水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置及方法
【专利摘要】一种水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置及方法，包括机械系统、供水系统和信号测试系统，机械系统包括试验轴、试验轴承及轴承套，试验轴通过滚动轴承支撑，试验轴承轴向和周向固定；轴承套外侧安装调心球轴承,调心球轴承外圈通过加载环与加载杆相连，轴承套两端面安装轴向挡板，采用外六角万向球顶压，右上侧挡板采用测微头调整位置；供水系统包括水箱、泵、回水槽和管路，水进入试验轴承进行润滑，端盖与试验轴之间留有小间隙，溢出的水流入回水槽中经过滤回收到水箱中；信号测试系统包括传感器、数据采集系统，对采集数据进行分析和处理。本发明能够准确地测试不同材料及结构的轴承在不同轴线倾斜角的润滑性能。
【专利说明】
水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及滑动轴承性能测试领域，特别涉及一种水润滑轴承在轴线不对中工况 下的润滑性能测试装置及测试方法。
【背景技术】
[0002] 水润滑轴承是以水为润滑介质的滑动轴承，具有安全环保;节省资源;结构简单， 维护方便;成本低;摩擦系数小，冷却效果好等优点，已广泛应用于船艉轴、各种船用栗中。 国内外许多研究机构建立了水润滑轴承试验台以测试轴承的承载力及其他润滑特性，但它 们大多数研究的是轴线对中工况下水润滑轴承的摩擦转矩、压力分布、温度分布和位移，未 考虑轴线倾斜对轴承润滑性能的影响。
[0003] 受轴重载变形、非中心加载、加工或安装误差等因素的影响，水润滑轴承尤其是船 用水润滑轴承使用中大都存在轴承中线与轴线不对中的现象。轴线不对中降低了水润滑轴 承的承载能力，增大了摩擦转矩，造成轴承局部磨损严重，降低了轴承使用寿命。为了提高 水润滑轴承润滑的可靠性，确定在轴线不对中工况下轴线倾角、轴承材料、结构对其润滑性 能的影响规律，需要研究并提出水润滑轴承在轴线不对中工况下的润滑性能测试装置及测 试方法。在少数研究轴线不对中工况下滑动轴承性能的试验台中，轴线倾角主要通过在轴 承座上添加垫片或在试验轴上配重实现，两种方式操作繁琐，且倾角调节不连续；另外，第 二种方式对轴承增加了动载荷，适用工况较局限。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种测试水润滑轴承在轴线不对中工况下的润滑性能的 试验装置和方法，用于测试不同材料及结构的水润滑轴承在不同轴线倾斜角的润滑性能。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
[0006] -种水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置，包括机械系统、供水系 统和信号测试系统，其中：
[0007] 所述机械系统采用伺服电机驱动，包括试验轴、试验轴承及其轴承套，试验轴两端 通过滚动轴承支撑，试验轴承用两个端盖轴向固定，并通过键或端面凸起结构周向固定;轴 承套外侧安装有调心球轴承，轴承套与调心球轴承内圈过渡配合，调心球轴承外圈通过加 载环与加载杆相连，轴承套两端面安装有轴向挡板，挡板采用外六角万向球顶压，右上侧挡 板采用测微头调整位置；
[0008] 所述供水系统包括水箱、栗、回水槽和管路，水通过端盖和轴承套中的水路进入试 验轴承进行润滑，两个端盖与试验轴之间留有小间隙，溢出的水流入回水槽中经过滤回收 到水箱中；
[0009] 所述信号测试系统包括传感器、数据采集系统和显示设备，数据采集系统采集传 感器数据，进行分析和处理。
[0010] 所述滚动轴承较小一个的内圈外径小于试验轴承的内径，从而方便试验轴承的装 拆。
[0011] 固定滚动轴承的滚动轴承座为剖分式轴承座，方便试验轴及试验轴承的装拆。
