CN110501159A - 一种测量水润滑轴承内局部比压及温度分布的试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量水润滑轴承内局部比压及温度分布的试验装置，属于力学、热学、摩擦学领域，包括：水润滑轴承、光纤温度传感器、输入光纤线、光电信号收发器、延长光纤线、轴瓦和传动轴；光纤温度传感器埋设于水润滑轴承的壁部内；所述光纤温度传感器一端通过输入光纤线和光电信号收发器连接，另一端与延长光纤线连接；水润滑轴承固定于轴瓦内，传动轴与水润滑轴承的轴孔配合。由于光纤温度传感器传输距离远，传输信号稳定，能够测量轴承内温度分布情况，结合摩擦学、热力学理论即可以得到轴承内对应局部比压分布情况，实现轴承内局部比压与温度分布的试验测量。

Description

一种测量水润滑轴承内局部比压及温度分布的试验装置
技术领域
本发明属于力学、热学、摩擦学领域，更具体地，涉及一种水润滑轴承内局部比压及温度分布的试验装置。
背景技术
对于船舶推进轴系，轴承负荷分布是否合理决定着轴系工作状态的好坏，因此在船舶轴系的安装及检修过程中，都需要对各轴承负荷进行校核确保轴承载荷不超过许用值。轴承许用载荷是以比压来衡量，即单位长度上的轴承负荷大小。过去由于轴承较短，一般是用负荷值除以轴承长度。但是随着船舶的大型化，轴承长度也随之加大，轴承与轴难以保证连续充分接触，显然仍然简单的用轴承负荷除以轴承长度难以保证轴承内部比压分布真实情况。
水润滑轴承是利用水作为润滑介质的一种轴承，相对于油润滑轴承其具有：无污染、结构形式简单、高速工况下摩擦系数小等优点，在船舶轴系中的应用越来越广泛。水润滑轴承是直接布置在船舶舷外与外界水环境直接接触，在船舶下水后，由于环境的限制使得测量困难，轴承的负荷难以获得，轴承内部比压情况则更加难以获取。
水润滑轴承主要起润滑作用，润滑好坏不仅仅决定于轴承的负荷，还决定于其它环境因素，而轴承温度急剧上升是轴承润滑不良的直接结果，因此能够测量轴承的温度更加能反应轴承工作状态的好坏。特别是，目前采用的水润滑轴承多是高分子轴承，高分子轴承在达到一定温度后会发生水解现象，因此温度监测更显得意义重大。
目前已经有一些轴承负荷的测量方法，如CN107677397A也描述一种轴承负荷在线测量方法及系统，但是其着重点仍然在于获取轴承的总负荷值，而不能准确获得轴承内部比压分布情况。文献《多沟槽水润滑橡胶轴承水膜压力的无线测试方法》提出了一种轴承内局部比压测量方法，该方法是在轴上打孔安放无线压力传感器，但是：
其一，轴上孔的存在会影响流场分布；
其二，压力传感器安放于轴肩处，而非直接与轴承接触的接触面处，所测压力并非为真实水膜处压力；
其三，所测轴向压力仅能获取有限个点的数据。
因此，亟需一种不会破坏真实流场，且能够获取沿轴向连续的压力、温度分布情况的试验装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种测量水润滑轴承内局部比压及温度分布的试验装置，其目的在于，利用光纤传感器进行检测，并将光纤传感器置于水润滑轴承的内部，不会破坏真实流场，并且能够获取连续的压力、温度分布情况，由此解决现有技术会破坏流场且测试数据不连续的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种测量水润滑轴承内局部比压及温度分布的试验装置，包括：水润滑轴承、光纤温度传感器、输入光纤线、光电信号收发器、延长光纤线、轴瓦和传动轴；光纤温度传感器埋设于水润滑轴承的壁部内；所述光纤温度传感器一端通过输入光纤线和光电信号收发器连接，另一端与延长光纤线连接；水润滑轴承固定于轴瓦内，传动轴与水润滑轴承的轴孔配合。
进一步地，所述水润滑轴承为哈夫构造，下半部分的内侧表面开有冷却水槽；光纤温度传感器平行于轴承长度方向埋设于水润滑轴承的下半部分壁部内，且沿水润滑轴承的周向避开水槽分布。
