CN108106847B - 水润滑橡胶轴承性能测试试验台及其测试方法 - Google Patents

水润滑橡胶轴承性能测试试验台及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水润滑橡胶轴承性能测试试验台及其测试方法，试验台由五个部分组成。传动部分包括依次相连的变频电机、联轴器、传动轴、前支承轴承、后支承轴承等；水润滑橡胶轴承部分包括水润滑橡胶轴承及其外部的轴承套，轴承套通过三轴力传感器与外部的支承框架相连；加载部分包括置于导轨上的支承框架，及与其依次相连的摇杆机构、带有偏心轮的激振电机；控制测试部分包括控制柜、传感器、集流环、数据采集系统等；辅助部分包括循环水系统、密封装置、支座等。传动轴在水润滑橡胶轴承内运转，通过加载系统对水润滑橡胶轴承实施静态或动态加载。本发明可用于水润滑橡胶轴承性能测试，抗干扰能力强。

Description

水润滑橡胶轴承性能测试试验台及其测试方法
技术领域
本发明涉及零部件检测测试领域，具体涉及一种水润滑橡胶轴承性能测试试验台及其测试方法。
背景技术
水作为一种在船舶行业具有光明前景的润滑剂，兼顾无污染、广泛易得、性能稳定、使用安全、难燃性等诸多特点，在船舶领域受到高度关注。为了在工作过程中尽量减少或降低金属构件组成的摩擦副因相对摩擦而造成的磨损、噪声、冲击等诸多问题，同时也为了节约润滑油和贵重稀有金属等有限资源的消耗与浪费，尤其是为了减少对江河湖海中水资源的污染，保护人类的生存环境，水润滑轴承已经广泛应用于船舶行业中。
我国的水润滑轴承技术一般是从国外引进，通过模型试验、对比和评价试验等方法，总结出经验参数进行设计和制造，缺乏对水润滑橡胶轴承深入的自主研究，这在一定程度上限制了这种轴承的使用。我国先后出台的船用整体式水润滑橡胶轴承标准CB769-1986和CB769-2008，均只适用于小轴颈和低载荷的条件下，还远不能满足实际的需要。因此，开展对水润滑橡胶轴承的研究有着重要意义。
通过对国内外水润滑橡胶轴承试验台的研究成果的总结和分析，不难发现大多数试验台的设计仅仅针对橡胶轴承的单个板条，这样做虽然能够获得轴承单个板条的一些相关性能数据，但是无法确保其能够反映出橡胶轴承的整体特性。少部分针对橡胶轴承整体结构设计的试验台中，对一些关键数据的收集和计算方法不够准确，从而影响整个试验结果。因此，需要研制更为科学合理的水润滑橡胶轴承试验台。
发明内容
为了完善水润滑轴承及传动系统的各项性能检测，以便于评价水润滑轴承及传动系统的综合性能，掌握水润滑摩擦副的承载、失效机理与演化规律、摩擦学性能与动态服役行为等，开发出低噪声、高可靠、长寿命、高效节能的水润滑轴承及传动系统提供关键科学技术依据，本发明设计了一种能测试水润滑轴承综合性能的试验平台及其测试方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
水润滑橡胶轴承性能测试试验台，包括基础平台，所述基础平台上安装有变频电机、第一联轴器、转速扭矩传感器、第二联轴器、传动轴、前支承轴承、水润滑橡胶轴承、轴承套、后支承轴承，所述第一联轴器一端与变频电机的输出轴相连，另一端与所述转速扭矩传感器的一端相连；所述转速扭矩传感器的另一端与所述第二联轴器的一端相连，所述第二联轴器的另一端与所述传动轴的一端相连，所述水润滑橡胶轴承安装在所述轴承套内，所述轴承套的两端分别设有前密封装置和后密封装置，所述传动轴的另一端依次穿过前支承轴承、前密封装置、水润滑橡胶轴承、后密封装置和后支承轴承，所述传动轴为空心轴，内部沿轴向不同位置、周向不同角度均匀钻孔并安装了若干个水膜压力传感器，传动轴后端连接有一集流环，水膜压力传感器信号通过集流环传输到外部数据采集系统；传动轴在位于前密封装置和后密封装置外侧的伸出部分的水平和垂直方向上均安装有电涡流位移传感器；轴承套上下两底面对称安装有个三轴力传感器，与外部的支承框架相连；支承框架一侧通过摇杆装置与安装有偏心轮的激振电机相连；变频电机和激振电机均与变频器相连；三轴力传感器、电涡流位移传感器均与数据采集系统相连。
