CN113848060A - 一种动态测量滑动轴承油膜空化区域的装置及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态测量滑动轴承油膜空化区域的装置及测量系统，其基于超声波法，利用不同介质声阻抗不同的原理，实现对油膜空化区域的动态监测与图像输出；所述装置包括基座、转子、超声波传感器、供油系统、传感器调节部分；所述转子可相对转动地固定设置在基座上，所述转子内部设置有空腔，所述空腔为由伸入部分和扩径部分组成的阶梯型中空结构；所述供油系统包括润滑油箱、离心泵和伸入轴，所述超声波传感器固定在所述伸入轴的伸入转子内部的一端的末端位置处；所述传感器调节部分包括直线导轨、齿轮箱、手轮和手轮轴，所述直线导轨固定安装在基座上，所述齿轮箱安装在直线导轨上。

Description

一种动态测量滑动轴承油膜空化区域的装置及测量系统

技术领域

本发明涉及滑动轴承、滑动轴承的油膜空化试验装置技术领域，具体涉及一种动态测量滑动轴承油膜空化区域的装置及测量系统。

背景技术

在大型旋转机械中，由于油润滑滑动轴承承载能力高、使用寿命长、加工维修方便，因而被广泛应用。润滑油在轴承微小流道间隙较低压力状态下产生空化现象，形成气液两相共存的流态，这种微观的流动特性直接决定着轴承宏观动静力学特性，并影响着设备的运行性能。在旋转机械的实际运行中，滑动轴承空化同时还具有一定的可预测性，因此对易发生空化的轴承区域进行监测尤为重要。

常见的滑动轴承空化测试方法包括振动技术、可视化技术、超声波技术。振动技术通过分析滑动轴承在各个转速下的空化振动速率谱，标记滑动轴承所发生的空化，但是对于发生空化的区域不能实时显示；可视化技术使滑动轴承部分零件采用透明材质，利用高速CCD对图像瞬态采集并进行后处理，然而此方法对于试验条件与硬件设施条件极高并不能在实验室环境普遍使用。

超声波技术通过超声波传感器发射超声波信号，由于空气的声阻抗极低，超声波在轴承金属材料与空气的界面将发生全反射，导致超声波无法有效穿透空气介质进行传播，利用此特性可以判断空化是否发生以及空化区域边界。

发明内容

基于上述现有技术现状，本发明的目的在于提供一种动态测量滑动轴承油膜空化区域的装置及测量系统，其基于超声波在不同介质的声阻抗差异原理，实现对滑动轴承油膜空化区域的动态监测与图像输出；相较于高速摄影法和振动法，本发明所采用的超声波方案具有能够长时间和全方位的监测的优点，并降低了试验环境下滑动轴承油膜空化的测量成本，具有一定的优越性。

本发明采用的技术方案如下：一种动态测量滑动轴承油膜空化区域的装置，其特征在于包括基座、转子、超声波传感器、供油系统、传感器调节部分；

所述转子可相对转动地固定设置在基座上，所述转子内部设置有空腔，所述空腔为由伸入部分和扩径部分组成的阶梯型中空结构；所述转子通过第一角接触球轴承和第二角接触球轴承可相对转动地固定设置在基座上，所述第一角接触球轴承和第二角接触球轴承之间还设置有滑动轴承，第一和第二角接触球轴承相对于滑动轴承对称设置，且所述滑动轴承、第一和第二角接触球轴承均通过螺栓固定安装在基座上。

所述供油系统包括润滑油箱、离心泵和伸入轴，所述伸入轴内部设置有贯穿伸入轴的通道，且所述伸入轴的一端部伸入所述转子的内部空腔内，储存在所述润滑油箱内部的润滑油通过离心泵和伸入轴的内部通道向所述转子的内部空腔注入润滑油；所述润滑油箱存储同滑动轴承的油膜相同品类的润滑油，可以保证超声波在转子的空腔内和在滑动轴承的轴瓦与转子的缝隙内传播特性相同。

所述超声波传感器固定在所述伸入轴的伸入转子内部的一端的末端位置处；具体的，所述超声波传感器通过粘合方式安装在伸入轴末端，且超声波传感器信号发射方向与收集方向相对于伸入轴的轴向方向呈径向布置；选择的所述超声波传感器发射束角控制在10°以内，以适配本发明中转子和伸入轴的搭配关系，减少能量的耗散。

