非接觸式電磁加載水潤滑軸承監(jiān)測系統(tǒng)

王 楠 楊利濤 梁應選 王 鵬 岳曉奎

1.陜西理工大學機械工程學院，漢中，7230012.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室，漢中，723001 3.西北工業(yè)大學航天飛行動力學技術(shù)國家級重點實驗室，西安，710072

0 引言

水潤滑軸承與傳統(tǒng)油潤滑軸承相比，由于采用水作為潤滑劑(無污染、節(jié)能)，且無需復雜的潤滑劑供給系統(tǒng)，簡化了機械結(jié)構(gòu)，運行可靠性得以大大提高，因而具有廣闊的應用前景，成為近年來的研究熱點。LITWIN[1]通過在軸承殼體上打孔、縱向和徑向下半周布置傳感器的方式研究了軸承的摩擦特性，試驗臺采用徑向供水與液壓缸機械加載方式；CABRERA 等[2]研究了水潤滑軸承的水膜壓力分布，試驗臺采用砝碼為軸承施加加載力、轉(zhuǎn)軸打孔安裝傳感器方式，并且軸承可以移動；覃文源等[3]研究了平面型水潤滑橡膠軸承的摩擦特性與主軸轉(zhuǎn)速、軸承比壓及回旋振動載荷之間的關(guān)系，試驗臺采用伺服電機與齒形皮帶帶動加載絲桿的機械加載方式；方軍強等[4]研究了水潤滑橡膠軸承的潤滑性能，試驗臺采用質(zhì)量塊-懸臂梁L形加載裝置；甘天斌[5]介紹了一種采用液壓缸方式加載的試驗臺，傳感器安裝在轉(zhuǎn)軸端面，避免了傳感器安裝對軸承潤滑狀態(tài)的影響，但只能對軸承施加靜態(tài)載荷；袁佳等[6]介紹了一種水潤滑艉軸承綜合試驗平臺，采用電液伺服作動器與液壓缸配合機械方式加載，轉(zhuǎn)軸為中空結(jié)構(gòu)，傳感器安裝在各截面均勻分布的徑向孔中，數(shù)據(jù)傳輸采用Wi-Fi。

傳統(tǒng)水潤滑軸承特性的試驗研究還有以下問題亟待解決：①加載裝置仍使用機械或液壓方式設(shè)計，由于直接與軸承或軸接觸，故存在振動、噪聲、發(fā)熱、摩擦磨損與損耗較大等問題；②傳感器安裝在軸承殼體或轉(zhuǎn)軸中，均為侵入式監(jiān)測，會破壞軸承工作界面的潤滑狀態(tài)，誤差較大，對機理性試驗不夠理想，且無法獲得軸承水膜壓力的全息分布；③信號傳輸大多采用有線方式，存在模擬信號衰減、集流環(huán)對傳輸信號干擾及可靠性問題，而Wi-Fi無線傳輸?shù)墓母?、無線穩(wěn)定性差，擴展能力有限。

針對以上問題，為了獲取更為準確的水潤滑軸承水膜壓力分布，進而研究軸承特性，WANG等[7]提出了一種無線測試方法，采用電磁加載、點對點數(shù)據(jù)無線傳輸以及傳感器安裝在軸肩處等方式，獲得了較為準確的水膜壓力試驗結(jié)果。但隨著研究的深入，逐漸發(fā)現(xiàn)還有以下問題需要解決：電磁加載裝置是一次設(shè)計成形的，即只能針對某種軸承或軸進行加載，結(jié)構(gòu)、線圈匝數(shù)與最大加載力已設(shè)計為定值，不具有通用性，限制了其使用范圍；電磁加載裝置的驅(qū)動與控制系統(tǒng)需要人工調(diào)節(jié)線圈電壓或電流，無法保證電磁加載力的實時動態(tài)調(diào)節(jié)，且會引入誤差；另外，現(xiàn)有水潤滑軸承上位機軟件功能還不完善，均會影響測試結(jié)果準確性。本文設(shè)計了一種新的非接觸式電磁加載裝置，并應用LabVIEW重新設(shè)計了水潤滑軸承上位機監(jiān)測軟件系統(tǒng)，對八溝槽水潤滑凹面與平面橡膠軸承水膜壓力進行測試，分析了試驗結(jié)果。