优选地，所述基础平台安装有用于安装所述支承框架的导轨，该导轨的开设方向与所述轴承套的布置方向垂直。
优选地，所述激振电机的输出轴上安装有偏心轮，偏心轮转动带动摇杆机构作周期摆动，摇杆机构与通过连杆与支承框架相连，从而驱动支承框架往复运动，实现水平方向位移加载。
所述变频电机标配有电机编码器反馈接口、通信模块，方便准确实现调速功能。
优选地，所述传动轴内部通过调理盒支撑架安装有若干与所述水膜压力传感器电性连接的调理盒，该调理盒与所述集流环信号连接，所述集流环信号连接数据采集系统。
优选地，所述基础平台上还安装有一循环水系统，该循环水系统分别与所述轴承套的两端相连，用于给水润滑橡胶轴承供水。
优选地，所述循环水系统包括水箱、水泵、温度传感器和压力表、水管以及安装在水管上的过滤器和阀门。
优选地，所述转速扭矩传感器、三轴力传感器、电涡流位移传感器及其它传感器均与数据采集系统相连。
本发明还提供了一种水润滑橡胶轴承性能测试方法，包括如下步骤：
S1、按上述的结构进行测试装置的组装，启动数据测试系统和循环水系统，对数据测试系统清零，调节循环水系统压力和流量，直到满足实验要求；
S2、启动变频电机，驱动传动轴运转；
S3、静态加载时，通过对激振电机输出轴旋转一定角度实现对水润滑橡胶轴承的位移加载，调节传动轴转速大小，记录摩擦力矩、转速、水膜压力、三轴力传感器受力、传动轴位移、水温等数据；
S4、动态加载时，首先调节传动轴转速大小，然后调节激振电机使其按一定频率旋转，推动水润滑橡胶轴承按相应频率作往复运动；应合理选择激振频率，以避开可能发生干扰的频率。实验过程中记录相应的加载位移和承载力等信号，然后利用频谱分析法就可求得其水膜动力特性，包括4个刚度系数和4 个阻尼系数；
S5、通过三轴加速度传感器进行数据的采集，然后通过振动噪声测试仪，测量其振动信号，用频谱分析仪对振动信号进行分析，从而得到水润滑橡胶轴承的摩擦噪声频率和幅值；
S6、在实验过程中，可改变水压、流量、温度、传动轴转速、水润滑橡胶轴承的静态加载位移、动态加载频率等，实现不同情况下的测试。通过对测量数据的整理计算得到的水润滑橡胶轴承的静特性和动力特性，分析其随参数和工况变化的规律，从而为水润滑橡胶轴承的设计使用提供参考。
本发明具有以下有益效果：
水润滑橡胶轴承广泛应用于船舶、舰艇等的传动装置中。传动轴通过水润滑橡胶轴承支承，当传动轴转动时，其轴心位置在不断变化。本发明可以模拟在运行时传动轴和水润滑橡胶轴承的相对位置变化，从而可以测试水润滑橡胶轴承的工作特性。
1、试验时可以实现静态加载和动态加载，测量内容包括承载力、水膜压力分布、摩擦力矩、摩擦系数、水温变化、振动噪声、动力特性系数等，测试内容丰富；
2、通过安装在轴承套外部的4个三轴力传感器测量轴承的承载力、摩擦力矩，测量更加科学，避免了其它测量方式轴承不稳定、只能测量一个方向的承载力、不能直接测量轴承所受摩擦力矩等缺点，测量与计算方式具有创新性；
3、本发明中关于承载力、摩擦力矩、水膜压力等的测量方法不限于对水润滑橡胶轴承的实验测试，也可用于其它机构的受力、力矩测试，例如空气轴承、电机等物体的三维受力测量；
