（机械制造及其自动化专业论文）大型船舶艉管轴承模拟性能试验研究.pdf

摘要 大型船舶艉管轴承的技术基本掌握在国外一些大的船级社中，而艉管轴承技 术是大型船舶动力系统中非常重要的技术，直接关系到船舶的安全可靠的运行。 在对艉管轴承系统的理论和实验研究方面，特别是实验研究，在我国船舶界基本 为空白，这与我国造船大国的地位不相称，制约我国船舶制造向高性能、高附加 值方向的发展。 本文针对十万吨级以上大型船舶艉管轴承，应用相似理论进行艉管轴承的模 拟实物试验，了解轴承运行性能并验证理论模型和程序，通过模拟实验了解不同 结构艉管轴承的运行性能。主要研究： ( 1 ) 根据大型船舶艉管轴承的结构、油膜间隙、油膜压力和轴颈涡动情况来确 定传感器类型，根据传感器类型、特性和数量以及布线情况确定信号放大和整理 系统，确定信号采集、记录的硬件系统，开发信号采集和分析的软件系统。采用 同步采集和顺序扫描相结合的方法，很好地解决了采样性能要求和成本之间的矛 盾。系统采用当下比较通用的u s b 系统，便于携带，成本低，安装方便。 ( 2 ) 应用搭建的艉管轴承试验台，模拟实际工况测试艉管轴承的油膜压力分布、 轴承合力作用点、多截面轴心轨迹、油膜间隙、艉轴倾斜弯曲情况、油膜温度等 参数，并模拟不同工况下这些参数的变化情况。应用样条曲线和样条曲面的重建 理论，根据传感器得到的数据，重建油膜温度、压力分布曲面和艉轴轴心曲线， 全面地反映了轴承系统的运行工况；并且获得最小油膜间隙，最大油膜压力，轴 心轨迹，轴承偏载程度及最大轴承承载能力等特征数据。 关键词：艉管轴承试验台u s b 系统轴心轨迹压力和温度分布 v a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fs t e r nb e a r i n g so ft h el a r g es h i p si si ns o m ef o r e i g n m a j o rs h i pc o m p a n i e s i t st e c h n o l o g yi sav e r yi m p o r t a n tt e c h n o l o g yt h a t i sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es h i p ss a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n i nt h e a s p e c t so ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h es t e r nt u b eb e a r i n g s y s t e m ，p a r t i c u l a r l ye x p e r i m e n t a ls t u d i e s ， o u rc o u n t r yi sb a s i c a l l y a r c h i v e d n o t h i n g t h i s i sn o tc o m m e n s u r a t ew i t hc h i n a s l a r g e s t 8 h i p b u i l d i n gc o u n t r y ss t a t u sa n di tr e 8 t r i c t e dc h i n at od e v e l o p h i g h - p e r f o r m a n c e ，h i g hv a l u e - a d d e ds h i p s t h i sp a p e rd e a l sw i t hs t e r nb e a r i n go fm o r et h a n1 0 0 ，0 0 0t o n so fl a r g e s h i p s ， s t e r nt u b eb e a r i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e da c c o r d i n gt o s i m i l a rt h e o r ya p p l i c a t i o n ，u n d e r 8 t a n d i n gb e a r i n go p e r a