所述传感器调节部分包括带有卡尺的直线导轨、齿轮箱、手轮和手轮轴，所述直线导轨固定安装在基座上，所述齿轮箱安装在直线导轨上，具体的，所述齿轮箱底部安装卡爪并固定在带有卡尺的直线导轨上，超声波传感器依靠齿轮箱在导轨上移动带动伸入轴移动而实现轴向动态位置变化，并根据卡尺显示的坐标调整检测位置；所述伸入轴的另一端部与齿轮箱连接，且由所述齿轮箱沿直线导轨移动来带动所述伸入轴沿轴向移动；所述手轮固定在手轮轴的端部，所述手轮轴的另一端部与齿轮箱连接，转动手轮可通过齿轮箱联动从而带动所述伸入轴转动；所述手轮上附带有角度标志，以超声波传感器伸入时的角度为周向初始位置，通过手轮上角度标志调整监测角度。

优选的，所述基座的端部还设置有电机，所述电机通过联轴器与转子固定连接。

优选的，所述伸入轴的外径设置为相对于转子内部空腔的伸入部分的内径小6mm。

所述超声波传感器通过导线引出后与信号采集卡连接进行后续信号分析，为了避免超声波传感器的导线与转子缠绕干扰，所述伸入轴表面上设置有伸入轴外侧凹槽，所述超声波传感器的导线通过所述伸入轴外侧凹槽引出转子内部空腔；所述伸入轴的外侧表面上还设置有键槽，所述键槽用于与所述齿轮箱通过键固定连接。

本发明还公开了一种动态测量滑动轴承油膜空化区域的测量系统，其采用上述动态测量滑动轴承油膜空化区域的装置，包括超声波信号发射部分、超声波信号接受部分、超声波信号采集部分；所述超声波信号发射部分包括超声波发生器、内置超声波放大器、调制开关和压电陶瓷阵列，所述超声波发生器发出超声波后由超声波放大器放大和开关调制后经压电陶瓷阵列发射；所述超声波信号接受部分将接收到的信号传输至超声波信号采集部分进行数据处理和成像；所述超声波信号采集部分包括信号采集卡和超声波成像软件，所述信号采集卡对超声波信号接受部分发送来的信号进行模数转换、数据缓存、信号传输，经处理的信号通过超声波成像软件以可视的方式显示。

本发明的测量系统利用Matlab软件编写程序并利用Labview进行打包，通过超声波在不同阻抗介质组成界面处的反射与透射特性，建立了超声波在润滑油和滑动轴承界面处的反射模型，实现了超声波在各界面处反射信号发生重叠时目标发射信号的有效提取。通过小波理论对接收的信号进行处理，优化了信噪比，提高了测量方法在空化区域的精确度并实现了空化区域的实时图像输出。

附图说明

图1是本发明动态测量滑动轴承油膜空化区域装置的结构俯视图；

图2是本发明动态测量滑动轴承油膜空化区域装置的结构正视图；

图3是本发明装置的转子剖面图；

图4是本发明装置的伸入轴剖面图；

图5是本发明动态测量滑动轴承油膜空化区域测量系统的示意图；

图6是本发明动态测量滑动轴承油膜空化区域测量系统的实际效果图；

图中：1、电机；2、联轴器；3、转子；4、第一角接触球轴承；5、滑动轴承；6、第二角接触球轴承；7、直线导轨；8、油槽；9、齿轮箱；10、手轮轴；11、手轮；12、伸入轴；13、离心泵；14、离心泵入口；15、润滑油箱出口；16、润滑油箱；17、超声波传感器；18、离心泵出口；19、基座；20、伸入轴外侧凹槽；21、键槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，图1是本发明动态测量滑动轴承油膜空化区域装置的结构俯视图，图2是本发明动态测量滑动轴承油膜空化区域装置的结构正视图；结合图1-2，本发明的动态测量滑动轴承油膜空化区域的装置，包括基座19，所述基座19上设置有转子3，所述转子3通过第一角接触球轴承4和第二角接触球轴承6可相对转动地固定设置在基座19上，所述第一角接触球轴承4和第二角接触球轴承6之间还设置有滑动轴承5，所述滑动轴承5、第一和第二角接触球轴承4,6均通过螺栓固定安装在基座19上。

