水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置及方法
【專利摘要】一種水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置及方法，包括機械系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和信號測試系統(tǒng)，機械系統(tǒng)包括試驗軸、試驗軸承及軸承套，試驗軸通過滾動軸承支撐，試驗軸承軸向和周向固定；軸承套外側安裝調心球軸承,調心球軸承外圈通過加載環(huán)與加載桿相連，軸承套兩端面安裝軸向擋板，采用外六角萬向球頂壓，右上側擋板采用測微頭調整位置；供水系統(tǒng)包括水箱、泵、回水槽和管路，水進入試驗軸承進行潤滑，端蓋與試驗軸之間留有小間隙，溢出的水流入回水槽中經過濾回收到水箱中；信號測試系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對采集數(shù)據(jù)進行分析和處理。本發(fā)明能夠準確地測試不同材料及結構的軸承在不同軸線傾斜角的潤滑性能。
【專利說明】
水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及滑動軸承性能測試領域，特別涉及一種水潤滑軸承在軸線不對中工況 下的潤滑性能測試裝置及測試方法。
【背景技術】
[0002] 水潤滑軸承是以水為潤滑介質的滑動軸承，具有安全環(huán)保;節(jié)省資源;結構簡單， 維護方便;成本低;摩擦系數(shù)小，冷卻效果好等優(yōu)點，已廣泛應用于船艉軸、各種船用栗中。 國內外許多研究機構建立了水潤滑軸承試驗臺以測試軸承的承載力及其他潤滑特性，但它 們大多數(shù)研究的是軸線對中工況下水潤滑軸承的摩擦轉矩、壓力分布、溫度分布和位移，未 考慮軸線傾斜對軸承潤滑性能的影響。
[0003] 受軸重載變形、非中心加載、加工或安裝誤差等因素的影響，水潤滑軸承尤其是船 用水潤滑軸承使用中大都存在軸承中線與軸線不對中的現(xiàn)象。軸線不對中降低了水潤滑軸 承的承載能力，增大了摩擦轉矩，造成軸承局部磨損嚴重，降低了軸承使用壽命。為了提高 水潤滑軸承潤滑的可靠性，確定在軸線不對中工況下軸線傾角、軸承材料、結構對其潤滑性 能的影響規(guī)律，需要研究并提出水潤滑軸承在軸線不對中工況下的潤滑性能測試裝置及測 試方法。在少數(shù)研究軸線不對中工況下滑動軸承性能的試驗臺中，軸線傾角主要通過在軸 承座上添加墊片或在試驗軸上配重實現(xiàn)，兩種方式操作繁瑣，且傾角調節(jié)不連續(xù)；另外，第 二種方式對軸承增加了動載荷，適用工況較局限。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種測試水潤滑軸承在軸線不對中工況下的潤滑性能的 試驗裝置和方法，用于測試不同材料及結構的水潤滑軸承在不同軸線傾斜角的潤滑性能。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案實現(xiàn)：
[0006] -種水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置，包括機械系統(tǒng)、供水系 統(tǒng)和信號測試系統(tǒng)，其中：
[0007] 所述機械系統(tǒng)采用伺服電機驅動，包括試驗軸、試驗軸承及其軸承套，試驗軸兩端 通過滾動軸承支撐，試驗軸承用兩個端蓋軸向固定，并通過鍵或端面凸起結構周向固定;軸 承套外側安裝有調心球軸承，軸承套與調心球軸承內圈過渡配合，調心球軸承外圈通過加 載環(huán)與加載桿相連，軸承套兩端面安裝有軸向擋板，擋板采用外六角萬向球頂壓，右上側擋 板采用測微頭調整位置；
[0008] 所述供水系統(tǒng)包括水箱、栗、回水槽和管路，水通過端蓋和軸承套中的水路進入試 驗軸承進行潤滑，兩個端蓋與試驗軸之間留有小間隙，溢出的水流入回水槽中經過濾回收 到水箱中；
[0009] 所述信號測試系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯示設備，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳 感器數(shù)據(jù)，進行分析和處理。
