径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法，利用径向滑动轴承油膜动刚度测试系统，分别获取油膜动态支撑力和油膜动态位移，径向滑动轴承油膜动刚度即为油膜动态支撑力与油膜动态位移之比；所述的径向滑动轴承油膜动刚度测试系统别包括油膜动态支撑力测试系统和油膜动态位移测试系统；本发明提出的径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法是严格按照动刚度的定义，通过油膜支撑力和动态位移之比获取，无需任何形式的模型简化，测试精度高；测试方法适应于所有轴承结构形式，测试方法适应性强；测试系统简单，可采用市场货架产品搭建，无需开发专用测试模块，便于工程应用。
【专利说明】径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于船舶设备动力学参数在线测试领域，具体涉及推进轴系中径向滑动轴承油膜动刚度在线测试技术。
【背景技术】
[0002]滑动轴承具有承载能力大、工作平稳、寿命长、运转可靠、噪声低等特点，被广泛应用于船舶领域。作为船舶推进系统中的关键部件，滑动轴承的动刚度特性直接影响推进系统振动特性，此外通过对动刚度的在线测试还能够及时了解滑动轴承油膜状态，因此准确获取油膜动刚度特性对研究螺旋桨-轴系振动规律、保护船舶推进轴系正常工作和保障船舶航行安全具有重要意义。
[0003]船舶在实际航行中，船舶螺旋桨轴的工况参数经常处于变化中，使得轴承的工作状态也是变化的，尤其当螺旋桨轴的回转速度改变时，滑动轴承动刚度也是实时发生变化。舰船这种特性决定模型试验数据往往很难发挥作用。
[0004]为了在线获取轴承动刚度，段吉安(大型汽轮机滑动轴承油膜动特性参数识别的研究。机械工程学报1997，33(1)，93-98)提出一种利用系统的不平衡响应识别油膜动特性系数的方法，而孙伟(滑动轴承油膜刚度、油膜厚度监测装置。发明专利，申请号201110049392.7)通过在线测试轴承参数，进而带入理论公式估算动刚度。这两种方法的前提都需要对轴系进行精确建模。然而对于船舶推进系统而言，轴系末端安装有螺旋桨，而螺旋桨在运转过程中水动力学特性复杂，还存在浮力、附连水质量等一系列问题，难以精确建模，使得现有方法失效，目前尚缺乏行之有效的径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题在于:提供一种径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法，实现运转过程中水动力复杂环境下对径向轴承油膜刚度的精确测量。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为:
[0007]—种径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法，其特征在于:利用径向滑动轴承油膜动刚度测试系统，分别获取油膜动态支撑力和油膜动态位移，径向滑动轴承油膜动刚度即为油膜动态支撑力与油膜动态位移之比；所述的径向滑动轴承油膜动刚度测试系统别包括油膜动态支撑力测试系统和油膜动态位移测试系统；
[0008]所述的支撑力测试系统主要包含应变片、无线数据发送装置、无线数据接收装置、测试触发装置、角度传感器；各应变片数据输出端与无线数据发送装置相连，无线发送装置端通过无线方式与无线数据接收装置连接，测试触发装置、角度传感器与无线数据接收装置都与数据采集系统连接，数据采集系统与后处理单元相连，测试系统经由测试触发装置触发以后开始工作；测试时，径向滑动轴承轴向两端转轴上设置两个指定截面，两指定截面距离各自所在侧滑动轴承端面距离不相等；各指定截面的轴向两侧各设置一个测试截面，两测试截面距离自身指定截面的距离相等；同时在其中一个指定截面两侧等距的两个测试截面上设置八个应变片，每四个应变片均匀间隔粘贴在其中一个测试截面的外周上，两个指定截面上的各应变片周向分布位置一致；无线数据发送装置设置在转轴上；角度传感器的固定端与测试触发装置的固定端安装在轴承基座或船体结构上，角度传感器的转动端和测试触发装置的转动端固定在转轴上；
[0009]所述的油膜动态位移测试系统主要包含电涡流传感器、传感器支架、弹性隔振器；电涡流传感器安装在传感器支架上，传感器支架通过底部的弹性隔振器固定在轴承基座或船体结构上；电涡流传感器与数据采集系统相连，采集系统采集数据最终传送给后处理单元以获取油膜动态位移；测试时，在径向滑动轴承的转轴轴向两侧布置两组电涡流传感器，每组电涡流传感器包含两个位于同一圆周上的电涡流传感器，一个电涡流传感器设置在转轴的垂直方向直径上，另一个电涡流传感器设置在转轴的水平直径上。