进一步地，所述水润滑轴承为一体构造，光纤温度传感器在水润滑轴承的壁部内部沿水润滑轴承的周向螺旋布置。
进一步地，所述光纤传感器与水润滑轴承一体加工成型，在水润滑轴承的径向上布置于水润滑轴承的最大允许磨损厚度处。
进一步地，所述光纤温度传感器直径小于0.5mm，包括由内至外设置的纤芯、包层和涂敷层；所述输入光纤线、延长光纤线均包括由内至外设置的纤芯、包层、涂敷层、增强纤维层和保护套。
进一步地，所述转动轴的轴颈处套有铜套；铜套与水润滑轴承内壁面直接接触；转动轴能够以不同速度转动；轴瓦与穿过水润滑轴承的轴孔的部分转动轴置于水槽中。
进一步地，按照如下方法建立轴承内温度分布与局部比压对应函数关系：
A、测试并记录转动轴的转速以及水润滑轴承与转动轴之间摩擦系数随转速的变化，从而获得转速与摩擦系数的关系；
B、由于摩擦系数变化导致的摩擦热变化会引起光纤温度传感器内的光信号变化，由此根据光纤温度传感器内的光信号变化，测得不同转速下轴承内温度分布；
C、基于温度分布，按照动压润滑理论与热力学理论计算摩擦力大小，进而根据摩擦系数计算出压力，从而获得温度与压力的对应关系；
根据A、B、C确定温度与压力的对应关系后，由水润滑轴承内的温度分布即可以得到轴承内的局部比压分布。
进一步地，将光纤温度传感器替换为光纤压力传感器。
进一步地，将光纤温度传感器替换为能同时测量压力与温度的光纤传感器。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明将光纤温度传感器置于轴承内部，不会破坏真实流场，且基于光纤温度传感器的连续特性，能够获取沿轴向连续的压力、温度分布情况，使得试验结果更加真实可靠。
2、针对哈夫结构的水润滑轴承，光纤温度传感器避开冷却水槽分布可以减小因为液冷作用和冷却水槽的结构影响带来的温度变化不均匀的不利影响，减小测量误差。针对一体构造的水润滑轴承，光纤传感器的螺旋分布可以保证测量结果的连续性和均匀性。
3、光纤温度传感器沿厚度方向布置于水润滑轴承允许厚度磨损最大处，既能不影响水润滑轴承的使用生命周期，又尽量保证测量得到的温度与水润滑轴承内表面温度准确性，提高测量精度。
4、光纤温度传感器与输入光纤线、延长光纤线共用纤芯、包层、涂敷层，而由水润滑轴承的壁部直接作为光纤温度传感器的保护套，不仅能够简化传感器构造，且整体性更好，有利于保证测量结果的精确性。
5、本发明的光纤温度传感器还可以替换为光纤压力传感器，以及能够同时测量温度和压力的光纤传感器，根据这几种传感器检测到的光信号变化均可以获得水润滑轴承内局部比压及温度分布，还可以相互之间交叉印证，能够大大简化试验过程。
附图说明
图1为本发明优选实施例的一种哈夫形式水润滑轴承的光纤温度传感器布置示意图，其中(a)为横截面示意图，(b)为纵剖面示意图；
图2为本发明优选实施例的一种非哈夫形式(即一体式)水润滑轴承的光纤温度传感器布置示意图；
图3为本发明优选实施例的输入光纤线、延长光纤线的光纤内部结构放大示意图；
图4为本发明优选实施例的一种测量水润滑轴承内局部比压及温度分布的试验装置示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-水润滑轴承、2-光电信号收发器、3-输入光纤线、4-光纤温度传感器、5-延长光纤线、6-保护套层、7-增强纤维层、8-涂敷层、9-包层、10-纤芯、11-转动轴、12-轴瓦、13-铜套、14-冷却水槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、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。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。