1 電磁加載裝置與水潤滑軸承試驗臺

1.1 電磁加載裝置

1.可調(diào)節(jié)支持架 2.組合線圈 3.軸 4.加粗軸套 5.鐵芯頭6.鐵芯 7.固定螺栓 8.線圈接頭 9.右旋絲杠 10.右螺母11.調(diào)節(jié)手柄插孔 12.左旋絲杠 13.左螺母 14.拉壓力傳感器15.底座固定孔 16.導向槽圖1 電磁加載裝置 Fig.1 Electromagnetic loading device

水潤滑軸承電磁加載裝置[8]如圖1所示，該裝置特點如下：電磁鐵沿斜面呈90°角安裝在支持架上，對轉(zhuǎn)軸施加作用力，以實現(xiàn)非接觸加載；針對不同曲率半徑的轉(zhuǎn)軸，鐵芯頭可拆卸更換進行匹配。電磁鐵鐵芯材料采用導磁性能良好的10鋼，電磁鐵的實際尺寸和形狀根據(jù)試驗臺的結(jié)構(gòu)、空間、加載力等因素綜合設(shè)計，其中與轉(zhuǎn)軸接觸的上部為圓弧面。電磁加載裝置支持架安裝平面留有安裝槽，將鐵芯底部嵌入支持架內(nèi)對電磁鐵進行定位。支持架上設(shè)計有正反絲杠螺母機構(gòu)，底部有導向槽，可通過調(diào)節(jié)手柄控制正反絲杠進行左右調(diào)節(jié)，然后用T形螺栓固定。導電線圈采用漆包銅導線，線圈纏繞在電磁加載裝置鐵芯上，根據(jù)不同加載力要求，可用線圈伸出接頭串行連接以調(diào)節(jié)線圈總匝數(shù)。

電磁加載裝置控制原理如圖2所示，電磁加載裝置的初值設(shè)定應參考根據(jù)加載電磁力要求、電磁鐵線圈匝數(shù)及布置情況而提前計算出的電磁鐵線圈電流理論值，同時考慮實際線圈漆包線的耐熱溫度，通過可編程直流電源進行設(shè)置并留有一定安全裕度。

圖2 電磁加載裝置控制原理Fig.2 Control schematic of electromagnetic loading device

電磁加載裝置所加載的主軸部位，采用加粗軸套以增大受力面積，材料采用45鋼，并用熱套方法配合，兩側(cè)用鎖緊螺母和軸用卡簧固定。電磁加載裝置底部安裝有拉壓力傳感器，用于測量電磁加載力大小。傳感器為中空圓筒狀，通過螺栓固定在支持架上。

轉(zhuǎn)軸加載力大小和方向的改變(即多角度加載與控制)可通過單片機采集與控制電路來控制可編程直流電源對電磁鐵線圈中的電流進行設(shè)置來實現(xiàn)。前置處理電路(包括電荷放大電路與濾波電路)將拉壓力傳感器傳輸過來的電壓信號進行放大與濾波處理，送至單片機采集與控制電路(主控芯片TI MSP430)進行采集并轉(zhuǎn)換為壓力值與預設(shè)值進行比較，然后輸出控制信號來動態(tài)調(diào)節(jié)可編程直流電源提供給電磁鐵線圈的電流，以控制電磁加載裝置加載力滿足測試要求。整個系統(tǒng)為閉環(huán)控制，電磁加載力可動態(tài)實時調(diào)節(jié)，以保證加載力的準確性。

1.2 水潤滑軸承試驗臺

如圖3所示，試驗臺[7]轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為100～1 200 r/min、供水壓力為0.1～0.6 MPa，可在一定載荷作用下對水潤滑水膜壓力及動剛度進行測試。為了保證試驗結(jié)果的可信度，試驗臺按5∶1的縮放比例設(shè)計，采用軸向供水方式，設(shè)置了6個進水管和出水管，用溫度計實時監(jiān)測水溫變化。6個水膜壓力傳感器安裝在右側(cè)軸肩處，沿軸向截面360°均勻布置，軸與軸承間的水膜壓力由軸中布置的縱向與橫向?qū)Я骺讉鬟f至右側(cè)傳感器處(縱向?qū)Я骺籽剌S向等距、周向螺旋式排布，并與橫向?qū)Я骺紫嗷ヘ炌ǔ蔐形結(jié)構(gòu))。由于傳感器不與軸承直接接觸，避免了對軸承潤滑界面的破壞，是一種非侵入式監(jiān)測方法。轉(zhuǎn)軸右側(cè)為中空結(jié)構(gòu)，傳感器獲取的水膜壓力信號通過軸中的屏蔽線傳遞至右側(cè)無線采集發(fā)射裝置，再由試驗系統(tǒng)外部的無線接收裝置接收，最終送至上位機測試與分析軟件進行進一步處理。

