专利名称：液体滑动轴承全周润滑膜压力无线监测方法
技术领域：
本发明属于工业设备运行状态监测与故障诊断领域，涉及包括油或水等液体润滑 滑动轴承运行状态监测，润滑膜压力测试方法和测试数据的无线传输技术。
背景技术：
随着科学技术的不断发展，各种机械设备朝着高速化、自动化、和复杂程度更高的 方向发展，为人类生活的便捷和社会生产的工业化提供了基础。但同时，机械设备运行中发 生的故障或失效不仅会造成经济损失，而且可能导致灾难性的人员伤亡事故和恶劣的社会 影响，因此，机械设备运行状态监测技术的发展同机械设备本身的发展一样同样受到越来 越多的重视。旋转机械在电力能源、交通、石油化工、核电、军工生产及空间技术中占有极其重 要的地位，作为旋转机械的核心部件，液体滑动轴承越来越多的应用于生产领域中，特别是 一些大型旋转系统中。表征液体滑动轴承润滑性能优劣的主要参数有液膜压力分布、液膜 厚度分布、液膜温度分布等，这些特性直接影响着整个机械系统能否正常运行及运行的品 质，对这些参数实施监测，可以评估轴承的运行状态，对设备的安全平稳运行具有重要意 义。对液体滑动轴承液膜压力的监测，可以获得轴承运行过程中的液膜力变化特征，对于研 究轴承系统的动态特性及其故障的定量化检测诊断有着重要的意义。同时，滑动轴承的润滑膜压力分布是滑动轴承的基本参数之一。通常在滑动轴承 的性能计算中，采用求解雷诺方程的方法来获得压力分布。但在计算中，由于必须进行物理 和数学上的近似，使得计算的压力分布，以及由压力分布决定的其它重要参数，如润滑液流 量，液膜刚度，液膜阻尼等，仍旧不能完全反映实际情况。在润滑理论的研究中，液膜边界条 件的研究是一个普遍关注的问题，通常在计算中，假定液膜起始边是一直线边界，而液膜破 裂边则采用雷诺边界条件来确定。这样规定的边界条件与若干实际情况并不完全一致。另 外，当轴径中心作大幅度振动时，液膜存在区域的情况还不能准确加以描述。因此，虽然可 以通过计算求得压力分布，但是，为了确定各种假设条件的影响，为了在新的运转工况和轴 承结构下研究压力分布，以及通过实验解决润滑理论其它方面存在的问题，包括压力边界 条件的问题，都需要研究并提出压力分布的测量方法。图1给出了液体滑动轴承润滑膜示意图，可以看出由于润滑膜空间的封闭型、轴 承结构、以及液膜形成机理等因素的制约，使得滑动轴承旋转中的全周润滑膜压力的测量 和监测比较困难，也是本专利解决的主要问题。轴在滑动轴承中回转，其所形成的动压力在轴承中的分布，并不是均勻的。为了了 解轴承中液膜压力的大小分布情况，国内外普遍采用的有两种方法，一种是在轴承壳体上 不同的位置处打孔，把压力油引出到压力表进行测量，或者在这些位置上装入压力传感器 来测量。用压力表或用压力传感器从轴承的壳体上测量润滑膜压力比较简单方便，但存在 很大的不足，因为轴承外壳上的测点不可能很多很密，因此该方法只能测得有限点处的油 膜压力，而无法测得轴承整周中液膜压力的连续分布情况；其次，若测点分布过多，则其本身破坏轴承工作面的润滑状态，从而造成测量误差过大，对于机理性试验来说也不够理想。另一种方法是在轴上打孔，将压力传感器安装到回转轴中去进行测量的，这样轴 在旋转中压力传感器可测得所在截面上的压力分布，液膜压力则由装在主轴中的压力传感 器并通过电刷式集流环或水银集流环将讯号引出来进行测量，而这种方法由于集流环本身 接触所产生的干扰信号对于传感器压力信号的干扰过大，信号精度损失大，并且在轴承高 速旋转中集流环自身的动平衡问题和可靠性问题，以及集流环产品本身的型号限制和较高 的成本都限制了该方法的应用，是此方法的不足之处。
发明内容