水润滑轴承1采用哈夫形式，在下半部开有冷却水槽14，根据水润滑轴承1尺寸大小及所开冷却水槽数量，设定光纤温度传感器4在水润滑轴承1内的数量，具体的因为一般水润滑轴承1底部与轴11接触面较多，可以在靠近水润滑轴承1底部的光纤温度传感器4布置数量多，越靠近水润滑轴承1中部布置数量越少。
水润滑轴承1底部开有方便冷却水流通的冷却水槽，冷却水槽的存在会影响摩擦产生热量的分布，从而导致水润滑轴承1温度分布的不均匀，因此光纤温度传感器4布置在尽量远离冷却水槽的部位，与水润滑轴承1长度方向和冷却水槽长度方向平行，减小因为空间布置导致的几何尺寸不均匀测量误差。
水润滑轴承1为消耗品，会随着使用时间的增长而厚度逐渐减小，光纤温度传感器4沿厚度方向布置于水润滑轴承1允许厚度磨损最大处，既能不影响轴承的使用生命周期，又尽量保证测量得到的温度与轴承1内表面温度提高测量精度。
光纤温度传感器4由纤芯10、包层9、涂敷层8组成，直径小于0.5mm，水润滑轴承1一般为高分子材料，自动构成光纤温度传感器所需要的外层保护套层6；将水润滑轴承1与光纤温度传感器4一体加工成型，既能保证光纤温度传感器4的布置精度，也能保证水润滑轴承在光纤温度传感器4存在的位置仍然具有较好的连续性，同时因为光纤温度传感器4直径不到0.5mm，所占水润滑轴承空间小，对水润轴承1各项性能影响小。
将一体加工成型带有光纤温度传感器4的水润滑轴承1，安装于轴瓦12内，随后将带有铜套13的转动轴11穿过水润滑轴承1，轴瓦12与对应转动轴11对应部分浸入水槽中；将所有输入光纤线3与光电信号收发器2连接。所述光电信号收发器2能够发射稳定光电信号，并能接收识别由于环境温度改变造成的光纤温度传感器4产生的反射波信号，且可以识别延长线5中由于末端效应产生的干扰信号；光电信号收发器2随着输入光纤3的传输距离减小而空间分辨率上升。
当转动轴11转动时候，带动铜套13与水润滑轴承1摩擦，而产生摩擦热，由热传导的作用改变水润滑轴承1的温度分布。光电信号收发器2不停的发射光电信号，经过输入光纤3传输到光纤温度传感器4与延长光纤5，当光纤温度传感器4周围的温度发生变化时候，布里渊反射波的波长信息也随之发射变化，光电信号收发器2接收变化的布里渊反射波信息，与输入信号对比，从而分析出光纤温度传感器4沿轴承长度方向的温度分布情况。延长光纤5的存在，使得光电信号收发器2能够排除尾端部分长度的光电信号，从而排除光纤末端的影响效应。
优选地，采用本发明的试验装置，可以通过如下方法建立水润滑轴承1内轴承局部比压与温度分布的对应关系：
A、根据水润滑轴承1的种类获得转速与摩擦系数的关系；初始摩擦系数可根据水润滑轴承1的种类和转动轴11的材料直接查询资料得到(如果设置铜套13则查询铜套13的资料)，摩擦系数的变化则与转动轴11的转速相关，且转速和摩擦系数的变化可以直接测试得到，由此可以建立转速与摩擦系数的关系。
B、由于不同转速会引起摩擦系数变化，导致摩擦热变化，而摩擦热变化会导致光纤温度传感器4接收到的光信号发生变化，因此，根据光纤温度传感器4接收到的光信号的变化可以得到温度的变化，从而获得不同转速下水润滑轴承1内的温度分布；
C、获得水润滑轴承1内的温度分布后，可以基于动压润滑理论与热力学理论计算摩擦力大小，进而根据摩擦力和摩擦系数计算出压力大小，由此获得温度与压力的对应关系；
根据A、B、C确定温度与压力对应关系后，即可以直接由轴承内温度分布得到轴承内局部比压分布。