[0010]上述技术方案中，测试触发装置包括转动端和固定端；触发装置转动端固定在转轴上，触发装置固定端安装在轴承或艇体结构之上，触发装置固定端上的信号输出端与数据采集系统相连；当触发装置转动端与触发装置固定端在转轴同一母线相遇，则提供一个触发信号，触发整个测试系统开始工作；最终应变数据、转动角度数据和电涡流传感器数据通过数据处理系统传送至后处理单元进行处理。
[0011]上述技术方案中，所述的方法按如下步骤进行:
[0012]步骤1:根据动刚度测试要求、频率测试范围，确定各应变片、传感器以及测试触发装置的各布置位置、间距，在测试前检查支撑力测试系统和动态位移测试系统运行是否正常；
[0013]步骤2:启动角度信号触发装置，触发信号发生后，同步采集所有传感器位移信息，并做后期处理获得油膜动刚度数据；所述后期处理是指利用布置在径向滑动轴承两侧轴段上的应变片和角度传感器信息获得轴截面剪力，依据力平衡方程和力矩平衡方程获得轴承油膜动态支撑力，以及利用布置在径向滑动轴承两侧轴段上的电涡流传感器获得油膜动态位移，最终油膜动刚度即为油膜动态支撑力与油膜动态位移之比。
[0014]上述技术方案中，油膜动态支撑力与油膜动态位移测量计算方法如下:首先利用布置在径向滑动轴承轴向两侧轴段上的8个应变片，分别获取径向滑动轴承两侧转轴不同指定截面上的剪切力，该剪切力分解为两个垂直于轴承轴向并且相互垂直的分量，一个分量为垂直方向，另一个分量为横向，根据力和力矩平衡方程即可获得径向滑动轴承油膜动态支撑力；其次利用布置在径向滑动轴承两侧的电涡流传感器，获得油膜动态位移；径向滑动轴承油膜动刚度即为油膜动态支撑力与油膜动态位移之比。
[0015]相比与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:本发明提出的径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法是严格按照动刚度的定义，通过油膜支撑力和动态位移之比获取，无需任何形式的模型简化，测试精度高；测试方法适应于所有轴承结构形式，测试方法适应性强；测试系统简单，可采用市场货架产品搭建，无需开发专用测试模块，便于工程应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为径向滑动轴承油膜动刚度测试系统各部件连接关系示意图；
[0017]图2为两端指定截面位直不意图；[0018]图3为其中一端指定截面处剪切力测量方案示意图；
[0019]图4为图3的侧视图；
[0020]图5为径向轴承油膜动态位移测试方案示意图；
[0021]图6为图5的侧视图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明【具体实施方式】做进一步详细说明。
[0023]根据本发明实施的径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法，对于给定的径向滑动轴承，其油膜动刚度测试系统的各部件连接形式如图1-6所示。其中应变片I粘贴到转轴上，其数据输出端与同样固定安装在转轴15上的无线发送装置2相连，无线发送端通过无线方式与无线接收装置3连接，最终将应变数据传送至数据采集系统4 ；电涡流传感器5安装在传感器支架6上，传感器支架6通过弹性隔振器7固定在轴承基座或船体结构14上，电涡流传感器5数据输出端与数据采集系统4相连，将油膜动态位移系统传送至数据采集系统4 ;触发装置转动端8固定在转轴上，触发装置固定端9安装在轴承或艇体结构之上，触发装置固定端9上的信号输出端与数据采集系统4相连。当触发装置转动端8与触发装置固定端9相遇，则提供一个触发信号，触发整个测试系统开始工作。最终应变数据、转动角度数据和电涡流传感器5数据通过数据处理系统传送至后处理单元10进行处理。角度传感器的固定端17安装在轴承基座或船体结构14上，角度传感器的转动端16固定在转轴15上，经触发装置触发后开始工作。
[0024]为了测量油膜支撑力，其测试布置系统布置方案如图2-4所示，待测的指定截面选择在径向滑动轴承11两侧，径向滑动轴承11的长度、轴承左侧指定截面12距离轴承11左端面的距离、轴承右侧指定截面13距离轴承11右侧端面的距离分别为1A，1B, I。。径向轴承两侧转轴指定截面距离轴承两侧指定端面的距离不相等，即Ib^ I。。每一侧待测的指定截面处(12、13)应变片I的布置方案如图3所示。则利用测试的8个应变片I的应变数据，结合依据式(I)~(6)计算出油膜动态支撑力。
[0025]首先利用布置在径向滑动轴承轴向两侧轴段上的应变片，获取径向滑动轴承两侧转轴指定截面上的剪切力，该剪切力分解为两个垂直于轴承轴向并且相互垂直的分量，一个分量为垂直方向，另一个分量为横向，根据力和力矩平衡方程即可获得径向滑动轴承油膜的支撑力:
[0026]如图3所示，转轴上指定截面12 (13)的两轴向侧等距的两个测试截面上一共布置8个应变片，每个测试截面沿周向间隔90 °均布4个应变片，两个测试截面的应变片周向位置一致，且各测试截面距离其相应的指定截面12 (13)轴向距离为Λ/2 ;其中X轴为转轴轴心线，且方向指向船尾部方向，y轴为竖直方向，且方向垂直向上，z为横向，方向由右手定则确定。依据有限差分技术，可得其中一个指定截面上的剪切力为:
【权利要求】
1.一种径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法，其特征在于:利用径向滑动轴承油膜动刚度测试系统，分别获取油膜动态支撑力和油膜动态位移，径向滑动轴承油膜动刚度即为油膜动态支撑力与油膜动态位移之比；所述的径向滑动轴承油膜动刚度测试系统别包括油膜动态支撑力测试系统和油膜动态位移测试系统； 所述的支撑力测试系统主要包含应变片、无线数据发送装置、无线数据接收装置、测试触发装置、角度传感器；各应变片数据输出端与无线数据发送装置相连，无线发送装置端通过无线方式与无线数据接收装置连接，测试触发装置、角度传感器与无线数据接收装置都与数据采集系统连接，数据采集系统与后处理单元相连，测试系统经由测试触发装置触发以后开始工作；测试时，径向滑动轴承轴向两端转轴上设置两个指定截面，两指定截面距离各自所在侧滑动轴承端面距离不相等；各指定截面的轴向两侧各设置一个测试截面，两测试截面距离自身指定截面的距离相等；同时在其中一个指定截面两侧等距的两个测试截面上设置八个应变片，每四个应变片均匀间隔粘贴在其中一个测试截面的外周上，两个指定截面上的各应变片周向分布位置一致；无线数据发送装置设置在转轴上；角度传感器的固定端与测试触发装置的固定端安装在轴承基座或船体结构上，角度传感器的转动端和测试触发装置的转动端固定在转轴上； 所述的油膜动态位移测试系统主要包含电涡流传感器、传感器支架、弹性隔振器；电涡流传感器安装在传感器支架上，传感器支架通过底部的弹性隔振器固定在轴承基座或船体结构上；电涡流传感器与数据采集系统相连，采集系统采集数据最终传送给后处理单元以获取油膜动态位移；测试时，在径向滑动轴承的转轴轴向两侧布置两组电涡流传感器，每组电涡流传感器包含两个位于同一圆周上的电涡流传感器，一个电涡流传感器设置在转轴的垂直方向直径上，另一个电涡流传感器设置在转轴的水平直径上。
2.根据权利要求1所述的一种径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法，特征在于:测试触发装置包括转动端和固定端；触发装`置转动端固定在转轴上，触发装置固定端安装在轴承或艇体结构之上，触发装置固定端上的信号输出端与数据采集系统相连；当触发装置转动端与触发装置固定端在转轴同一母线相遇，则提供一个触发信号，触发整个测试系统开始工作；最终应变数据、转动角度数据和电涡流传感器数据通过数据处理系统传送至后处理单元进行处理。
3.根据权利要求2所述的一种径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法，特征在于:所述的方法按如下步骤进行: 步骤1:根据动刚度测试要求、频率测试范围，确定各应变片、传感器以及测试触发装置的各布置位置、间距，在测试前检查支撑力测试系统和动态位移测试系统运行是否正常； 步骤2:启动角度信号触发装置，触发信号发生后，同步采集所有传感器位移信息，并做后期处理获得油膜动刚度数据；所述后期处理是指利用布置在径向滑动轴承两侧轴段上的应变片和角度传感器信息获得轴截面剪力，依据力平衡方程和力矩平衡方程获得轴承油膜动态支撑力，以及利用布置在径向滑动轴承两侧轴段上的电涡流传感器获得油膜动态位移，最终油膜动刚度即为油膜动态支撑力与油膜动态位移之比。
4.根据权利要求3所述的一种径向滑动轴承油膜动刚度在线测试方法，特征在于:油膜动态支撑力与油膜动态位移测量计算方法如下:首先利用布置在径向滑动轴承轴向两侧轴段上的8个应变片，分别获取径向滑动轴承两侧转轴不同指定截面上的剪切力，该剪切力分解为两个垂直于轴承轴向并且相互垂直的分量，一个分量为垂直方向，另一个分量为横向，根据力和力矩平衡方程即可获得径向滑动轴承油膜动态支撑力；其次利用布置在径向滑动轴承两侧的电涡流传感器，获得油膜动态位移；径向滑动轴承油膜动刚度即为油膜动态支撑力与油膜动态位移之比。
【文档编号】G01M13/04GK103728136SQ201410016062
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】刘彦, 彭伟才, 张俊杰, 原春晖 申请人:中国舰船研究设计中心