本发明提供一种对液体滑动轴承润滑液膜压力进行测量的方法，实现对不同转速 下液体滑动径向和止推轴承整周润滑液膜压力进行实时测量。根据轴径的不同采用不同 的方法将压力传感器安装在转轴上，传感器与安装在轴内部或尾端的无线发射装置相连， 无线发射装置在与轴同时旋转的过程中将轴承液膜压力信号传送至轴承转子系统外部，由 外部的无线接收装置接收压力信号，对轴承的润滑膜压力分布特征和润滑状态进行实时监 测。(1)发明的总体方法通过在轴颈中安放传感器，然后通过无线发射装置采集、预处理并传递信号的方 法，既可以有效的获得精确的水膜压力分布信息，也可以通过无线传感网络进行信号的获 取，避免信号采集过程中的干扰和信号精度损失。在不破坏轴瓦和对水膜形成影响不大的 情况下，用较少的传感器获得轴承整周上较完整的水膜压力数据。数据的无线发射和接收 改变了传统集流环数据传送方式已带来干扰和传送速度低的不足，为获得全面和高质量的 数据分析结果提供了保障。图2为发明的总体方法图。轴颈中安放压力传感器对不同条件下的轴承转子系统进行水膜压力的测量，可获 得不完全水膜润滑情况下的滑动轴承间水膜压力分布。无线发射装置完成对水膜压力数据 的采集、前期处理及传输，无线接收装置对处理后的数据进行接收，并将数据传送至上位机 软件中以完成数据的后期分析和处理工作。因此，采用无线监测的方法，将传感器，调理电路，数据采集和处理模块，发射模块 及供电模块做成小部件加以集成并封装，将无线发射装置装在回转轴上与轴同时转动，然 后将采集到的传感器输出信号经过前期处理后，直接通过无线发射模块传送出来，避免了 采用集流环传输数据带来的干扰和信号精度损失大，以及采集速度的限制。(2)传感器安装方法通常用于旋转设备滑动轴承润滑膜压力测试的压力传感器有压电式、应变式、电 容式等，考虑到传感器自身的尺寸，因此对于不同的轴径尺寸，需要采应不同的安装方法将 压力传感器安装在轴颈内部。1)径向滑动轴承的宽径比通常在0. 5 1. 5范围内，在轴承宽径比较小，且旋转 轴轴径较大的情况下，在主轴中心做直径不小于IOcm左右的中心孔，在旋转轴的径向位置 对应所要进行轴承压力测量的截面位置上，做配合传感器的安装孔。然后可将传感器通过 中心孔安装在转轴的外壁上，传感器信号与固定在转轴尾端的无线发射装置相连，在旋转过程中压力信号通过无线发射模块发送给外部的无线接收装置。图3为此方法的安装示意 图。在实际润滑膜测量过程中，可根据转轴的转速范围和对旋转每周液膜压力测量点 数的需要在无线发射装置中设置传感器的采样点数和采样频率。2)在滑动轴承宽径比比较大，且旋转轴轴径较小的情况下，无法在转轴中心做 IOcm左右的中心孔，无法直接用手或工具在轴的内部安装传感器，在这种情况下，可采用如 图4所示的安装方法。在图4中，由于滑动轴承宽径比较大，通常需要对轴承的2个及2个以上的截面 上进行润滑膜压力测试，在对应于压力测试的截面上，在轴承的径向方向做通孔，同时在轴 中心位置做直径为2cm左右的中心孔，对中心孔一侧方向的径向通孔做配合传感器的安装 孔，将传感器在轴的外部安装在轴的径向安装孔中。而对中心孔另一侧的通孔做配重块安 装孔，配重块是为了解决由于在轴上安装了传感器而在轴高速旋转时产生的不平衡问题， 同时，与传感器安装孔同轴的配重块安装孔可用于传感器安装过程中的各种工具的使用， 方便传感器的安装操作。安装完传感器后，配重块安装固定后，配重块表面可采用磨削、打 磨或其他方法保持与转轴外表面结合紧密并在同一曲面上，以减少安装孔对润滑液膜的形 成和特性造成影响。3)对于轴承宽径比较大，且转轴中心不宜做中心孔的情况下，可采用如图5所示 的传感器安装方法。