[0012] 所述轴承套、端盖为不锈钢材料，所述回水槽和水箱为不锈钢或塑料。
[0013] 所述传感器包括光电转速传感器，以测量试验轴的转速，两个端盖上各在水平和 垂直方向安装1个位移传感器，以测量轴承的倾斜角和轴承两端面中心的位置变化，轴承套 上的固定螺钉通过绳子连接到力传感器，测量试验轴承的摩擦转矩。
[0014] 所述挡板与外六角万向球的接触表面硬度HRC彡50，Ra彡0.1。
[0015]所述电机能够无极调速。
[0016] 所述试验轴承在水平平面上的倾斜通过与竖直方向同样的方式实现。
[0017] -种水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试方法，采用上述的装置，包括 下述步骤：
[0018] (1)装配好试验轴及试验轴承，在左右端盖上安装位移传感器，调节位移传感器使 探头与轴表面的距离在测量范围之内，紧固位移传感器；
[0019] (2)启动栗和电机，标定试验轴承两端轴心位置；
[0020] (3)给试验轴承加载；
[0021] (4)调节左下侧外六角万向球使球头与挡板刚好接触，调节测微头改变轴承倾斜 角度，采集位移传感器及力传感器的信号；
[0022] (5)数据处理，计算轴承两端轴心位置及摩擦系数随轴线倾斜角度的变化。
[0023] 所述步骤(2 )，在低转速下对轴承施加一向上的较大载荷，记录此时各位移传感器 测量值作为标定值，以确定试验轴承两端轴心位置。
[0024] 本发明所述的水润滑轴承在轴线不对中工况下的润滑性能测试装置及测试方法， 试验轴承安装在刚性轴承套中，采用注水润滑，可用于测试不同转速及载荷下，不同材料及 结构的水润滑轴承在不同轴线倾斜角的润滑性能，有效补充了现有水润滑轴承试验台及测 试方法的不足。该测试装置可靠实用，成本低廉，试验轴承及试验轴的拆卸和安装简易、方 便，试验轴承结构简单，可换性强，且该测试装置轴线倾角调节方法简单、调节精度高。利用 该测试装置及方法测得的轴线倾角、轴承两端轴心位置及摩擦系数精度高。
【附图说明】
[0025]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0026]图1是本发明装置的结构示意图；
[0027]图2是机械系统的左视图；
[0028]图3是试验轴承周向固定示意图；
[0029] 图4是外六角万向球结构示意图；
[0030] 图5是改变宽度的试验轴承示意图；
[0031] 图6是轴承长度方向示意图。
[0032]图中：I-电机;2_转速传感器;3_联轴器;4_轴承座;5_试验轴;6_左端盖;7_试验轴 承;8-拉力杆;9-挡板;10-外六角万向球;11-导杆;12-栗；13-测微头；14-水箱；15-回水槽； 16-右端盖;17-拉力环;18-调心球轴承;19-轴承套;20-力传感器。
【具体实施方式】
[0033]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0034]如图1-图3所示，本发明所提供的水润滑轴承在轴线不对中工况下的润滑性能测 试装置，包括机械系统、供水系统和信号测试系统。
[0035] 机械系统采用伺服电机1通过联轴器3驱动试验轴5进行运转，试验轴5两端分别用 角接触球轴承和圆柱滚子轴承支撑，滚动轴承座4为剖分式轴承座，从而方便试验轴5的装 拆；圆柱滚子轴承内圈的外径小于试验轴承7的内径，从而方便试验轴承7的装拆。试验轴承 7两端用左端盖6和右端盖16固定，并如图3所示在周向上用键固定;轴承套19与调心球轴承 18内圈过渡配合，调心球轴承18外圈通过加载环17与加载杆8相连，轴承套19上的固定螺钉 通过绳子连接到力传感器20上从而限制轴承套19的转动并测量试验轴承的摩擦转矩;轴承 套19两端面安装有轴向挡板9,两侧挡板都可用如图4所示的外六角万向球10顶压，并且可 用测微头13微调右上侧挡板9的位置。所述挡板与所述外六角万向球的接触表面硬度 HRC55,表面粗糙度RaO.l。