t i n gp e r f o r m a n c e a n dv a l i d a t et h e o r e t i c a lm o d e l sa n dp r o c e d u r e s ，t h r o u g ht h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t su n d e r s t a n dt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo ft h es t e r nt u b eb e a r i n g o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e m a i nr e s e a r c h ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h eb e a r i n gs t r u c t u r e ，o i lf i l ms p a c e ，a n df i l mp r e s s u r e s i t u a t i o nt od e t e r m i n et h e t y p e s o f s e n s o r s e s t a b l i s h s i g n a l a m p l i f i c a t i o na n dc o l l a t i n gs y s t e m ，e s t a b l i s h e ds i g n a la c q u i s i t i o n ， r e c o r d i n gh a r d w a r es y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n to fs i g n a la c q u i s i t i o na n d a n a l y s i ss o f t w a r es y s t e m si nl i g h to ft h et y p e ，n a t u r ea n dq u a n t i t i e so f t h es e n s o r s a d o p t e ds y n c h r o n i z e da c q u i s i t i o na n dt h es c a n n i n gm e t h o d p r o v i d e dag o o ds o l u t i o nt ot h es a m p l i n gr e q u i r e m e n t sa n dc o s t s c u r r e n t s y s t e m su s em o r eg e n e r i cu s bs y s t e m s ，p o r t a b l ea n dl o wc o s t ，e a s eo f i n s t a l l a t i o n ( 2 ) a p p l i c a t i o no ft h es t e r nt u b eb e a r i n gs t r u c t u r e st e s ts y s t e mt o s i m u l a t ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n si n c l u d i n gs t e r nt e s to ft h eb e a r i n g o i lf i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，b e a r i n gs y n e r g i e s ，m u l t i s e c t i o no r b i t ， f i l ms p a c e ls t e r n - a x i st i l tb e n d i n gtf i l mp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e | v i a n ds i m u l a t e dd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h