4、本发明中水膜压力测量抗干扰能力强。以前的试验台水膜压力测试的连接方案是：压力传感器-集流环-调理盒-数据测试系统的顺序，由于从传感器出来的信号微弱，在经过集流环时容易受到干扰。本试验台水膜压力测试的连接方案是：压力传感器-调理盒-集流环-数据测试系统的顺序，从调理盒输出的信号较强，因此可以大幅降低信号干扰等问题；
5、本发明将被激振设备置于导轨之上，可以精确控制其在水平方向上的运动，在水平运动时不发生偏斜等其它运动，稳定性高；
6、位移加载采用采用激振器-导轨测量方案，升级后可以增加垂直方向的位移控制。
7、本发明在实现高精度控制被激振设备运动条件下，成本低，易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例一种水润滑橡胶轴承性能测试试验台的整体结构示意图。
图2为本发明实施例中轴承套的结构示意图。
图3为本发明实施例中加载部分的结构示意图。
图4为本发明实施例中轴承外部受力分析示意图。
图5为本发明实施例中水膜压力传感器安装示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。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。
如图1-图3所示，本发明实施例提供了一种水润滑橡胶轴承性能测试试验台，包括基础平台11，所述基础平台11上安装有变频电机1、第一联轴器2、转速扭矩传感器3、第二联轴器4、传动轴26、前支承轴承6、水润滑橡胶轴承20、轴承套14、后支承轴承9，所述第一联轴器2一端与变频电机1的输出轴相连，另一端与所述转速扭矩传感器3的一端相连；所述转速扭矩传感器3的另一端与所述第二联轴器4的一端相连，所述第二联轴器4的另一端与所述传动轴26的一端相连，所述水润滑橡胶轴承20安装在所述轴承套14内，所述轴承套14的两端分别设有前密封装置12和后密封装置15，所述传动轴的另一端依次穿过前支承轴承6、前密封装置12、水润滑橡胶轴承20、后密封装置15和后支承轴承9，所述传动轴26为空心轴，内部沿轴向不同位置、周向不同角度均匀钻孔并安装了若干个水膜压力传感器25，传动轴后端连接有一集流环10，水膜压力传感器信号通过集流环传输到外部数据采集系统；传动轴在位于前密封装置和后密封装置外侧的伸出部分的水平和垂直方向上均安装有电涡流位移传感器；轴承套上下两底面对称安装有4个三轴力传感器16，与外部的支承框架7相连；支承框架7 一侧通过摇杆装置与安装有偏心轮的激振电机8相连；变频电机1和激振电机8 均与变频器相连；三轴力传感器、电涡流位移传感器均与数据采集系统相连。所述基础平台11安装有用于安装所述支承框架7的导轨13，该导轨13的开设方向与所述轴承套14的布置方向垂直。所述激振电机的输出轴上安装有偏心轮18，偏心轮转动带动摇杆机构19作周期摆动，摇杆机构与通过连杆21与支承框架相连，从而驱动支承框架往复运动，实现水平方向位移加载。所述变频电机1标配有电机编码器反馈接口、通信模块，方便准确实现调速功能。所述传动轴内部通过调理盒支撑架安装有若干与所述水膜压力传感器电性连接的调理盒，该调理盒与所述集流环10信号连接，所述集流环10信号连接数据采集系统。所述基础平台11上还安装有一循环水系统，该循环水系统分别与所述轴承套14的两端相连，用于给水润滑橡胶轴承供水。所述循环水系统包括水箱、水泵5、温度传感器和压力表、水管以及安装在水管上的过滤器和阀门。所述转速扭矩传感器、三轴力传感器、电涡流位移传感器及其它传感器均与数据采集系统相连。