所述基座19上还设置有润滑油箱16、离心泵13、伸入轴12和带卡尺的直线导轨7，所述伸入轴12一端伸入转子3内部，另一端向外伸出并与固定在所述直线导轨7上的齿轮箱9连接，所述齿轮箱9底部安装卡爪并通过所述卡爪与所述直线导轨固定安装；由所述齿轮箱9沿直线导轨7移动并带动所述伸入轴沿轴向移动，从而实现伸入轴的轴向动态位置变化。所述伸入轴12伸入转子3内部的一端的末端上安装有超声波传感器17，所述超声波传感器17通过粘合方式安装在伸入轴12末端，且超声波传感器信号发射方向与收集方向相对于伸入轴的轴向方向呈径向布置。齿轮箱9带动伸入轴12移动，从而可根据卡尺显示的坐标调整超声波传感器17的监测位置。

所述润滑油箱16用于存储同滑动轴承5的油膜相同品类的润滑油，润滑油经由润滑油箱出口15、离心泵入口14、离心泵13、离心泵出口18后，为容纳伸入轴12的伸入端的转子3内部的空腔内提供润滑油，当润滑油注满转子3内部空腔后，经由转子3内部空腔的端口处流出，并通过位于所述端口处下方的基座上的油槽8收集再利用。转子3内部润滑油与滑动轴承5的油膜选择相同品类，可以保证超声波在转子3的空腔内和在滑动轴承5的轴瓦与转子3的缝隙内传播特性相同。

所述转子3内部设置有空腔，参见图3，图3是本发明装置的转子剖面图，如图所示，所述空腔为由伸入部分和扩径部分组成的阶梯型中空结构，所述伸入部分供伸入轴12的一端向内伸入转子3内部，所述扩径部分为直径大于所述伸入部分的圆柱形空间；所述伸入轴12的外径比所述伸入部分的内径略小，在本实施例中，所述伸入轴12的外径设置为相对于转子3内部空腔的伸入部分的内径小6mm，以使得所述伸入轴12和超声波传感器17可顺利伸入转子3内部空腔内。

图4是本发明装置的伸入轴剖面图，如图所示，所述伸入轴12内部设置有贯穿伸入轴12的通道，以供来自离心泵13的润滑油沿所述通道流动至转子3的内部空腔中；所述伸入轴12表面上设置有伸入轴外侧凹槽20，且所述伸入轴12的外侧表面上还设置有键槽21，所述键槽21用于与所述齿轮箱9通过键固定连接。本发明的装置中的超声波传感器17通过导线引出后与信号采集卡连接进行后续信号分析，为了避免超声波传感器17的导线与转子3缠绕干扰，所述导线通过所述伸入轴12表面的伸入轴外侧凹槽20引出。

优选的，所述超声波传感器17发射束角控制在10°以内，以适配本发明中转子3和伸入轴12的搭配关系，有效减少了能量的耗散。

参见图1，本发明的装置还包括手轮轴10和手轮11，所述手轮11固定在手轮轴10的端部，所述手轮轴10的另一端部与齿轮箱9连接，通过齿轮箱9联动从而带动所述伸入轴12转动，实现超声波传感器17的周向位置的变化；所述手轮11上还附带有角度标志，以超声波传感器17伸入时的角度为周向初始位置，通过手轮11上角度标志调整监测角度。

所述基座19的端部还设置有电机1，所述电机1通过联轴器2与转子3固定连接，从而带动所述转子3转动。

图5是本发明动态测量滑动轴承油膜空化区域测量系统的示意图，如图所示，本发明的动态测量滑动轴承油膜空化区域的测量系统主要包括超声波信号发射部分、超声波信号接受部分、超声波信号采集部分；所述超声波信号发射部分包括超声波发生器、内置超声波放大器、调制开关和压电陶瓷阵列，所述超声波发生器发出超声波后由超声波放大器放大和开关调制后经压电陶瓷阵列发射，由接收元进行超声波信号接收；超声波信号接受部分将接收到的信号传输至超声波信号采集部分进行数据处理和成像；所述超声波信号采集部分包括信号采集卡和超声波成像软件，所述信号采集卡对超声波信号接受部分发送来的信号进行模数转换、数据缓存、信号传输，经处理的信号通过超声波成像软件以可视的方式显示。

如图6所示，是本发明动态测量滑动轴承油膜空化区域测量系统的实际效果图，本发明对超声波成像软件进行程序编写，通过小波理论对接收的信号进行处理，优化了信噪比，提高了测量方法在盲区的精确度；对噪声引起的反射系数幅值波动进行了阈值限制，进一步提高了取极小值频率时的可靠性，确保了空化区域边界的准确性；在膜厚分布区间上实现了自动判断，可自动识别空化区域从而运行针对性程序，并在软件输出界面上通过空化指示器显示是否发生空化。

