基于Matlab_GUI 的推力球軸承性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

朱梓旭 向朝陽(yáng) 方世紀(jì) 張大欽

（西南石油大學(xué)，四川 成都610000）

MATLAB 具有強(qiáng)大的繪圖功能和數(shù)據(jù)批量處理能力。Matlab 中的GUI（Graphical User Interface）工具可以嵌入已有的仿真程序, 又可以把仿真結(jié)果圖形畫出并以人機(jī)交互的動(dòng)態(tài)形式呈現(xiàn)給客戶及操作者。同時(shí)，GUI 還為軟件開發(fā)提供了高集成度的開發(fā)環(huán)境，可有效提高效率。本文通過運(yùn)用Matlab GUIDE結(jié)合M文件進(jìn)行程序的編寫，運(yùn)用Flag 文件進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化播放，以實(shí)現(xiàn)渦輪鉆具止推軸承仿真系統(tǒng)的搭建，用戶在使用的過程中無(wú)需了解回調(diào)程序是如何編寫的，只需掌握各種功能的使用方法就可以輕松操作系統(tǒng)。

渦輪鉆具推力球軸承的使用壽命是決定渦輪鉆具失效的重要因素，制約著回次進(jìn)尺的長(zhǎng)度。軸承節(jié)止推軸承處于大沖擊、高速度、高溫度、大載荷的惡劣工況，長(zhǎng)時(shí)間承受鉆井液和巖液的沖蝕、磨蝕作用，工作面易出現(xiàn)壓潰、變形、破裂、腐蝕、脫落等工況。軸承表面的磨損總量超出限度時(shí)，將會(huì)造成渦輪定子、轉(zhuǎn)子等的失效。故對(duì)軸承表面振動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)速、溫度、潤(rùn)滑劑流量等工況的研究至關(guān)重要。

本文的主要研究工作是基于GUI 對(duì)單副止推軸承進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試軸承的各項(xiàng)性能參數(shù)、繪制止推軸承的性能曲線，從而分析和研究延長(zhǎng)軸承壽命的方法。

1 硬件部分

本測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分又可細(xì)分為機(jī)械部分和測(cè)控硬件設(shè)備，機(jī)械部分的構(gòu)成部分主要有主軸、支架、實(shí)驗(yàn)主機(jī)殼體、整機(jī)臺(tái)架等等，這些組成部分相互配合，為整機(jī)的運(yùn)行打下基礎(chǔ)的同時(shí)，也為測(cè)控硬件設(shè)備的裝配提供了必要的支持。系統(tǒng)的測(cè)控部分硬件有傳感器、電機(jī)、直流穩(wěn)壓電源、開發(fā)板、數(shù)據(jù)采集卡等等，各部分的協(xié)調(diào)工作為數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理提供了有力的保障。

2 軟件部分

本測(cè)試系統(tǒng)的軟件部分通過matlab-GUI 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過構(gòu)造一定的結(jié)構(gòu)框架，如圖1，模擬一定轉(zhuǎn)速以及一定循環(huán)液流量情況下，改變相應(yīng)因變量得到的振動(dòng)，溫度的變化信息，并通過曲線圖等形式顯示出來。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 變轉(zhuǎn)速測(cè)量