本具体实施的工作原理为：
1、承载力测试
水润滑橡胶轴承在内部受到水膜压力的作用，该水膜压力的合力即水润滑橡胶轴承的承载力。将在水润滑橡胶轴承安装在轴承套内。轴承套两端的上下侧各安装一个三轴力传感器，如图2所示。三轴力传感器可以同时测量三个相互垂直方向的受力。由于水润滑橡胶轴承及轴承套自身受到重力作用，因此在实验前对三轴力传感器清零，这样测得的数据以静平衡状态为零点，排除了重力以及其它因素的影响。
轴承套受到在其外部的4个三轴力传感器的约束。对水润滑橡胶轴承及轴承套组成的系统进行受力分析，如图4所示。水润滑橡胶轴承在轴向几乎不受力，因此可以忽略轴向承载力Fz，只考虑水平方向径向承载力Fx和垂直方向的径向承载力Fy。其在内部的受到的水膜力与外部受到的三轴力传感器的约束力平衡，可得：
从而，水润滑橡胶轴承承受的径向合力F为：
合力方向与水平方向的夹角为：
2、摩擦力矩
水润滑橡胶轴承在内部受到摩擦力矩M，外力矩和摩擦力矩平衡，如图4。对轴心O取矩得：
M＝(Fax+Fbx)h-(Fcx+Fdx)h
另外本发明在主电机和支承框架之间安装了扭矩转速传感器，也可以测量摩擦力矩，两种方法可以相互补充。
3、摩擦系数
摩擦系数是摩擦力与正压力的比值，它是滑动轴承的一个重要指标，摩擦系数f的计算表达式如下：
上式中，M—摩擦力矩；M0—空载摩擦力矩；d—传动轴直径；F—径向承载合力。
4、水膜压力
目前，测试滑动轴承水膜压力的测试方法主要有两种。第一种是在轴承壳体上不同位置打孔，将压力传感器安装在孔在中。这种方法简单，易操作。缺点是只能测试圆周方向若干点的压力，无法获取整个轴承一周方向的压力，更无法获得连续的压力分布。对于弹性轴承，该方法不可取，因为它无法考虑轴承的弹性变形。第二种方法是在转轴上打孔，并通过导流孔将水压或油压引出。在引出口位置安装压力传感器。这种方法能获得轴承整个圆周方向上的连续压力。缺点是在导流孔位置破坏了原来的水膜分布，引起水膜压力发生变化，另外水在通过导流孔后压力的大小也发生变化。第三种方法是在旋转轴上打孔，直接将水压力传感器安装在孔上，不需要采用导流孔进行导流。本发明采用第三种方法，该系统由压力传感器、调理盒、集流环和数据测试分析系统等组成。图5为水膜压力传感器安装方案。由于需要将传感器安装在轴内部，因此将轴做成空心轴，由三段组成。在轴内部沿轴向不同位置、周向不同角度均匀安装了6个水膜压力传感器。
所述水膜压力传感器安装在空心的传动轴上，并通过信号线连接调理盒。由于轴在旋转，直接将信号线输出将发生缠绕。因此在轴尾端安装集流环，通过集流环将测试信号传输给数据测试系统。本试验台水膜压力测试的连接方案是：压力传感器-调理盒-集流环-数据测试系统的顺序，从调理盒出来的信号较强，在0-5V级别，因此它可以避免信号干扰等问题。这样需要将调理盒安装在轴内部，调理盒通过空心传动轴内部的支架固定。一个传感器可以测量轴承一个截面，在轴承轴向位置均匀布置几个传感器，将可以实现轴承的三维压力分布测量。该方法能动态测试轴承上各点的水膜压力，同时还考虑到了水润滑橡胶轴承内衬橡胶的弹性变形对压力的影响，提高了测试数据的准确性。
5、动力特性系数测量
加载部分采用激振器-导轨加载方案，如图3所示。将整个轴承外壳通过支撑框架固定，将支撑框架置于导轨上，可以水平运动。采用变频电机作为激振电机。激振电机输出轴上安装有偏心轮，偏心量很小。偏心轮转动带动摇杆机构作周期摆动，摇杆机构与支撑框架相连，从而驱动支撑框架往复运动，实现水平方向位移加载。通过偏心轮、摇杆机构实现了激振电机转动到支撑框架平动的转化，也实现了微小位移加载。
