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滑动轴承 |
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一种基于CAT的滑动轴承特性测试方法 |
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作者：西安交大 姜歌东 徐华 杨兆建 丛红 |
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摘要：为解决滑动轴承性能测试中存在的实验数据多、实验涉及因素复杂、可控性差等问题，本文提出了一种基于CAT(计算机辅助实验)的滑动轴承特性测试方法，并针对四瓦可倾瓦轴承进行了实验研究。实践证明，采用这种方法提高了实验结果的可靠性，缩短了整个实验周期。
关键词：CAT，滑动轴承特性，四瓦可倾瓦轴承
流体动压滑动轴承是汽轮发电机组的关键部件，它的摩擦学设计是汽轮发电机组稳定性设计的基础。流体动压滑动轴承的摩擦学设计所根据的数学模型中有许多假设，对于某一具体设计目标，这些假设是否成立，设计结果是否可靠，需要由实验测量予以考察。
滑动轴承性能的试验测量，特别是动特性的测量，通常是用磁带记录仪记下测量的信号，然后再到数据分析系统中去分析和处理，以得到最终所要求的数据。整个过程是一个黑匣子。汽轮发电机组支承轴的实验涉及的因素很多，既有人为因素和自然因素，也有主观因素和客观因素，任何一个因素处理不当，都可能导致实验的失败。如果整个试验处于黑匣子之中，势必要反复多次试验才能取得成功，不但浪费巨大的人力和物力资源，而且需要相当长的周期。计算机辅助流体动压滑动轴承静、动态测试系统，应用CAT技术，对轴承实验中所出现的大量数据实施高速采集和实时在线处理分析，在实验过程中的任意阶段对以前所采集到的数据进行回访、查询和处理，提高了实验结果的可靠性，缩短了整个实验周期。
1 实验台结构
实验台基本结构如图1所示。整个试验系统安装在减振弹簧基座上，驱动部分由无级直流调速电机1和增速箱2组成，实验部分由主轴4、两端支承轴承5、被测试浮动轴承13、加静载装置(8、9、10、11、15、16)、轴向定位装置14、加动载装置(如图3)组成。
1—直流电机 2—增速箱 3—联轴节 4—主轴 5—支承轴承 6—支承轴承套 7—支承轴承座
8—拉紧杆 9—波纹管 10、15—垫块 11—试验台加载传感器 12—试验轴承套
13—浮动试验轴承 14—导向装置 16—加载板
图1 滑动轴承试验台
2 测试系统
测试系统原理如图2所示。各种测量信号经预置放大装置分别进入PPMD-2前置处理器的不同通道，从前置处理器出来的标准信号再经A/D转换后送入计算机处理。CAT系统的主机采用IBM/PC386以上的微机或兼容机。
图2 测试系统原理图
(1)物理量的测量：
单频两次法识别轴承动特性，要测量动态激振力、轴承相对振动响应和轴承绝对振动响应。动态激振力及振动响应信号的测点位置如图3所示，其中18、19为电磁激振装置，27、17是电阻应变式测力装置，用于测量正弦动态激振力，21、22、23、24、25、26为非接触式电涡流传感器，21、22、23、24分别装在被测轴承的两端，用于测量试验主轴对被测轴承垂直和水平方向的相对位移和振动，25、26用于测量被测轴承对于基础的绝对位移和振动动。
轴承负荷由电阻应变式载荷传感器测量，测点位置如图3中20。轴承各个轴瓦上的负荷由弯矩梁片电阻应变传感器测量，如图4中1、2、3、4所示。轴承温度测量采用铜-康铜热电偶，测点分布在轴向左、中、右三个截面的A、B、C、D、E、F六个点上。轴承相对位移由涡流传感器测量，其测点布置如图3中21、22、23、24。进油流量由玻璃转子流量计测量。进、出油温由温度计在油站出油口处和回油池中分别测得。
4—主轴 12—试验轴承套 13—浮动试验轴承 18，19—电磁激振器
21，22—垂直相对位移传感器 23，24—水平相对位移传感器
25、26—水平、垂直绝对位移传感器 27，17—测力应变
图3激振器与传感器安装位置
图4 可倾瓦轴承测点布置
(2)测量数据预处理