ec h a n g e si nt h e s ep a r a m e t e r s a p p l i c a t i o no f r e c o n s t r u c t i o nt h e o r yo f s p l i n ea n ds p l i n es u r f a c e ， a c c o r d i n gt ot h ed a t as e n s o r ，r e c o n s t r u c t e df i l mt e m p e r a t u r e ，s u r f a c e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n ds t e r ns h a f t a x i sc u r v e ，c o m p r e h e n s i v e l yr e f l e c t t h eb e a r i n gs y s t e mo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ；f i l ms m a l l e s tg a p ，t h eb i g g e s t f i l mp r e s s u r e ，o r b i t ，b e a r i n gp a r t i a lb e a r i n go nt h ee x t e n ta n dt h el a r g e s t c a r r y i n gc a p a c i t ya n do t h e rd a t a k e y w o r d s ： s t e r nt u b eb e a r i n g e x p e r i m e n tl a b u s bs y s t e m s h a f to r b i t d i s t r i b u t i o no fo i lf i l mt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e v i l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期五虹半 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔邋 导师签名：銎! 主叠应日期：盈盘。堇：丝 i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 由于大型船舶艉轴使用常规的设计方法很难保证轴承的性能和设计的有效 性，故在轴承制造之前，为了降低制造风险，根据相似原理按比例缩小艉轴轴承 系统进行模拟实验，本论文所讨论的船舶螺旋桨轴( 艉轴) 轴承性能模拟技术就是 针对船舶螺旋桨轴系统的油液分析( 对油液的压力温度和油膜厚度进行监控) 技 术。本文讨论了大型轴承系统模拟及其涉及的测控技术。 1 1 大型船舶的艉轴及其轴承 主推进装置是船舶动力装置的一个重要组成部分，它包括主机、轴系、传动 设备和螺旋桨等，其作用是由主机发出船舶推进所需功率，通过轴系与传动设备 传给螺旋桨从而使螺旋桨转动而产生推力，推动船舶运动。轴系的基本结构如图 卜1 所示。 1 23 1 艉管轴承2 推力轴3 前轴承4 发动机5 联轴器6 支架7 螺旋桨 图1 - 1 船舶轴系的典型结构 上海大学硕学位论文 邕圈 幽卜4 后艉轴承受力情况 影响尾轴刚度稳定性的几个主要因素有： 1 不对中及其对中载荷的影响 船体刚度的影响：船舶轴系是支撑在船体上的。船体本身是一个弹性体，所 以船舶轴系是弹性支承的，而不是合理校中计算所假定的刚性支承。船体的支承 刚度对轴系的校中与运行有着直接的影响， 安装误差：在轴系运转过程中，由于存在润滑油，轴承与轴颈之间会产生油 膜，因而轴颈是被支承在具有一定厚度的油膜上的。船舶轴系一般由多个滑动轴 上海大学硕士学位论文 承支承，所以不同于单个的滑动轴承，它是一个轴承系统。在不同的支承处，油 膜厚度不同，轴承反力也不同，某个转子位置的变化和轴承反力的改变都会影响 到周围的轴承，于是轴承间相互影响，使轴系的轴承反力发生复杂的变化。 螺旋桨的影响：在轴系中由于尾轴后端悬挂着一个螺旋桨，存在螺旋桨引起 的陀螺效应，陀螺力矩使轴系在尾轴的后端有向水平轴心线靠近的趋势，改善了 轴系尾部的弯曲情况。 