静态加载就是对支撑框架施加任意大小的位移，通过对激振电机输出轴旋转一定角度实现。静态位移加载改变传动轴与水润滑橡胶轴承之间的偏心率，便于测试在不同偏心率情况下水润滑橡胶轴承的润滑特性，包括承载力、水膜压力分布、摩擦力矩、摩擦系数、水温变化、振动噪声等。
动态加载就是对支撑框架施加周期激励，此时激振电机输出按一定频率旋转，推动支撑框架按相应频率作往复运动。在动态加载时，传动轴与水润滑橡胶轴承之间的偏心率不断变化，引起水膜压力变化。按照轴承动力特性系数的定义，当轴承受到动态激励时，激振力的增量与激振位移的增量之比即为刚度系数，激振力的增量与激振线速度的增量之比即为阻尼系数。激振的位移大小通过电涡流位移传感器测得，承载力可以通过三轴力传感器测得。在动态加载时测得这些数据后可以计算出水润滑橡胶轴承的刚度系数和阻尼系数。
在本发明中目前只考虑了水平方向上的激振，在同一偏心率的情况下，垂直方向上的动力特性系数可以通过调整轴心的位置，再测量一次获得。也可在本装置的基础上增加垂直方向上的激振，这是本发明可以升级的部分。
本具体实施还提供了一种水润滑橡胶轴承性能测试试验台的测试方法，包括如下步骤：
S1、启动辅助设备如测量系统和循环水系统。对数据测试系统清零，调节循环水系统压力和流量，直到满足实验要求。
S2、启动变频电机，驱动传动轴运转。
S3、通过加载系统对水润滑橡胶轴承加载，加载既可以为静态加载，也可以为动态加载。针对不同实验要求，选择合理的实验加载方式。
静态加载实验过程中，对激振电机输出轴旋转一定角度实现对水润滑橡胶轴承的位移加载，调节传动轴转速大小，记录摩擦力矩、转速、水膜压力、三轴力传感器受力、传动轴位移、水温等数据。
动态加载实验过程中，首先调节传动轴转速大小，然后调节激振电机使其按一定频率旋转，推动水润滑橡胶轴承按相应频率作往复运动。需合理选择激振频率，以避开可能发生干扰的频率。实验过程中记录相应的加载位移和承载力信号，然后利用频谱分析法就可求得其水膜动力特性，包括4个刚度系数和4 个阻尼系数。
S4、在轴承座相应测点布置安装三轴加速度传感器，然后通过振动噪声测试仪，测量其振动信号。用频谱分析仪对振动信号进行分析，从而得到水润滑橡胶轴承的摩擦噪声频率和幅值。
S5、在实验过程中，可改变水压、流量、温度、传动轴转速、水润滑橡胶轴承的静态加载位移、动态加载频率等，实现不同情况下的测试。通过对测量数据的整理计算得到的水润滑橡胶轴承的静特性和动力特性，分析其随参数和工况变化的规律，从而为水润滑橡胶轴承的设计使用提供参考。
其中，本发明中的加载方式可更换为电动缸-导轨方案，即用电动缸代替激振电机和摇杆减速装置，采用电动缸直接驱动置于导轨上的水润滑橡胶轴承支撑框架。另外还可以类似水平方向的激振方案增加竖直方向上的激振，从而实现在两个方向的激振。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.水润滑橡胶轴承性能测试试验台，包括基础平台（11），其特征在于，所述基础平台（11）上安装有变频电机（1）、第一联轴器（2）、转速扭矩传感器（3）、第二联轴器（4）、传动轴（26）、前支承轴承（6）、水润滑橡胶轴承（20）、轴承套（14）、后支承轴承（9），所述第一联轴器（2）一端与变频电机（1）的输出轴相连，另一端与所述转速扭矩传感器（3）的一端相连；所述转速扭矩传感器（3）的另一端与所述第二联轴器（4）的一端相连，所述第二联轴器（4）的另一端与所述传动轴（26