此外，在其他实施例中，将光纤温度传感器4替换为光纤压力传感器后，可以按照与步骤A、B、C相同的原理求解温度分布，得到温度与压力的关系，还可以根据测得的不同转速下的压力数据，结合之前优选实施例中获得的温度分布，反过来验算建立的温度与压力的对应关系是否准确，还可以利用优选实施例建立的温度与压力的对应关系反求温度分布。同理，将光纤温度传感器4替换为同时能测量压力与温度的光纤传感器，则可以根据同时获得的压力与温度分布直接获得压力与温度的关系，还能反过来方便的获取不同转速下的转动轴11与水润滑轴承1之间的摩擦系数大小。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神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 (9)

1.一种测量水润滑轴承内局部比压及温度分布的试验装置，其特征在于，包括：水润滑轴承(1)、光纤温度传感器(4)、输入光纤线(3)、光电信号收发器(2)、延长光纤线(5)、轴瓦(12)和传动轴(11)；光纤温度传感器(4)埋设于水润滑轴承(1)的壁部内；所述光纤温度传感器(4)一端通过输入光纤线(3)和光电信号收发器(2)连接，另一端与延长光纤线(5)连接；水润滑轴承(1)固定于轴瓦(12)内，传动轴(11)与水润滑轴承(1)的轴孔配合。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述水润滑轴承(1)为哈夫构造，下半部分的内侧表面开有冷却水槽(14)；光纤温度传感器(4)平行于轴承长度方向埋设于水润滑轴承(1)的下半部分壁部内，且沿水润滑轴承(1)的周向避开水槽分布。
3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述水润滑轴承(1)为一体构造，光纤温度传感器(4)在水润滑轴承(1)的壁部内部沿水润滑轴承(1)的周向螺旋布置。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的试验装置，其特征在于，所述光纤传感器(4)与水润滑轴承(1)一体加工成型，在水润滑轴承(1)的径向上布置于水润滑轴承(1)的最大允许磨损厚度处。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的试验装置，其特征在于，所述光纤温度传感器(4)直径小于0.5mm，包括由内至外设置的纤芯(10)、包层(9)和涂敷层(8)；所述输入光纤线(3)、延长光纤线(5)均包括由内至外设置的纤芯(10)、包层(9)、涂敷层(8)、增强纤维层(7)和保护套(6)。
6.根据权利要求1～3任意一项所述的试验装置，其特征在于，所述转动轴(11)的轴颈处套有铜套(13)；铜套(13)与水润滑轴承(1)内壁面直接接触；转动轴(11)能够以不同速度转动；轴瓦(12)与穿过水润滑轴承(1)的轴孔的部分转动轴(11)置于水槽中。
7.根据权利要求1～3任意一项所述的试验装置，其特征在于，按照如下方法建立轴承内温度分布与局部比压对应函数关系：
A、测试并记录转动轴(11)的转速以及水润滑轴承(1)与转动轴(11)之间摩擦系数随转速的变化，从而获得转速与摩擦系数的关系；
B、由于摩擦系数变化导致的摩擦热变化会引起光纤温度传感器(4)内的光信号变化，由此根据光纤温度传感器(4)内的光信号变化，测得不同转速下轴承内温度分布；
C、基于温度分布，按照动压润滑理论与热力学理论计算摩擦力大小，进而根据摩擦系数计算出压力，从而获得温度与压力的对应关系；
根据A、B、C确定温度与压力的对应关系后，由水润滑轴承(1)内的温度分布即可以得到轴承内的局部比压分布。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的试验装置，其特征在于，将光纤温度传感器(4)替换为光纤压力传感器。
9.根据权利要求1～7任意一项所述的试验装置，其特征在于，将光纤温度传感器(4)替换为能同时测量压力与温度的光纤传感器。
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