PPMD-2前置数据处理器的主要作用是对转速、振动/位移、温度等不同类型的快变、慢变信号进行放大、滤波、抵直、整形等预处理，以适应A/D转换的要求。一方面滤去快变信号主要的直流分量，将直流残量和交流量一起放大到±5V，然后滤去高频分量。另一方面对压力、温度等慢变量的电压信号进行缓冲、滤波、量化等处理。实验过程中，温度测量信号(温差热电势)经过预置放大电路变成0～5V的标准信号，接入前置数据处理器的慢变信号通道上。各轴瓦静态载荷、轴承静态载荷测量信号经过应变仪和预置放大电路后，接入前置处理器慢变信号通道。轴承的动态激振信号经过动态应变仪放大后，接入前置数据处理器的快变信号通道。位移、振动信号经过放大装置，输入到前置数据处理器的快变信号通道，其直流部分为位移，交流部分为振动信号。快变信号的量化采用高速A/D板，通过通道分段对信号进行高速巡回采集。慢变信号的量化通过扩展A/D通道来处理，通道的切换采用模拟开关，循环是自动方式，数据传输采用DMA方式。
3 CAT系统软件
CAT系统软件用FORTRAN语言和汇编语言写成。图5是CAT系统软件的分块框图，可分为两大部分：一部分是实验信号的采集、精密诊断分析软件，包括数据采集模块、数据监控模块；另一部分是轴承性能分析、测量系统标定、轴承动特性识别软件，包括标定模块、数据分析处理模块、动特性识别模块。
图5 CAT系统软件分布框图
4 四瓦可倾瓦轴承特性实验
(1)轴承参数及实验条件：
用所建立的CAT系统进行轴承实验研究，选择如图4所示的四瓦可倾瓦轴承，其直径为152.4mm，长径比为1.703，间隙比为2.1‰。实验中采用ON、1000ON、2000ON、3000ON、3500ON五个等级的轴承负荷，实验转速分别取3000r/min、4000r/min、5000r/min、6000r/min。
(2)系统的标定：
为了消除环境和系统预置等的影响，在试验前应先对所有的传感器、预置放大装置、前置处理器、A/D转换板及所有的连线等整个CAT系统进行细致的标定。对于快变信号测量系统，用悬挂质量法［3］进行不同频率下频响函数的标定。对于慢变信号测量系统，标定就是将各种标准状况下的信号通过测量系统记录在计算机中，作为校正实验测量结果的系数。
实验中，为了及时发现在轴承特性测量过程中由于信噪比过低、仪器和实验条件不稳定、偶然性等引起的转速、载荷偏差，将每块轴瓦的负荷、轴承总负荷、合成轴承负荷及负荷误差同时显示在计算机屏幕上实时监控(图6为转速5000r/min，负荷3000N时的一幅画面)。
图6 四瓦可倾轴承瓦及轴承负荷
5 实验结果及分析
(1)静特性：
图7是四瓦可倾瓦轴承的流量和摩擦阻力随承载系数(So)的变化曲线。从图中可以看出，摩擦阻力实验值和理论计算值符合很好。由于理论计算流量为每块瓦单独供油时进口边流入各瓦的流量之和，而实验中采用集中供油，润滑油不能布满每一块轴瓦与轴间的间隙，因此进口流量实测值远小于理论计算值。
图7 四瓦可倾瓦轴承静特性
表1是四瓦可倾瓦轴承的温度分布。其中的A、B、C、D、E、F对应于图4的各测点。由表1可以看出，轴承的瓦面温度随转速和载荷的增加而增加，下瓦温度高于上瓦温度，瓦面上最高温度点位于支点附近。
(2)动特性：
图8是3000r/min下扰动频率为50Hz时四瓦可倾瓦轴承实验测量刚度阻尼系数与理论计算值(涡动比为1.0)的比较。图中实线为理论计算曲线，虚线为实验值连线，横坐标为对数坐标。由于大承载系数下，轴承刚度阻尼系数的理论计算和实验测量都存在一定的难度［10］，刚度阻尼系数的实测值与理论计算值的趋势不完全一致，当承载系数较小时二者趋势相近，当承载系数较大时理论值大于实测值。
图8 可倾瓦轴承刚度阻尼系数
6 结论
计算机辅助实验(CAT)可以在实验过程中的任意阶段对以前所采集到的数据进行回访、查询和处理，提高了实验的透明度，加速了实验过程。实验结果表明，滑动轴承动、静特性的测试结果与理论计算基本一致，实验结果比较可靠。因此这种基于CAT的滑动轴承特性测试方法是有效的。(end)
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(5/19/2004) |
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