在转轴圆周位置上做与转轴同轴的润滑液膜导流孔，根据所要测量的 润滑膜压力截面位置设置导流孔的轴向深度，然后在此深度位置在转轴的外部做径向导流 孔，径向导流孔与轴向导流孔贯通，在轴端的轴向导流孔位置做配合传感器的安装孔，可方 便的将传感器安装在转轴的端部或轴肩位置，再与固定在轴尾端的无线发射装置连接。滑 动轴承润滑液膜通过径向和轴向导流孔将液膜压力传递给安装在端部的压力传感器，再通 过无线发射装置将压力信号传送到外部。在此安装方法中，可根据所要测量的润滑液膜截面数，在转轴圆周位置上做均布 的多个轴向导流孔，考虑到转轴的动平衡问题，一般设置为偶数个，如2、4、6、8个导流孔。 图5中所示为测量轴承两个截面液膜压力的两个导流孔方法。(3)无线发射与接收装置无线发射装置包括给传感器供电的前置处理电路恒流源模块、数字信号处理电路 DSP2812、MSP430单片机、CCllOl射频发射模块和供电模块。无线接收装置包括MSP430单 片机、CCllOl射频接收模块和供电模块。无线发射装置通过CCllOl射频发射模块将前期 处理后的数据送出，然后无线接收装置通过CCllOl射频接收模块对数据进行接收并经由 MSP430单片机通过RS485/232接口降其传送到上位机软件做进一步的分析和处理。图6、图7分别是无线发射与接收装置结构图。在无线发射装置中，内置低通滤波电路的恒流源模块负责给压力传感器提供电 源。传感器采集到的信号经过前置处理后，送至数字信号处理器DSP2812。数字信号处理器 DSP^12有8个采集通道，同时采样频率和采样点数均可设置。为了减少数据发送量以节省 无线发射和接收装置的能量，信号在DSP2812中将被压缩和编码。DSP^12还内置了信号有 效性判别程序，用以对采集到的信号做初步筛选，超过设定阈值的信号才会经由MSP430单 片机通过CCllOl射频发送模块被送出。
在无线接收装置中，CCllOl射频接收模块对压缩和编码后的信号进行接收，并传 送给MSP430单片机，然后通过RS485/232接口送至上位机软件进行解码和解压缩。最后通 过软件内置的信号特征提取与分析算法，对得到水膜压力数据进行分析并显示在软件界面 上。考虑到无线数据传输过程中存在的能耗问题，设计的无线发射与接收装置是低功 耗的。信号处理器DSP2812和低功耗单片机MSP430均有多种低功耗模式，可根据不同需求， 在程序内部进行设置。发明的效果①在转轴上设置压力测试孔和导流孔，通过测试数据的无线传输方式可采集到滑 动轴承润滑膜在旋转过程中的整周的压力分布曲线，为润滑状态的监测和滑动轴承特性的 分析计算提供了详细数据。②采用无线发射装置对压力数据进行采集与传输，解决了以往使用集流环传送数 据所带来的信号干扰和精度损失大，以及转轴高速旋转时数据传输可靠性不足与数据采集 传输速度受限的问题。③针对不同轴承与转轴尺寸设计的三种传感器安装方式，解决了各种情况下滑动 轴承润滑膜压力测试的需要。采用配重块安装方式方便了传感器的安装，有效解决了安装 传感器后带来的不平衡问题。④导流孔式的传感器安装方式解决了转轴中无法加工中心孔时整周液膜压力测 试的需要，同时在尾端或轴肩安装传感器方便了测试过程中传感器的安装与更换。