2 机器零部件的失效是影响机器正常运行的主要障碍之一，而零部件的磨损 失效又是机械零件失效中最常见、最主要的。常见的失效形式主要有润滑油过热， 胶合等。 1 2 船舶艉轴的监测及其相关技术的发展概况 滑动轴承在设备中使用极其广泛，其常见的故障主要有疲劳与剥落，磨损， 变形，巴氏合金松脱，巴氏合金损坏，轴承壳体配合松动，轴承间隙过大等。判 断滑动轴承状态是否正常的检测方法很多，如：振动法，测温法，噪声法，油液 检测法，膜电阻法。滑动轴承是大型机械设备上常用的转动部件，由于该部件拆 卸不方便，在测定滑动轴承经过长期运行磨损后的径向间隙时，传统方法是用压 铅法，但这种测定方法误差较大，应用不便。 目前有如下常用的滑动轴承故障诊断方法： 检测滑油温度、轴承温度及主油道滑油压力波等物理参数；测轴心轨迹、 油膜厚度、油膜压力：光铁谱分析和振动分析等。这些方法各有其特点，能 在一定程度上反映故障特征，但也存在局限性。如振动信号具有信息丰富、传感 器安装方便等优点，但信号的主要能量集中在1 5 0 0 h z 以下的低频区，而干扰信 号的频率也多为低频，从而使信号分离较为困难。声发射信号与普通振动信号相 比，具有较宽的频率范围，信息量更大，利用高频段信号进行故障诊断，可以有 效地排除其它低频干扰信号，因此信噪比高。此外传感器安装也较方便，可以对 运行中的设备进行无损状态监测。 目前，工程机械状态监测和故障诊断上广泛应用的信息有振动信息、铁谱信息和 温度信息等从理论上讲，这些方法均可以应用于滑动轴承的状态监测。 为了减少船舶危险情况或灾难性事故的发生，降低停航时间，延长润滑油寿 3 上海大学硕士学位论文 命，对船舶机械运行状态进行监测是很有必要的。通过状态监测，为船舶故障早 期判定提供信息，满足船舶管理和维修的需要，增加安全性：并可合理安排维修， 最大限度地延长维修周期，节约维修费用；避免设备二次损坏，降低运行成本。 按我国船级社与世界上主要船级社的检验标准与指导性文件的有关规定，使用润 滑油油液分析诊断技术最能体现现代船舶机械设备状态监测的发展趋势。 船舶螺旋桨轴是船舶推进装置的重要组成部分。螺旋桨轴及其衬套、轴瓦的 磨损程度和损坏情况直接关系到船舶安全航行。所以需要定期抽轴检验以及时发 现缺陷、防止故障。中国船级社c c s 规定有3 种方式可替代定期的螺旋桨抽轴 检验，分别为变通检验、部分检验和螺旋桨轴状态监控系统的检验。但只有状态 监控可在不抽轴的情沉下进行检验，延长抽轴检验间隔期，避免过度维修和不足 维修。英国劳埃德船级社l r 也对此做了要求：对作为直接主推进装置使用的螺 旋桨轴，存在基于工况监测的特定程序，其可作为替代的检验方法：根据s c m ( 螺 旋桨轴状态监控) 程序，如果工况监测参数处于允许的范围内，则在正常的检验 间隔内无须将螺旋桨轴从螺旋桨轴承中抽出检验。 船舶螺旋桨轴是船舶最易发生磨损性故障的部位之一。对该设备实施油液监 测，是船舶实现现代化科学管理和采用以预防为主的视情维修体制的可靠技术保 证。通过油液监测可对设备的磨损状况以及对设备故障进行早期故障预报、预防， 确保设备技术状况完好。 船舶螺旋桨轴油液监测技术是当前国际船舶动力装置状态监测、故障诊断、 失效分析，实现以可靠性为中心的预防维修管理的发展大趋势，也是贯彻落实国 际海事组织( t m o ) 和国际船级社协会( t a c s ) 加强船舶安全管理基础性的关键技术 工作。 润滑油油液分析诊断技术是近几年迅速发展起来的用于船舶机械设备状态 监测与故障诊断的新技术，它能够在设备不停机、不解体的情况下监测设备工作 状况，诊断设备的异常部位、异常程度及原因，从而预报设备可能发生的故障， 有针对性地进行维护与修理，是现代轮机管理维修制度由定期维修过渡到预测维 修的技术保障。 对船舶螺旋桨轴采用油液监测诊断技术，不仅能保证机械设备正常运行、降 低故障率，而且还能极大地提高船舶机械设备的工作可靠性和利用率、提高船舶 4 上海大学硕士学位论文 营运率，并可最大限度地延长维修周期( c c s 规定可延长螺旋桨轴坞内抽出检验 的间隔期为l o 年或1 5 年) 。对此，劳氏船级社也做出了明确阐述：监测程序定 义了测得的参数、测量的频率、记录和评估数据的方一法以确定螺旋桨轴轴承的 物理状态及运转工况，如果所有的工况监测数据都处于正常的允许范围内，并且 在所有其他方面劳氏验船师对程序的正确执行感到满意，则在正常的5 年期检查 中不必抽出螺旋桨轴进行检验。 