）的一端相连，所述水润滑橡胶轴承（20）安装在所述轴承套（14）内，所述轴承套（14）的两端分别设有前密封装置（12）和后密封装置（15），所述传动轴的另一端依次穿过前支承轴承（6）、前密封装置（12）、水润滑橡胶轴承（20）、后密封装置（15）和后支承轴承（9），所述传动轴（26）为空心轴，内部沿轴向不同位置、周向不同角度均匀钻孔并安装了若干个水膜压力传感器（25），传动轴后端连接有一集流环（10），水膜压力传感器信号通过集流环传输到外部数据采集系统；传动轴在位于前密封装置和后密封装置外侧的伸出部分的水平和垂直方向上均安装有电涡流位移传感器；轴承套上下两底面对称安装有4个三轴力传感器（16），与外部的支承框架（7）相连；支承框架（7）一侧通过摇杆装置与安装有偏心轮的激振电机（8）相连；变频电机（1）和激振电机（8）均与变频器相连；三轴力传感器、电涡流位移传感器均与数据采集系统相连;所述基础平台（11）安装有用于安装所述支承框架（7）的导轨（13），该导轨（13）的开设方向与所述轴承套（14）的布置方向垂直；所述激振电机的输出轴上安装有偏心轮（18），偏心轮转动带动摇杆机构（19）作周期摆动，摇杆机构与通过连杆（21）与支承框架相连，从而驱动支承框架往复运动，实现水平方向位移加载；所述传动轴内部通过调理盒支撑架安装有若干与所述水膜压力传感器电性连接的调理盒，该调理盒与所述集流环（10）信号连接，所述集流环（10）信号连接数据采集系统；
水润滑橡胶轴承性能测试方法，包括如下步骤：
S1、将水润滑橡胶轴承性能测试试验台进行组装，启动数据测试系统和循环水系统，对数据测试系统清零，调节循环水系统压力和流量，直到满足实验要求；
S2、启动变频电机，驱动传动轴运转；
S3、静态加载时，通过对激振电机输出轴旋转一定角度实现对水润滑橡胶轴承的位移加载，调节传动轴转速大小，记录摩擦力矩、转速、水膜压力、三轴力传感器受力、传动轴位移和水温的数据；
S4、动态加载时，首先调节传动轴转速大小，然后调节激振电机使其按一定频率旋转，推动水润滑橡胶轴承按相应频率作往复运动；实验过程中记录相应的加载位移和承载力信号，然后利用频谱分析法就可求得其水膜动力特性，包括4个刚度系数和4个阻尼系数；
S5、通过三轴加速度传感器进行数据的采集，然后通过振动噪声测试仪，测量其振动信号，用频谱分析仪对振动信号进行分析，从而得到水润滑橡胶轴承的摩擦噪声频率和幅值；
S6、在实验过程中，可改变水压、流量、温度、传动轴转速、水润滑橡胶轴承的静态加载位移和动态加载频率，实现不同情况下的测试；通过对测量数据的整理计算得到水润滑橡胶轴承的静特性和动力特性，分析其随参数和工况变化的规律，从而为水润滑橡胶轴承的设计使用提供参考。
2.如权利要求1所述的水润滑橡胶轴承性能测试试验台，其特征在于，所述变频电机（1）标配有电机编码器反馈接口、通信模块，方便准确实现调速功能。
3.如权利要求1所述的水润滑橡胶轴承性能测试试验台，其特征在于，所述基础平台（11）上还安装有一循环水系统，该循环水系统分别与所述轴承套（14）的两端相连，用于给水润滑橡胶轴承供水。
4.如权利要求3所述的水润滑橡胶轴承性能测试试验台，其特征在于，所述循环水系统包括水箱、水泵（5）、温度传感器和压力表、水管以及安装在水管上的过滤器和阀门。
5.如权利要求1所述的水润滑橡胶轴承性能测试试验台，其特征在于，所述转速扭矩传感器、三轴力传感器和电涡流位移传感器均与数据采集系统相连。
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