图1液体滑动轴承润滑膜示意图，其中图Ia是俯视图、图Ib是主视图；图2液体滑动轴承全周润滑膜压力测试方法3传感器安装方式一图4传感器安装方式二图5传感器安装方式三图6无线发射装置结构7无线接收装置结构8水润滑橡胶轴承 图9水润滑橡胶轴承测试方法图其中1为旋转轴；2为润滑液膜；3为滑动轴承；4为无线采集发射装置；5为压力 传感器；6为联轴器；7为电机；8为载荷与激励装置；9为前端压力传感器；10为尾端压力 传感器；11为前端配重块；12为尾端配重块；13为橡胶；14为铜套；15为底座；16为固定螺 钉；17为连接螺栓；18为连接法兰；19为传感器支架；20为第一 0型密封圈；21为右端盖； 22为固定螺栓；23为轴套；24为上端盖；25为左端盖；26为第二 0型密封圈；27为电机底 座。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述
参见图1-7，本发明所表述的技术方法在实施过程中主要包括测试方法选择、测试 轴系设计与制造、无线发射与接收模块调试、测试仪器的安装与调试、实验数据的采集与分 析等一些步骤。主要步骤如下所示。(1)根据轴承与转轴的具体尺寸，与液膜压力测试的具体要求，在本发明所述的三 种传感器安装方式中选择一种安装方法，同时根据压力测试的具体要求，选择测量精度、测 量范围和响应速度合适的压力传感器，然后根据传感器的安装方式和压力传感器的安装配 合尺寸对转轴进行测试安装孔的设计与加工。(2)根据压力采集的具体要求，设置无线发射装置的采样通道数、采样频率、采样 点数等，设置无线发射与接收装置的低功耗模式，检查无线发射与接收装置的电源供电，以 及在静止状态中检查无线装置的发射与接收状态是否正常。(3)在加工完成后的测试轴上按照所选择的传感器安装方法安装传感器，连接传 感器与无线发射装置，在转轴的尾端连接并固定无线发射装置，同时设置无线接收装置以 及后续的液膜压力分析处理软件。(4)安装调试完成以上步骤后，打开无线发射与接收装置开关，在转轴需要的转速 与载荷情况下采集滑动轴承润滑膜压力分布数据，同时监测压力曲线分布情况并做后期数 据处理。实施例以对某型号的水润滑橡胶轴承(见图8)在不同转速和载荷下的润滑膜压力进行 实际测量为例，说明了本发明所述测试方法的有效性。针对滑动轴承和转轴的实际尺寸，设 计了如图9所示的测试方法。采用电磁加载方式对轴施加静态和瞬态的加载力，通过可调 速电机在100 1500r/min的转速范围内，测试水润滑橡胶轴承的润滑膜压力，得到不同情 况下的一组润滑膜压力分布曲线。另外，改变水润滑轴承的供水压力和供水温度，按照以上 的速度和加载方式改变轴承转子系统的工作状况，通过同样的方法得到了另一组润滑膜压 力分布曲线。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所 提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种液体滑动轴承全周润滑膜压力无线监测方法，其特征在于，包括下述步骤(1)根据滑动轴承和旋转轴尺寸型号，选择压力传感器及其在轴上的测试安装方式，并 在转轴上设置测试安装孔；(2)根据润滑膜压力采集的具体要求，设置无线发射装置的采样通道数、采样频率和采 样点数；设置无线发射与接收装置的低功耗模式，检查无线发射与接收装置的电源供电，并 在静止状态中检查无线装置的发射与接收状态是否正常；(3)在测试安装孔上安装压力传感器，在转轴的尾端连接并固定无线发射装置，连接压 力传感器与无线发射装置，同时设置无线接收装置以及后续的液膜压力分析处理软件；(4)安装调试完成以上步骤后，打开无线发射与接收装置开关，采集滑动轴承润滑膜压 力分布数据，同时监测压力曲线分布情况并做后期数据处理。