微电子技术及检测技术的不断进步促使大量新型传感装置和信号调理设备 涌现出来。现在己有很多性能优越、使用方便的硬件设备投放市场，极大的方便 了科学研究和技术实践。1 9 8 7 1 9 9 6 年间，多通道、高性能动态信号分析系统相 继出现。这类系统的特点是由前端模块完成数据采集和信号处理，通过标准总线 与计算机相连，由计算机进行测量、控制，以及二次信号处理和进一步分析。 h p 公司的h p 3 5 6 5 是成功的多通道动态信号分析系统。 随着船舶向大型化、高速化的发展，以及人们对舒适性、安全性要求的提高， 船舶航行时的动态性能越来越受到船舶界的重视。在过去几十年内，为研究轴系 校中以及轴系的动态性能，改善船舶航行的动态性能，国内外许多船级社、船厂 和科研部门投入了大量的人力和财力，进行了一系列的理论探讨与实验研究。众 所周知，影响轴系校中的动态因素有多种，诸如螺旋桨水动力、轴承油膜、船体 变形等。由于问题的复杂性与不确定性，目前，对轴系动态性能的研究还处于理 论探索阶段，在设计与生产过程中，人们还是采用不考虑动态参量的合理校中技 术。船舶在航行过程中，由于受到螺旋桨激振力、油膜等动态因素的作用，所以 轴承反力是动态变化的。然而，合理校中技术没有考虑这些动态因素的影响，所 得到的轴承反力也是静态的。现代运输业尤其是海洋运输业的发展，使得船舶这 个交通工具在现代化的生产中起着举足轻重的作用，船舶尾轴的监控成为船舶业 向前顺利发展的一个关键。 1 3 本文的研究内容 “大型船舶艉管轴承模拟试验”是上海江南造船厂提出的，联合上海大学共 同实施的一项科研项目。轴承的模拟试验是指应用相似理论，将大型的艉管系统 比例缩小成尺寸较小的轴承转子系统进行实物性能模拟。该项模拟试验有两个应 5 上海大学硕士学位论文 用目的：( 1 ) 在设计阶段，用于检验即将制造的艉管轴承的性能，争取早期发现 隐患，杜绝事故发生；( 2 ) 现役船舶出现艉管轴承故障时用于故障工况再现，帮 助找出出现故障的原因和原设计缺陷。本文论述的是该项目中的一部分，内容包 括： 一：模拟实验台的搭建 根据相似分析得到设计参数，确定艉管轴承试验台的动力系统、转子和轴承 部件的结构设计、润滑系统和加载系统，设计、制造和购置相关部件，搭建模拟 试验台。 - - ：轴承性能测试系统的开发 根据大型船舶艉管轴承的结构、油膜间隙、油膜压力和轴颈涡动情况来确定 传感器类型，根据传感器类型、特性和数量以及布线情况确定信号放大和整理系 统，确定信号采集、记录的硬件系统，开发信号采集和分析的软件系统。 三：艉管轴承性能实验和数据分析 根据油膜压力，温度和轴心轨迹的测试数据，分析得到最大油膜压力、 最高油膜温度和最小油膜间隙及其出现的位置，轴向载荷的不均匀度，形成 稳定油膜的最大载荷等，最终综合评判此轴承的性能，并提出改进建议j 6 上海大学硕士学位论文 第二章艉轴轴承模拟试验装置的总体设计 由于本课题研究的是大型轮船艉轴，直接按l ：l 的实际尺寸进行实验成本 昂贵而且不切合实际，所以本论文根据相似理论，轴承和艉轴的几何尺寸按1 ： 5 比例缩小，转速按5 ：l 提高，这样就在保证实验结果准确的情况下大大减少 了成本。 2 1 艉轴轴承模拟试验台的总体结构 2 1 1 试验台的功能要求 根据相似理论，轴承和艉轴的几何尺寸按1 ：5 比例缩小，转速按5 ：1 提高。 预期功能要求如下： ( 1 ) 模拟艉轴轴承在航行中的实际工况，包括 模拟前后轴承不对中的安装误差 模拟艉轴起动和停车过程的运动状况 模拟螺旋桨自重等载荷( 静态载荷) 模拟轴承的润滑和冷却环境 模拟不同工作转速下的运行情况 ( 2 ) 检测艉轴轴承的工作状况，包括 艉轴轴承在轴向和径向上的油膜间隙分布 艉轴轴承在轴向和径向上的油膜温度分布 艉轴轴承在轴向和径向上的油膜压力分布 ( 3 ) 轴承性能评估 最大油膜压力、最高油膜温度和最小油膜间隙及其出现的位置 轴向载荷的不均匀度 形成稳定油膜的最大载荷 7 上海大学硕士学位论文 2 1 2 试验台的总体结构方案 系统硬件主要由变频驱动及机械和传感器两大部分组成。其中机械部分包括 轴系( 实船轴系按比例缩小，见图2 1 ) 系统、工业控制柜、工业控制机等组成。 1 径向加载装置2 螺旋桨3 艉管后轴承4 轴承微调装置5 艉轴6 艉管前轴承7 联 轴器8 - 0 减速箱9 变频电机 图2 1 轴系模拟系统试验台 本系统采用的轴系是实船轴系按照一定比例缩小的模拟系统，主要包括电动 机、凸轮、前轴承、中间轴承、尾轴承、以及模拟螺旋桨。