1.水箱 2.液壓泵 3.溫度計 4.壓力表 5.進水管6.轉(zhuǎn)軸 7.軸銅套 8.軸承外殼 9.橡膠軸瓦 10.軸承系統(tǒng)支撐11.出水管 12.加粗軸套 13.聯(lián)軸器 14.電動機A.傳感器安裝孔 B.無線采集發(fā)射裝置C.電磁加載裝置 D.測力傳感器(a) 試驗臺結(jié)構(gòu)

(b)轉(zhuǎn)軸實物圖圖3 水潤滑軸承試驗臺結(jié)構(gòu)圖與轉(zhuǎn)軸Fig.3 Structure chart of water-lubricated bearing test rig and bearing

2 水潤滑軸承監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 總體描述

水潤滑軸承監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖4，該系統(tǒng)分為兩大部分：①水膜壓力無線測試部分，主要包括水膜壓力傳感器、無線采集發(fā)射裝置、無線接收裝置、工控機及監(jiān)測分析軟件。無線采集發(fā)射裝置包括信號調(diào)理模塊與信號采集發(fā)射模塊，信號采集發(fā)射模塊主控芯片為TI DSP F2812，無線芯片為TI CC2530。②其他相關(guān)用于軸承輔助測試與分析的有線測試部分，主要包括各種傳感器(電渦流、鑒相與加載力傳感器)與信號調(diào)理電路、監(jiān)測分析軟件。

圖4 水潤滑軸承監(jiān)測系統(tǒng)Fig.4 Monitoring system of water-lubricated bearing

2.2 測點布置與傳感器安裝方案

圖5 測點布置與傳感器安裝方案Fig.5 Scheme of measurement point layout and sensor installation

水膜壓力信號測點布置及傳感器安裝方案如圖5所示(以八溝槽凹面軸承為例)[9]，水潤滑軸承的8個板條與6個傳感器被分別編號，從無線采集發(fā)射裝置向電機端看去，軸為順時針旋轉(zhuǎn)(圖3a)；采集鑒相信號的磁電傳感器位于水平位置，即傳感器1在板條1時的位置。從圖5可以看出，確定軸承位置之后，只要獲取鑒相信號(即傳感器1位置確定)，則其他傳感器位置也確定，由此可以得到每個傳感器所測得水膜壓力在每個板條上的分布情況。軸心軌跡信號可通過水平與垂直布置的電渦流傳感器獲取。

2.3 LabVIEW測試分析軟件

與監(jiān)測系統(tǒng)相對應，上位機軟件也分為無線與有線測試兩部分，即水膜壓力測試分析軟件，電磁加載力、鑒相與軸心軌跡測試分析軟件，均采用LabVIEW設(shè)計。

水膜壓力測試分析軟件后面板程序采用while循環(huán)、事件結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)六通道的水膜壓力無線信號實時接收、監(jiān)測、存儲與分析功能。無線接收裝置與上位機通過串口連接(RS232/485)，接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中是十六進制數(shù)據(jù)，而水膜壓力曲線圖則是以參考系統(tǒng)標定結(jié)果并轉(zhuǎn)換后的十進制數(shù)據(jù)顯示(kPa)，因此，程序包括串口讀取、進制轉(zhuǎn)換、數(shù)組拆分與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、頻譜分析、數(shù)據(jù)保存等部分。軟件中波特率設(shè)置為9 600 bit/s，數(shù)據(jù)位為8位，還可對數(shù)據(jù)個數(shù)及大小進行統(tǒng)計。 電磁加載力、鑒相與軸心軌跡測試分析軟件后面板程序采用while循環(huán)、順序結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖6所示。電磁加載力與軸心軌跡曲線圖均為以參考傳感器標定結(jié)果并轉(zhuǎn)換后的十進制數(shù)據(jù)顯示。電磁加載力與電渦流傳感器輸出信號直接接數(shù)據(jù)采集卡(NI6023)進行有線采樣，因此，程序中采用與采集卡對應的DAQ驅(qū)動模塊對采集卡進行設(shè)置，數(shù)據(jù)保存為xls格式。