[0036] 供水系统主要由水箱14、栗12、回水槽15和管路组成。水通过端盖16和轴承套19中 的水路进入试验轴承进行润滑，端盖6和端盖16与轴之间留有小间隙，溢出的水流入槽15中 经过滤回收到水箱中。
[0037] 信号测试系统包括传感器、数据采集系统和显示设备。试验轴的转速由光电转速 传感器2测量;在轴承端盖6和端盖16上各在水平和垂直方向安装1个位移传感器，以测量轴 承的倾斜角和轴承两端面中心的位置变化;光电转速传感器、位移传感器、载荷测量力传感 器及摩擦转矩测量力传感器的信号经采集卡输入到计算机中，使用采集软件采集记录数 据，然后进行后续数据处理分析轴承的摩擦系数、轴心位置随载荷、转速、倾角的变化。
[0038] 本发明提供的水润滑轴承在轴线不对中工况下的润滑性能测试的方法，包括：
[0039] (1)装配好试验轴及试验轴承，在左右端盖上水平和垂直方向各安装1个位移传感 器，位置如图2所示，调节位移传感器使探头与轴表面的距离在测量范围之内，紧固位移传 感器；
[0040] (2)设定栗流量并启动栗，给试验轴承供水;设定电机转速并启动电机;在低转速 下对轴承施加一向上较大载荷，记录此时各位移传感器测量值作为标定值，以确定试验轴 承两端轴心位置；
[0041] (3)给轴承加载到试验载荷；
[0042] (4)调节左下侧外六角万向球使球头与挡板刚好接触，调节测微头改变轴承倾斜 角度，用数据采集系统记录位移传感器及摩擦转矩力传感器的变化；
[0043] (5)数据处理，计算轴承两端轴心位置、摩擦系数及轴线倾斜角度，并绘制成图表， 以分析轴承润滑性能随倾斜角度的变化规律。
[0044]如图5所示，根据传感器测量值和几何关系，轴线水平方向和垂直方向倾斜角度可 由下式求出：
[0046] 轴承左端轴心位置可由下式求出：
[0048] 轴承右端轴心位置可由下式求出：
[0050] 式中，B-轴承宽度；
[00511 c 一轴承半径间隙；
[0052] 1^一轴承左右端盖位移传感器的距离；
[0053] ao、b()-轴承左端轴心水平方向和垂直方向位置标定值；
[0054] cQ、dQ-轴承右端轴心水平方向和垂直方向位置标定值；
[0055] &1、131、(：1、(11一轴承左端和右端轴心水平方向和垂直方向位置测量值。
[0056]轴承摩擦转矩和位移传感器导线的拉力矩由绳子的拉力矩和调心球轴承的摩擦 转矩克服，位移传感器拉力矩可由无载荷轴不转时的绳子的拉力矩确定，调心球轴承的摩 擦转矩相对水润滑轴承较小，可以忽略，所以水润滑轴承的摩擦系数可由下式求出：
[0058]式中，Ff、FfQ-摩擦转矩力传感器测量值及初始测量值；
[0059] W-外载荷；
[0060] L2-轴中心线到绳子的距离；
[0061 ] R-轴承半径。
[0062] 通过调节伺服电机转速和载荷测试试验轴承在不同工况下的润滑性能。测试不同 材料和结构的试验轴承研究材料和结构对轴承润滑性能的影响。如图6所示，轴承长度可以 通过改变轴承内孔与轴配合的长度来改变。
[0063] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影 响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相 互组合。
【主权项】