其中电动机和凸轮的 作用是用来模拟船用柴油机的运转。其原理是改变电动机的运转频率，进而达到 改变转速的目的，同时还可以改变转动的方向。主要作用是可以用来模拟船舶不 同运转速度下和正车、倒车时轴系的运转状况。 径向加载装置采用一个液压加载装置，通过调节油缸进油压力来变化径向 力。使用变频电机来调节艉轴的运转速度。在实际船舶中，艉轴较长，前后艉轴 承很难对中，前后轴承的同轴度误差对轴承性能影响很大，故使用了同轴度误差 调节装置，用于模拟轴承的安装误差。本实验装置也使用了润滑冷却系统冷却本 实验装置。润滑油用于润滑本装置同时也提供支撑轴所需的压力。 上海大学硕士学位论文 2 2 轴心轨迹的测试方案 由于艉轴后轴承的长径比大，在航行中艉轴不可避免地产生倾斜、弯曲等变 形，影响艉轴和轴承之间的实际间隙分布。艉轴轴心线相对于轴承空间位置可以 间接反映了油膜间隙。 2 2 1 位移传感器的布置方案 位移传感器的安装布置尽量要避免油膜压力最大处且尺寸要尽量小，以免使 传感器损坏，对轴承产生较大的影响，本课题采样差分信号采集轴心轨迹信号， 使用两个传感器检测一个位移分量的方法不仅可以有效地避免安装误差，还可成 倍地增强采集信号。如图2 3 所示，第一时刻为所测量的位移x l = s l + a - s 2 - b ( s 2 = o ) ，第二时刻为x 2 = s 3 + a - s 4 b ，显而易见，与轴承的初始位置无关，可以 有效地避免安装误差。 初步的传感器布置如下图： r1 一- -jl 2 - 2 涡流位移传感器布置示意图( 共十二个传感器) 9 上海大学硕士学位论文 图2 3 位移传感器安装误差( 轴运转两个不同时刻) 2 2 2 位移传感器的选用 目前可以用于位移测量的传感器主要有几个大类：电容式传感器，电感式传 感器等。 电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量。 它的特点是小功率、高阻抗；小的静电引力和良好的动态特性；d w y 一3 振动、 位移测量议是一种电容、调频原理的非接触式测量仪器，它既是测振仪，又是电 子测微仪。主要用来测量旋转轴的回转精度和振摆、往复机构的运动传性和定位 精度、机构构件的相对振动和相对变形、工件尺寸和平直度，以及摹写特殊测量 等。作为一种通用性的精密测试仪器得到广泛应用。 电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈电感或互感的改变来实现 非电量电测的。根据工作原理的不同，可分为变阻磁式，变压器式和涡流式等种 类。广泛应用于位移、振动、压力、流量等方面的精密测量。它的特点是工作可 靠，寿命长；灵敏度高，分辨力高( 位移变化0 o l u s ，角度变化0 1 度) ；精度高， 线性好( 非线性误差可达0 0 5 - - 0 1 ) ，性能稳定，重复性好。 本课题比较倾向于选择电感式传感器中的涡流位移传感器。电涡流传感器具 有诸多优点：非接触测量，测量范围宽，动态响应好撤4 量精度高，长线传输抗干扰能 力强，不受介质影响，结构简单，标定容易，能连续长期可靠的工作等。近年来， 被广泛应用于高速旋转机械的轴向位移、径向振动、转速、轴心轨迹等测量中， 在生产中发挥出越来越大的作用。 1 0 i 海大学碗学位论文 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高精度、高分辨率地测量 被测金属导体表明距探头表明的相对位移变化。它是一种非线性的线性化计量工 具。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析、振动信号、分析测量中，对 非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转予振动状态的多种参数。 如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。在所有的与机械状态有关的故障征兆中， 机械振动测量是最具权威性的，这是因为他同时含有副值、相位和频率的信息。 