[0010] 所述滾動軸承較小一個的內圈外徑小于試驗軸承的內徑，從而方便試驗軸承的裝 拆。
[0011] 固定滾動軸承的滾動軸承座為剖分式軸承座，方便試驗軸及試驗軸承的裝拆。
[0012] 所述軸承套、端蓋為不銹鋼材料，所述回水槽和水箱為不銹鋼或塑料。
[0013] 所述傳感器包括光電轉速傳感器，以測量試驗軸的轉速，兩個端蓋上各在水平和 垂直方向安裝1個位移傳感器，以測量軸承的傾斜角和軸承兩端面中心的位置變化，軸承套 上的固定螺釘通過繩子連接到力傳感器，測量試驗軸承的摩擦轉矩。
[0014] 所述擋板與外六角萬向球的接觸表面硬度HRC彡50，Ra彡0.1。
[0015]所述電機能夠無極調速。
[0016] 所述試驗軸承在水平平面上的傾斜通過與豎直方向同樣的方式實現(xiàn)。
[0017] -種水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試方法，采用上述的裝置，包括 下述步驟：
[0018] (1)裝配好試驗軸及試驗軸承，在左右端蓋上安裝位移傳感器，調節(jié)位移傳感器使 探頭與軸表面的距離在測量范圍之內，緊固位移傳感器；
[0019] (2)啟動栗和電機，標定試驗軸承兩端軸心位置；
[0020] (3)給試驗軸承加載；
[0021] (4)調節(jié)左下側外六角萬向球使球頭與擋板剛好接觸，調節(jié)測微頭改變軸承傾斜 角度，采集位移傳感器及力傳感器的信號；
[0022] (5)數(shù)據(jù)處理，計算軸承兩端軸心位置及摩擦系數(shù)隨軸線傾斜角度的變化。
[0023] 所述步驟(2 )，在低轉速下對軸承施加一向上的較大載荷，記錄此時各位移傳感器 測量值作為標定值，以確定試驗軸承兩端軸心位置。
[0024] 本發(fā)明所述的水潤滑軸承在軸線不對中工況下的潤滑性能測試裝置及測試方法， 試驗軸承安裝在剛性軸承套中，采用注水潤滑，可用于測試不同轉速及載荷下，不同材料及 結構的水潤滑軸承在不同軸線傾斜角的潤滑性能，有效補充了現(xiàn)有水潤滑軸承試驗臺及測 試方法的不足。該測試裝置可靠實用，成本低廉，試驗軸承及試驗軸的拆卸和安裝簡易、方 便，試驗軸承結構簡單，可換性強，且該測試裝置軸線傾角調節(jié)方法簡單、調節(jié)精度高。利用 該測試裝置及方法測得的軸線傾角、軸承兩端軸心位置及摩擦系數(shù)精度高。
【附圖說明】
[0025]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0026]圖1是本發(fā)明裝置的結構示意圖；
[0027]圖2是機械系統(tǒng)的左視圖；
[0028]圖3是試驗軸承周向固定示意圖；
[0029] 圖4是外六角萬向球結構示意圖；
[0030] 圖5是改變寬度的試驗軸承示意圖；
[0031] 圖6是軸承長度方向示意圖。
[0032]圖中：I-電機;2_轉速傳感器;3_聯(lián)軸器;4_軸承座;5_試驗軸;6_左端蓋;7_試驗軸 承;8-拉力桿;9-擋板;10-外六角萬向球;11-導桿;12-栗；13-測微頭；14-水箱；15-回水槽； 16-右端蓋;17-拉力環(huán);18-調心球軸承;19-軸承套;20-力傳感器。
【具體實施方式】
[0033]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0034]如圖1-圖3所示，本發(fā)明所提供的水潤滑軸承在軸線不對中工況下的潤滑性能測 試裝置，包括機械系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和信號測試系統(tǒng)。
[0035] 機械系統(tǒng)采用伺服電機1通過聯(lián)軸器3驅動試驗軸5進行運轉，試驗軸5兩端分別用 角接觸球軸承和圓柱滾子軸承支撐，滾動軸承座4為剖分式軸承座，從而方便試驗軸5的裝 拆；圓柱滾子軸承內圈的外徑小于試驗軸承7的內徑，從而方便試驗軸承7的裝拆。試驗軸承 7兩端用左端蓋6和右端蓋16固定，并如圖3所示在周向上用鍵固定;軸承套19與調心球軸承 18內圈過渡配合，調心球軸承18外圈通過加載環(huán)17與加載桿8相連，軸承套19上的固定螺釘 通過繩子連接到力傳感器20上從而限制軸承套19的轉動并測量試驗軸承的摩擦轉矩;軸承 套19兩端面安裝有軸向擋板9,兩側擋板都可用如圖4所示的外六角萬向球10頂壓，并且可 用測微頭13微調右上側擋板9的位置。所述擋板與所述外六角萬向球的接觸表面硬度 HRC55,表面粗糙度RaO.l。