圖6 電磁加載力、鑒相與軸心軌跡測試分析軟件后面板程序Fig.6 Back panel program of electromagnetic loading force, bond phase and axis trajectory testing and analysis software

3 應用實例

3.1 試驗對象及工況

應用水潤滑軸承監(jiān)測系統(tǒng)對八溝槽橡膠軸承水膜壓力進行測試，試驗軸承徑向截面如圖7所示，軸承長徑比為4∶1，軸承內(nèi)徑為100.8 mm，外徑為120.8 mm，橡膠襯層厚度為10 mm，溝槽半徑為3 mm。選用的各傳感器分別為：水膜壓力傳感器型號2200v1(美國Dytran)，電磁加載力傳感器材料為壓電石英，型號SD1422(北戴河實用電子技術(shù)研究所)，電渦流傳感器型號KH4100(安徽科航)，所有傳感器在試驗前均進行了標定。

(a) 凹面軸承

(b) 平面軸承

試驗工況如下：軸轉(zhuǎn)速為0～1 200 r/min(線速度0～6.28 m/s)，載荷F為0～2 000 N(比壓為0～0.047 MPa)，供水壓力為0.1～0.6 MPa。無線采集發(fā)射裝置參數(shù)設(shè)置如下：波特率為9 600 bits/s，無線采集發(fā)射裝置中的DSP2812六通道同時采樣，采樣頻率為1 024 Hz，采樣點數(shù)為256，每次傳輸數(shù)據(jù)量為3 072 Bytes。以上參數(shù)也可在上位機監(jiān)測軟件中進行設(shè)置。對水潤滑軸承水膜壓力進行測試之前，還對整個水潤滑軸系做了對中及平衡調(diào)整。

3.2 試驗結(jié)果及分析

軸轉(zhuǎn)速480 r/min、供水壓力0.25 MPa時，不同載荷F(500 N、1 000 N)下，傳感器4測得的八溝槽凹面橡膠軸承徑向截面水膜壓力全周分布測試結(jié)果如圖8所示，采用極坐標圖顯示，極徑表示壓力大小，參考傳感器標定結(jié)果并轉(zhuǎn)換之后，壓力單位為kPa，載荷單位為N。

(a) 水膜壓力曲線

(b) 軸心軌跡

圖8a表明，溝槽對水膜壓力分布產(chǎn)生了較大的影響，在軸承板條處均出現(xiàn)了數(shù)量不等的壓力峰，特別是在板條2、4、6、8處出現(xiàn)了壓力雙峰；由于水在周向流動中存在節(jié)流效應，故溝槽里的壓力并沒有顯著改變水膜壓力曲線的走勢。轉(zhuǎn)速一定，隨著載荷的增大，承載區(qū)(180°～360°)水膜壓力也增大，水膜逐漸向一區(qū)域聚合，軸承承載能力增大。軸承最大水膜壓力位于板條8處，這和徑向油軸承油膜壓力分布相似。軸承各板條上壓力最大值出現(xiàn)在板條中心，由于橡膠彈性模量小且不可壓縮，故會導致板條中心凹陷而板條兩邊變形隆起，形成水囊，壓力曲線中出現(xiàn)了壓力雙峰。

由圖8a還可看出，超過軸承收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)交界處，水膜壓力直接跳變到負值。以大氣壓為參考，認為水膜此時開始破裂。圖8b中，軸心軌跡隨著載荷的增大向下移動，表明加載力方向垂直向下。軸心軌跡形狀不規(guī)則，表明軸與軸承在某些位置發(fā)生了碰撞。因此，凹面橡膠軸承不存在完全連續(xù)水膜，只有部分水膜承擔載荷。

軸轉(zhuǎn)速480 r/min、供水壓力0.25 MPa時，不同載荷(500 N、1 000 N)下，傳感器6測得的八溝槽平面橡膠軸承徑向截面水膜壓力全周分布測試結(jié)果如圖9所示。