机械振动测量占有优势的另外一个原因是：它能反映出机械所有的损坏，并易于 测量，从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态主要取 决于其核心转轴而电涡流传感器能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子 的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提 供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、 分辨率高、响应速度快、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优 点在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到了广泛应用。本课题采用 的电涡流位移传感器如图2 _ 4 所示、 2 23 安装和校准 图2 4 c u i3 5 0 0 涡流传感器 由于位移电涡流传感器是通过探测金属介质来测量距离，所以在安装的时候 探头周围有- - d 凹槽，这样在测量的时候就不会受到周围金属介质的影响。具体 安装情况如下图所示。温度、压力传感器安装情况类似，这样可以避免了轴承对 上海大学硕士学位论文 测量结果的影响，可以更精确的测量油膜温度。 位移涡流传感器的安装校核如下图所示，用和艉轴承弧度一样的铁块紧贴在 艉轴承内壁，校核其初始位置x o 。 图2 - 5 传感器校准图图2 - 6 传感器安装图 2 3 油膜温度和油膜压力分布的检测方案 2 3 1 传感器的布置方案 传感器压力和温度变化梯度比较大的位置，而且要尽可能安装在峰值附近。 由于艉轴承下半面承受的油膜压力最大，温度相对也较高，所以在轴承的下半曲 面均匀布置温度和压力传感器。 -i -i 一卜一 - rr1r ，i - lil 图2 - 7 压力、温度传感器布置示意图( 左为剖分的俯视图，共5 0 个传感器) 1 2 上海大学硕士学位论文 2 3 2 传感器的选用 温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温 度传感器，一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对 象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测 对象的温度。这种测温方法精度比较高，并在一定程度上还可测量物体内部的温 度分布，但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象，这 种方法将会产生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。目前 最常用的是辐射热交换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目 标及热容量小或变化迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比 较大。 由于本项目是测量艉轴轴承的油膜温度，无腐蚀性，温差范围不是特别大， 所以就选择了一种接触式铂电阻温度传感器。打算选用温度传感器为p t l 0 0 ，这 是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器。可以工作在2 0 0 c 至6 5 0 c 的 范围。 实际应用情况中瓦块上的温度一般在9 0 c 以内。为及时捕捉轴承运转时瓦块 偏载的信息，课题需要选择合适的温度、位移和压力传感器。选择的原则是传感 器具备性能稳定、线性度好、精度高等特征，同时体积便于安装。 常见的温度传感器有：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器( r t d ) 和i c 温度 传感器等。热电偶传感器是将温度变化转换为热电势变化的温度测试元件。它的 特点是：非常宽的温度范围，但是具有低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速 度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性等缺点。另外，热电偶需要外部参 考端。热敏电阻温度传感器是将温度变化转换为电阻的变化的温度测试元件。它 在较窄的温度范围内检测灵敏度高，但输出值的线性度差，检测时需要线性补偿。 