1. 一种水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置，其特征在于，包括机械系 统、供水系统和信号测试系统，其中： 所述机械系统采用伺服电机驱动，包括试验轴、试验轴承及轴承套，试验轴两端通过两 滚动轴承支撑，试验轴承用两个端盖轴向固定，并通过键或端面凸起结构周向固定;轴承套 外侧安装有调心球轴承，轴承套与调心球轴承内圈过渡配合，调心球轴承外圈通过加载环 与加载杆相连，轴承套两端面安装有轴向挡板，挡板采用外六角万向球顶压，右上侧挡板采 用测微头调整位置； 所述供水系统包括水箱、栗、回水槽和管路，水通过端盖和轴承套中的水路进入试验轴 承进行润滑，两个端盖与试验轴之间留有小间隙，溢出的水流入回水槽中经过滤回收到水 箱中； 所述信号测试系统包括传感器、数据采集系统，数据采集系统采集传感器数据，进行分 析和处理。2. 根据权利要求1所述的水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置，其特征 在于，所述滚动轴承中较小一个的内圈外径小于试验轴承的内径，从而方便试验轴承的拆 装。3. 根据权利要求1所述的水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置，其特征 在于，固定滚动轴承的滚动轴承座为剖分式轴承座，方便试验轴及试验轴承的装拆。4. 根据权利要求1所述的水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置，其特征 在于，所述传感器包括光电转速传感器，以测量试验轴的转速;位移传感器4个，安装在两个 端盖上的水平和垂直方向，以测量轴承的倾斜角和轴承两端面中心的位置变化;力传感器， 通过绳子连接到轴承套上，以测量试验轴承的摩擦转矩。5. 根据权利要求1所述的水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置，其特征 在于，所述挡板与外六角万向球的接触表面硬度HRC彡50，Ra彡〈0.1。6. 根据权利要求1所述的水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试装置，其特征 在于，所述机械系统采用伺服电机通过联轴器驱动试验轴进行运转，所述伺服电机能够无 极调速。7. 根据权利要求1所述的水润滑轴承在轴线不对中工况下的润滑性能测试装置，其特 征在于，所述试验轴承在水平平面上的倾斜通过与竖直方向同样的方式实现。8. -种水润滑轴承在轴线不对中工况下润滑性能测试方法，其特征在于，采用权利要 求1所述的装置，包括下述步骤： (1) 装配好试验轴及试验轴承，在左右端盖上安装位移传感器，调节位移传感器使探头 与轴表面的距离在测量范围之内，紧固位移传感器； (2) 启动栗和电机，标定试验轴承两端轴心位置； (3) 给试验轴承加载； (4) 调节左下侧外六角万向球使球头与挡板刚好接触，调节测微头改变轴承倾斜角度， 采集位移传感器及力传感器的信号； (5) 数据处理，计算轴承两端轴心位置及摩擦系数随轴线倾斜角度的变化。9. 根据权利要求8所述的水润滑轴承在轴线不对中工况下的润滑性能测试方法，其特 征在于，所述步骤(2)中，在低转速下对试验轴承施加一向上的较大载荷，记录此时各位移 传感器测量值作为标定值，以确定试验轴承两端轴心位置。10.根据权利要求8所述的水润滑轴承在轴线不对中工况下的润滑性能测试方法，其特 征在于，根据传感器测量值和几何关系，轴线水平方向和垂直方向倾斜角度由下式求出：轴承左端轴心位置可由下式求出：式中，B-轴承宽度； c 一轴承半径间隙； 1^一轴承左右端盖位移传感器的距离； ao、bo-轴承左端轴心水平方向和垂直方向位置标定值； C0、do-轴承右端轴心水平方向和垂直方向位置标定值； ai、h、C1、Cl1 一轴承左端和右端轴心水平方向和垂直方向位置测量值； 水润滑轴承的摩擦系数由下式求出：式中，Ff、Ff ο-摩擦转矩力传感器测量值及初始测量值； W-外载荷； L2-轴中心线到绳子的距离； R-轴承半径。
【文档编号】G01M13/04GK106017931SQ201610566400
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】张秀丽, 尹忠慰, 高庚员, 李虎林
【申请人】上海交通大学