所述推力块保持架（20）抵接，中部空腔内壁上对称粘贴有多个电阻应变片（4），用于通过承载区的变形感应所述推力负荷，各电阻应变片（4）的连接有导线并通过设置在所述钢圆筒（2）外周的密封结构（3）上的开孔引出到与所述圆柱腔（14）贯通的通孔（15）。

6.一种推力轴承推力负荷的测量方法，其通过电阻应变测量方式实现对推力轴承推力负荷的测量，其特征在于，该测量方法具体包括：

在所述推力轴承的推力块保持架和推力轴承壳体之间同轴套设环形垫板（16）的第一步骤，其中该环形垫板（16）外周端面沿周向开有多个径向孔（17），且各径向孔（17）处对应的壳体相应开有与之相通的通孔（22），使得所述径向孔（17）可与外部相通；

在所述径向孔之中插入滑块（9）的第二步骤，其中该滑块（9）与所述推力块保持支架（20）接触的表面上开有非贯通的通孔（14），一电阻应变式测力计（1）容置于其中且其承载端与所述推力块保持支架（20）接触；以及

在所述推力轴承承载时，负荷通过所述推力块保持架（20）上作用在电阻应变式测力计（1）上，通过其内布置的多个电阻应变片（4）感应上述作用力从而测量得到所述推力轴承上承载的推力负荷的第三步骤。

7.根据权利要求6所述的一种推力轴承推力负荷的测量方法，其特征在于，所述滑块（9）为楔形块，对应的所述环形垫板（16）上的所述径向孔（17）呈相应的楔形孔，使得所述滑块（9）可相对此楔形孔移动，从而便于所述滑块（9）从所述环形孔中插入或拔出。

8.根据权利要求6或7所述的一种推力轴承推力负荷的测量方法，其特征在于，所述滑块（9）与所述推力块保持架（20）相对的一侧表面（10）是平面，相对的另一侧表面（11）是斜平面，截面是燕尾形，一侧端面开有与所述圆柱腔（14）贯通的通孔（15），作为电阻应变式测力计（1）的导线引出孔。

9.根据权利要求6－8中任一项所述的一种推力轴承推力负荷的测量方法，其特征在于，所述电阻应变式测力计（1）包括钢圆筒（2）、密封结构（3）和多个电阻应变片（4），其中钢圆筒（2）的上端部是承载区，用于与所述推力块保持架（20）抵接，中部空腔内壁上对称粘贴有多个电阻应变片（4），用于通过承载区的变形感应所述推力负荷，各电阻应变片（4）的连接有导线并通过设置在所述钢圆筒（2）外周的密封结构（3）上的开孔引出到与所述圆柱腔（14）贯通的通孔（15）。

10.一种上述权利要求1－6中任一项所述的装置或权利要求7－9中任一项所述的方法在船舶推进系统的螺旋桨推力测量中的应用。

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