[0036] 供水系統(tǒng)主要由水箱14、栗12、回水槽15和管路組成。水通過端蓋16和軸承套19中 的水路進入試驗軸承進行潤滑，端蓋6和端蓋16與軸之間留有小間隙，溢出的水流入槽15中 經過濾回收到水箱中。
[0037] 信號測試系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯示設備。試驗軸的轉速由光電轉速 傳感器2測量;在軸承端蓋6和端蓋16上各在水平和垂直方向安裝1個位移傳感器，以測量軸 承的傾斜角和軸承兩端面中心的位置變化;光電轉速傳感器、位移傳感器、載荷測量力傳感 器及摩擦轉矩測量力傳感器的信號經采集卡輸入到計算機中，使用采集軟件采集記錄數(shù) 據(jù)，然后進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析軸承的摩擦系數(shù)、軸心位置隨載荷、轉速、傾角的變化。
[0038] 本發(fā)明提供的水潤滑軸承在軸線不對中工況下的潤滑性能測試的方法，包括：
[0039] (1)裝配好試驗軸及試驗軸承，在左右端蓋上水平和垂直方向各安裝1個位移傳感 器，位置如圖2所示，調節(jié)位移傳感器使探頭與軸表面的距離在測量范圍之內，緊固位移傳 感器；
[0040] (2)設定栗流量并啟動栗，給試驗軸承供水;設定電機轉速并啟動電機;在低轉速 下對軸承施加一向上較大載荷，記錄此時各位移傳感器測量值作為標定值，以確定試驗軸 承兩端軸心位置；
[0041] (3)給軸承加載到試驗載荷；
[0042] (4)調節(jié)左下側外六角萬向球使球頭與擋板剛好接觸，調節(jié)測微頭改變軸承傾斜 角度，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄位移傳感器及摩擦轉矩力傳感器的變化；
[0043] (5)數(shù)據(jù)處理，計算軸承兩端軸心位置、摩擦系數(shù)及軸線傾斜角度，并繪制成圖表， 以分析軸承潤滑性能隨傾斜角度的變化規(guī)律。
[0044]如圖5所示，根據(jù)傳感器測量值和幾何關系，軸線水平方向和垂直方向傾斜角度可 由下式求出：
[0046] 軸承左端軸心位置可由下式求出：
[0048] 軸承右端軸心位置可由下式求出：
[0050] 式中，B-軸承寬度；
[00511 c 一軸承半徑間隙；
[0052] 1^一軸承左右端蓋位移傳感器的距離；
[0053] ao、b()-軸承左端軸心水平方向和垂直方向位置標定值；
[0054] cQ、dQ-軸承右端軸心水平方向和垂直方向位置標定值；
[0055] &1、131、(：1、(11一軸承左端和右端軸心水平方向和垂直方向位置測量值。
[0056]軸承摩擦轉矩和位移傳感器導線的拉力矩由繩子的拉力矩和調心球軸承的摩擦 轉矩克服，位移傳感器拉力矩可由無載荷軸不轉時的繩子的拉力矩確定，調心球軸承的摩 擦轉矩相對水潤滑軸承較小，可以忽略，所以水潤滑軸承的摩擦系數(shù)可由下式求出：
[0058]式中，F(xiàn)f、FfQ-摩擦轉矩力傳感器測量值及初始測量值；
[0059] W-外載荷；
[0060] L2-軸中心線到繩子的距離；
[0061 ] R-軸承半徑。
[0062] 通過調節(jié)伺服電機轉速和載荷測試試驗軸承在不同工況下的潤滑性能。測試不同 材料和結構的試驗軸承研究材料和結構對軸承潤滑性能的影響。如圖6所示，軸承長度可以 通過改變軸承內孔與軸配合的長度來改變。
[0063] 以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改，這并不影 響本發(fā)明的實質內容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相 互組合。
【主權項】