本发明的动态测量滑动轴承油膜空化区域的方法具体包括以下步骤：

在测量之前，首先将伸入轴12以及超声波传感器17通过转子3中空通道伸入至轴颈处合适位置，并记下此时齿轮箱9在直线导轨7上的坐标位置与超声波传感器17相对于水平方向的角度，然后开始测量：

1)打开离心泵13并调节好润滑油泵入的流量；2)待润滑油从转子3中空通道端口流出时，打开信号采集卡、示波器以及PC机开关并接通超声波传感器17电源，将超声波传感器频率调至最佳；3)待示波器波形稳定后，打开电机1开关使转子3转动；4)启动超声波成像软件并记录超声传感器17初始位置的空化发生情况；5)移动齿轮箱9来监测轴颈部其他轴向部位空化情况；转动手轮11来监测轴颈部周向其他部位空化情况；6)最后关闭电机1、离心泵13开关。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种等效结构或等效流程的修改或变形，或直接或间接运用到其他相关的技术领域，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种动态测量滑动轴承油膜空化区域的装置，包括基座、转子、超声波传感器、供油系统、传感器调节部分；

所述转子可相对转动地固定设置在基座上，所述转子内部设置有空腔，所述空腔为由伸入部分和扩径部分组成的阶梯型中空结构；

所述供油系统包括润滑油箱、离心泵和伸入轴，所述伸入轴内部设置有贯穿伸入轴的通道，且所述伸入轴的一端部伸入所述转子的内部空腔内，储存在所述润滑油箱内部的润滑油通过离心泵和伸入轴的内部通道向所述转子的内部空腔注入润滑油；

所述超声波传感器固定在所述伸入轴的伸入转子内部的一端的末端位置处；

所述传感器调节部分包括直线导轨、齿轮箱、手轮和手轮轴，所述直线导轨固定安装在基座上，所述齿轮箱安装在直线导轨上，所述伸入轴的另一端部与齿轮箱连接，且由所述齿轮箱沿直线导轨移动来带动所述伸入轴沿轴向移动；所述手轮固定在手轮轴的端部，所述手轮轴的另一端部与齿轮箱连接，转动手轮可通过齿轮箱联动从而带动所述伸入轴转动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述转子通过第一角接触球轴承和第二角接触球轴承可相对转动地固定设置在基座上，所述第一角接触球轴承和第二角接触球轴承之间还设置有滑动轴承，所述滑动轴承、第一和第二角接触球轴承均通过螺栓固定安装在基座上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述手轮上附带有角度标志，以超声波传感器伸入时的角度为周向初始位置，通过手轮上角度标志调整监测角度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述基座的端部还设置有电机，所述电机通过联轴器与转子固定连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征还在于，所述超声波传感器通过粘合方式安装在伸入轴末端，且超声波传感器信号发射方向与收集方向相对于伸入轴的轴向方向呈径向布置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征还在于，所述直线导轨上设置有卡尺，所述卡尺用以显示坐标来调整超声波传感器监测的位置。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述伸入轴的外径设置为相对于转子内部空腔的伸入部分的内径小6mm。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征还在于，所述伸入轴表面上设置有伸入轴外侧凹槽，所述超声波传感器的导线通过所述伸入轴外侧凹槽引出转子内部空腔；所述伸入轴的外侧表面上还设置有键槽，所述键槽用于与所述齿轮箱通过键固定连接。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述超声波传感器发射束角控制在10°以内。

10.一种动态测量滑动轴承油膜空化区域的测量系统，其使用权利要求1-9任一项所述的装置，包括超声波信号发射部分、超声波信号接受部分、超声波信号采集部分；所述超声波信号发射部分包括超声波发生器、内置超声波放大器、调制开关和压电陶瓷阵列，所述超声波发生器发出超声波后由超声波放大器放大和开关调制后经压电陶瓷阵列发射；所述超声波信号接受部分将接收到的信号传输至超声波信号采集部分进行数据处理和成像；所述超声波信号采集部分包括信号采集卡和超声波成像软件，所述信号采集卡对超声波信号接受部分发送来的信号进行模数转换、数据缓存、信号传输，经处理的信号通过超声波成像软件以可视的方式显示。

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