(a) 水膜壓力曲線

(b) 軸心軌跡

由圖9a可見，隨著載荷增大，承載區(qū)壓力隨之增大，最大水膜壓力位于板條8處。與凹面軸承圖8a的試驗結(jié)果不同，溝槽對平面軸承水膜壓力分布影響更大，軸承各板條與溝槽間的壓力變化較大，壓力過渡不平緩，軸承每個板條都形成了流體壓力，出現(xiàn)了清晰的壓力峰，但壓力較小。大部分板條與溝槽壓力過渡區(qū)出現(xiàn)了負壓力(負值區(qū))，表明軸承板條與溝槽過渡處水膜破裂，軸承很難形成連續(xù)潤滑膜。比較圖9b與圖8b可見，平面軸承軸心軌跡更不規(guī)則，出現(xiàn)了更多毛刺，說明軸與軸承有更多的直接表面接觸。分析圖9可知，與凹面橡膠軸承相比，平面橡膠軸承軸系運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、穩(wěn)定性差；軸承每個板條有獨立壓力峰，且隨著載荷的變化而變化，表明板條上有部分流體動壓潤滑膜存在，因此，平面橡膠軸承應為邊界潤滑和流體動壓潤滑混合狀態(tài)，且其邊界潤滑范圍大于凹面橡膠軸承邊界潤滑范圍。與圖8、圖9相同條件下的水膜壓力分布FLUENT軟件仿真結(jié)果如圖10所示。

(a) 凹面軸承水膜壓力分布

(b) 平面軸承水膜壓力分布

軟件建模、邊界條件設(shè)置及求解過程描述如下：首先采用Pro/E軟件建立軸和軸承之間區(qū)域的三維模型，并用Gambit軟件進行網(wǎng)格劃分，在溝槽內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在板條處采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。之后將劃分好的網(wǎng)格導入FLUENT，采用修正湍流黏度的RNGk-ε模型，解的格式選擇分離解算器隱式算法；邊界條件設(shè)定潤滑介質(zhì)為水，進口邊界條件為壓力入口，入口壓力為0.25 MPa；出口邊界條件設(shè)定為壓力出口，出口壓力為0.23 MPa；壁面條件為無滑移邊界條件，水膜內(nèi)壁為動邊界條件，外壁為靜止邊界條件；對離散格式均采用二階迎風模式，選擇Simple解法求解，并設(shè)置合理的松弛因子以保證結(jié)果的收斂速度和精度，最后初始化流場，開始迭代計算。

與圖8a相比，圖10a的仿真曲線變化趨勢與之相同，在數(shù)值上與之相近，但仿真曲線比試驗結(jié)果更為光滑和連續(xù)，隨著載荷增大，承載區(qū)也增大，而非承載區(qū)壓力則減??；承載區(qū)與非承載區(qū)之間也有壓力跳變出現(xiàn)。與圖9a相比，圖10b中板條8最大水膜壓力處出現(xiàn)了“水囊”現(xiàn)象，每個板條都有清晰的壓力峰，水膜壓力數(shù)值相差不大，曲線變化規(guī)律也一致。

將上述凹面與平面軸承的試驗結(jié)果分別與文獻[1-2]、文獻[4-6]中有關(guān)水膜壓力的理論分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，“水囊”現(xiàn)象、“凹面軸承在承載區(qū)(周向角210°～330°)處存在水膜，之后水膜開始破裂”、“凹面軸承不存在連續(xù)水膜”、“平面軸承每個板條都有獨立壓力峰，負壓區(qū)較大、板條與溝槽過渡處水膜破裂，很難形成連續(xù)水膜”等水膜壓力變化規(guī)律與軸承特性的試驗分析結(jié)果與相關(guān)文獻中的仿真分析結(jié)果是一致的，由此證明了應用本文監(jiān)測系統(tǒng)的有效性以及水膜壓力測試結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計的非接觸式電磁加載裝置的鐵芯頭可更換，位置與電磁力可靈活調(diào)節(jié)，而LabVIEW軟件系統(tǒng)功能豐富，更易擴展功能，因此，如果對本文中試驗臺與測試系統(tǒng)進行進一步改造，可滿足不同尺寸、不同材料(石墨、陶瓷、塑料等)的水潤滑軸承水膜壓力測試，也可用于水潤滑軸承的動剛度測試。

(2)凹面橡膠軸承板條與溝槽過渡處水膜破裂，板條中心形成水囊，軸承很難形成連續(xù)潤滑膜；平面橡膠軸承軸系運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、穩(wěn)定性差，軸承每個板條有獨立壓力峰，且隨著載荷的變化而變化，板條上有部分流體動壓潤滑膜存在，軸承處于邊界潤滑和流體動壓潤滑混合狀態(tài)。