1. 一種水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置，其特征在于，包括機械系 統(tǒng)、供水系統(tǒng)和信號測試系統(tǒng)，其中： 所述機械系統(tǒng)采用伺服電機驅動，包括試驗軸、試驗軸承及軸承套，試驗軸兩端通過兩 滾動軸承支撐，試驗軸承用兩個端蓋軸向固定，并通過鍵或端面凸起結構周向固定;軸承套 外側安裝有調心球軸承，軸承套與調心球軸承內圈過渡配合，調心球軸承外圈通過加載環(huán) 與加載桿相連，軸承套兩端面安裝有軸向擋板，擋板采用外六角萬向球頂壓，右上側擋板采 用測微頭調整位置； 所述供水系統(tǒng)包括水箱、栗、回水槽和管路，水通過端蓋和軸承套中的水路進入試驗軸 承進行潤滑，兩個端蓋與試驗軸之間留有小間隙，溢出的水流入回水槽中經過濾回收到水 箱中； 所述信號測試系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器數(shù)據(jù)，進行分 析和處理。2. 根據(jù)權利要求1所述的水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置，其特征 在于，所述滾動軸承中較小一個的內圈外徑小于試驗軸承的內徑，從而方便試驗軸承的拆 裝。3. 根據(jù)權利要求1所述的水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置，其特征 在于，固定滾動軸承的滾動軸承座為剖分式軸承座，方便試驗軸及試驗軸承的裝拆。4. 根據(jù)權利要求1所述的水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置，其特征 在于，所述傳感器包括光電轉速傳感器，以測量試驗軸的轉速;位移傳感器4個，安裝在兩個 端蓋上的水平和垂直方向，以測量軸承的傾斜角和軸承兩端面中心的位置變化;力傳感器， 通過繩子連接到軸承套上，以測量試驗軸承的摩擦轉矩。5. 根據(jù)權利要求1所述的水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置，其特征 在于，所述擋板與外六角萬向球的接觸表面硬度HRC彡50，Ra彡〈0.1。6. 根據(jù)權利要求1所述的水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試裝置，其特征 在于，所述機械系統(tǒng)采用伺服電機通過聯(lián)軸器驅動試驗軸進行運轉，所述伺服電機能夠無 極調速。7. 根據(jù)權利要求1所述的水潤滑軸承在軸線不對中工況下的潤滑性能測試裝置，其特 征在于，所述試驗軸承在水平平面上的傾斜通過與豎直方向同樣的方式實現(xiàn)。8. -種水潤滑軸承在軸線不對中工況下潤滑性能測試方法，其特征在于，采用權利要 求1所述的裝置，包括下述步驟： (1) 裝配好試驗軸及試驗軸承，在左右端蓋上安裝位移傳感器，調節(jié)位移傳感器使探頭 與軸表面的距離在測量范圍之內，緊固位移傳感器； (2) 啟動栗和電機，標定試驗軸承兩端軸心位置； (3) 給試驗軸承加載； (4) 調節(jié)左下側外六角萬向球使球頭與擋板剛好接觸，調節(jié)測微頭改變軸承傾斜角度， 采集位移傳感器及力傳感器的信號； (5) 數(shù)據(jù)處理，計算軸承兩端軸心位置及摩擦系數(shù)隨軸線傾斜角度的變化。9. 根據(jù)權利要求8所述的水潤滑軸承在軸線不對中工況下的潤滑性能測試方法，其特 征在于，所述步驟(2)中，在低轉速下對試驗軸承施加一向上的較大載荷，記錄此時各位移 傳感器測量值作為標定值，以確定試驗軸承兩端軸心位置。10.根據(jù)權利要求8所述的水潤滑軸承在軸線不對中工況下的潤滑性能測試方法，其特 征在于，根據(jù)傳感器測量值和幾何關系，軸線水平方向和垂直方向傾斜角度由下式求出：軸承左端軸心位置可由下式求出：式中，B-軸承寬度； c 一軸承半徑間隙； 1^一軸承左右端蓋位移傳感器的距離； ao、bo-軸承左端軸心水平方向和垂直方向位置標定值； C0、do-軸承右端軸心水平方向和垂直方向位置標定值； ai、h、C1、Cl1 一軸承左端和右端軸心水平方向和垂直方向位置測量值； 水潤滑軸承的摩擦系數(shù)由下式求出：式中，F(xiàn)f、Ff ο-摩擦轉矩力傳感器測量值及初始測量值； W-外載荷； L2-軸中心線到繩子的距離； R-軸承半徑。
【文檔編號】G01M13/04GK106017931SQ201610566400
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】張秀麗, 尹忠慰, 高庚員, 李虎林
【申請人】上海交通大學