2.如权利要求1所述一种液体滑动轴承全周润滑膜压力无线监测方法，其特征在于， 所述步骤⑴是指在轴承宽径比小，旋转轴轴径较大的情况下，在主轴中心做直径不小于IOcm左右的 中心孔，在旋转轴的径向位置对应所要进行轴承压力测量的截面位置上，做配合传感器的 安装孔；然后可将传感器通过中心孔安装在转轴的外壁上，传感器信号与固定在转轴尾端 的无线发射装置相连，在旋转过程中压力信号通过无线发射模块发送给外部的无线接收装 置；在滑动轴承宽径比大，旋转轴轴径较小的情况下，无法在转轴中心做IOcm左右的中心 孔，无法直接用手或工具在轴的内部安装传感器，对轴承的2个及2个以上的截面上进行润 滑膜压力测试，在对应于压力测试的截面上，在轴承的径向方向做通孔，同时在轴中心位置 做直径为2cm左右的中心孔，对中心孔一侧方向的径向通孔做配合传感器的安装孔，将传 感器在轴的外部安装在轴的径向安装孔中，而对中心孔另一侧的通孔做配重块安装孔；对于轴承宽径比大，转轴中心不宜做中心孔的情况下，在转轴圆周位置上做与转轴同 轴的润滑液膜导流孔，根据所要测量的润滑膜压力截面位置设置导流孔的轴向深度，然后 在此深度位置在转轴的外部做径向导流孔，径向导流孔与轴向导流孔贯通，在轴端的轴向 导流孔位置做配合传感器的安装孔，可方便的将传感器安装在转轴的端部或轴肩位置，再 与固定在轴尾端的无线发射装置连接；滑动轴承润滑液膜通过径向和轴向导流孔将液膜压 力传递给安装在端部的压力传感器，再通过无线发射装置将压力信号传送到外部。
3.如权利要求1所述一种液体滑动轴承全周润滑膜压力无线监测方法，其特征在 于，所述无线发射装置包括给传感器供电的前置处理电路恒流源模块、数字信号处理器 DSP2812、MSP430单片机、CCl 101射频发射模块和供电模块；所述无线接收装置包括MSP430 单片机、CCllOl射频接收模块和供电模块；无线发射装置通过CCllOl射频发射模块将前期 处理后的数据送出，然后无线接收装置通过CCllOl射频接收模块对数据进行接收并经由 MSP430单片机通过RS485/232接口降其传送到上位机软件做进一步的分析和处理。
4.如权利要求3所述一种液体滑动轴承全周润滑膜压力无线监测方法，其特征在于， 所述无线发射装置中，内置低通滤波电路的恒流源模块负责给压力传感器提供电源；传感 器采集到的信号经过前置处理后，送至数字信号处理器DSP2812 ；数字信号处理器DSP^12 有8个采集通道，同时采样频率和采样点数均可设置；信号在DSP2812中将被压缩和编码； DSP^12还内置了信号有效性判别程序，用以对采集到的信号做初步筛选，超过设定阈值的信号才会经由MSP430单片机通过CCllOl射频发送模块被送出。
5.如权利要求3所述一种液体滑动轴承全周润滑膜压力无线监测方法，其特征在于， 所述无线接收装置中，CCllOl射频接收模块对压缩和编码后的信号进行接收，并传送给 MSP430单片机，然后通过RS485/232接口送至上位机软件进行解码和解压缩；最后通过软 件内置的信号特征提取与分析算法，对得到水膜压力数据进行分析并显示在软件界面上。
全文摘要
本发明公开了一种对液体滑动轴承润滑液膜压力进行测量的方法，实现对不同转速下液体滑动径向和止推轴承整周润滑液膜压力进行实时测量。根据轴径的不同采用不同的方法将压力传感器安装在转轴上，传感器与安装在轴内部或尾端的无线发射装置相连，无线发射装置在与轴同时旋转的过程中将轴承液膜压力信号传送至轴承转子系统外部，由外部的无线接收装置接收压力信号，对轴承的润滑膜压力分布特征和润滑状态进行实时监测。
文档编号G01L9/00GK102095548SQ20101057258
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者孟庆丰, 王楠, 耿涛 申请人:西安交通大学