圖1 GUI 仿真實(shí)驗(yàn)圖

整機(jī)啟動(dòng)并預(yù)熱完成以后，選定循環(huán)液流量值為0.5L/s，對(duì)推力球軸承進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程中會(huì)緩慢升高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，以觀察振動(dòng)、溫度等參數(shù)的變化情況。需要說明的是，由于測(cè)試過程中參數(shù)值變化比較緩慢，每隔5min 采樣一次，繪制出在循環(huán)液流量為0.5L/s 時(shí)，軸承的振動(dòng)情況同轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系圖，如圖2 所示。需要說明的是，由于振動(dòng)傳感器輸出的模擬電壓值與具體振動(dòng)情況之間的聯(lián)系不明確，所以只能定性的表示出轉(zhuǎn)速與振動(dòng)情況之間的關(guān)系。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速較低的情況下，振動(dòng)就會(huì)更強(qiáng)烈，這是由于電機(jī)在輸出轉(zhuǎn)速過低時(shí)，轉(zhuǎn)軸的自激振動(dòng)就會(huì)比較強(qiáng)烈，而隨著輸出轉(zhuǎn)速的升高，此自激振動(dòng)效應(yīng)就會(huì)減弱，此時(shí)，軸承上產(chǎn)生的振動(dòng)主要來源于軸承工作時(shí)與主軸之間的摩擦，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于某個(gè)臨界值時(shí)，由于摩擦作用加劇及材料發(fā)熱等原因，振動(dòng)就會(huì)緩慢增強(qiáng)。

圖2 轉(zhuǎn)速- 振動(dòng)的關(guān)系曲線

同理，也可繪制出溫度與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線，如圖3 所示。由圖可知，當(dāng)潤(rùn)滑液流量不變時(shí)，軸承的溫度會(huì)隨轉(zhuǎn)速的增大而升高，這是因?yàn)?，?dāng)軸承轉(zhuǎn)速增快，其摩擦功耗就會(huì)增大，從而導(dǎo)致軸承表面溫度增加。

圖3 轉(zhuǎn)速- 溫度的關(guān)系曲線

3.2 變流量測(cè)試

整機(jī)啟動(dòng)并預(yù)熱完成以后，選定電機(jī)轉(zhuǎn)速為140r/min，對(duì)推力球軸承進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程中會(huì)緩慢升高循環(huán)液的流量值，以觀察振動(dòng)、溫度等參數(shù)的變化情況。測(cè)試過程中參數(shù)值變化比較緩慢，數(shù)據(jù)為每隔5min 采樣一次所得，繪制出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為140r/min 時(shí)，軸承的振動(dòng)情況同流量之間的關(guān)系圖，如圖4所示。轉(zhuǎn)速之所以選定為140r/min，是因?yàn)樵谏鲜鲎冝D(zhuǎn)速測(cè)試中，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速維持在此數(shù)值時(shí)，軸承的振動(dòng)情況較弱，說明在此轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，軸承和整機(jī)可以在較為穩(wěn)定的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 流量- 振動(dòng)的關(guān)系曲線

需要說明的是，由于振動(dòng)傳感器輸出的模擬電壓值與具體振動(dòng)情況之間的聯(lián)系不明確，所以只能定性的表示出振動(dòng)情況與流量之間的關(guān)系?？梢钥闯觯诹髁吭谳^低的范圍內(nèi)逐漸增長(zhǎng)的過程中，軸承的振動(dòng)情況的變化并不明顯，當(dāng)流量超過某一臨界值時(shí)，振動(dòng)就會(huì)加劇，這是因?yàn)橐愿吡髁垦h(huán)的潤(rùn)滑液會(huì)在潤(rùn)滑軸承的同時(shí)對(duì)軸承造成一定的沖擊，從而導(dǎo)致振動(dòng)加劇。

同理，也可繪制出溫度與流量之間的關(guān)系曲線，如圖5 所示。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速固定的情況下，軸承工作時(shí)的溫度與潤(rùn)滑液流量基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，這是因?yàn)殡S著流量的增加，潤(rùn)滑液帶走軸承表面熱量的效率會(huì)更高，軸承的因摩擦而發(fā)熱的狀況就會(huì)得到緩解。

圖5 流量- 溫度的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

本文以繪制動(dòng)力鉆具止推軸承的性能曲線為目的，結(jié)合實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了一套微型止推軸承性能測(cè)試系統(tǒng)。模擬了兩種環(huán)境下微型推力軸承的實(shí)驗(yàn)工況，成功獲取到了它們工作時(shí)的性能參數(shù)，并根據(jù)采集的參數(shù)繪制出了測(cè)試軸承的性能曲線。