电阻温度检测器( i 汀d ) 精度极高、中等线性度、稳定性高，但最高工作温度只能 达到4 0 0 左右。模拟输出i c 温度传感器具有很高的线性度、低成本、高精度、 小尺寸和高分辨率。但是温度范围有限( 一5 5 + 1 5 0 c ) ，并且需要一个外 参考源。所以上述各类温度传感器均不适用于本课题。 铂电阻是热电阻传感器中的一种。具有电气性能稳定、温度和电阻关系近于 线性、精度高，响应速度快、测量范围大( 2 0 0 8 0 0 ) 、使用方便、体积小， 1 3 上海大学硕士学位论文 能够嵌入到轴承瓦块中去等优点。所以本文决定采用线性度相对较好的p t l 0 0 作 为温度传感器。 压力传感器选用p 3 8 0 系列应变式压力传感器，大平面不锈钢膜片直接感测压 力，高抗腐蚀性，机械过压保护，温度特性稳定，数字电压输出。 图2 8p 3 8 0 抗腐蚀压力传感器 2 33 传感器的安装 压力和温度传感器的安装、布置与涡流位移传感器类似，同时也要传感器尺 寸尽量小，不要探测头不要与轴承接触以免测量出现误差。 2 4 本章小结 本章主要论述了艉轴轴承模拟试验装置的总体设计，试验台的功能要求，轴 心轨迹的测试方案，油膜温度和油膜压力分布的检测方案，介绍了模拟试验台的 机械部分和控制部分，为本实验对轴心轨迹和油膜压力温度的监测奠定了基础。 上海大学硕士学位论文 第三章艉轴承性能测试系统的开发 本节将结合具体的芯片，介绍了u s b 接口的数据采集系统的硬件设计。硬 件系统的设计以e z u s bf x z 控制器为核心，包括e z u s bf x 2 接口的硬件电 路( e z u s b f x 2 芯片和p c 机的接口电路、电源模块) 、数据采集电路、控制电路 几部分。由e z u s b f x 2 控制器经c p l d 控制电路实现对a d 转换器的控制。模 拟信号输入a d 转换器，经转换后将1 2 位数据送到e z - u s bf x 2 控制器端点缓 冲区中，由主机取出数据。 本课题总共使用了六十二个传感器，温度和压力传感器分别使用二十五个， 涡流位移传感器使用十二个，所以有六十二路信号需要采集。二十五路温度信号， 二十五路压力信号和十二路位移信号要至少三种信号分别同步，也就是至少有二 十五路信号同步，才能保证测试结果的准确性。 3 1 同步误差问题 本课题由于要用到六十二路传感器( 压力、温度、位移) ，其中压力和位移 信号随时间的变化而变化很快，使用一般的a d 顺序采样芯片会有一个采样周期 的滞后，这样会造成信号的采集不是实时同步的，数据采集会有误差，并且这种 误差会随着采样周期的变化而变化。这里以轴心轨迹为例具体分析误差产生的原 因。 3 1 1 轴心轨迹不同步采集的误差分析 由于要研究艉轴倾斜、弯曲以及不同结构艉管轴承的运行性能，在艉管轴承 上需布置大量的压力、温度和位移传感器用于测试油膜压力、油膜间隙、艉轴倾 斜和弯曲、轴心轨迹、油膜温度。下面就先以测试轴心轨迹为对象先分析一下顺 序采集和同步采集系统的利弊，并理论分析了同步采集系统的优势。油膜温度和 压力的情况分析与此类似。 旋转机械的轴心轨迹是指转子上轴心一点相对于轴承座运动而形成的轨迹。 在回转机械的监测和故障诊断中，由于轴心轨迹图含有丰富的故障信息，可通过 1 5 上海大学硕士学位论文 轴心轨迹图的分析得出故障的前期征兆，分析故障的具体原因，进而采取合理的 维修措施，防止设备事故的发生发展。这种方法较全面地反映了回转机械的运行 状态，可作为现场人员判别设备运行状态的常备监测工具。同时检测一截面轴颈 在两个互相垂直的方向上的瞬时位移，可以确定该截面轴心的瞬时位置；连续测 量轴心位置，即可采集到轴心轨迹。显而易见，测试轴心在两个正交方向上的位 移时的“同步性 是影响轴心轨迹测试精度的主要因素之一。对于一般中低速旋 转机械来说，由于转子转速及其轴心涡动速度和现代数字采集系统的采集速度相 比要慢得多，所以测试时的同步误差并不显著，可以采用一个数模转换器以交替 异步的方式进行轨迹测试，也能保证轴心轨迹的测试精度要求。但是，随着转子 转速的提高，这种异步采集方式带来的误差越来越不可忽视。本文首先分析异步 方式的测试误差，再提出一种廉价的高速转子轴心轨迹的同步采集系统。 轴心轨迹的异步测量方法及其测试误差： 图3 1 所示的是一个典型的轴心轨迹数据采集系统。转子轴心某处x 和y 方向 的位移信号经过多路转换开关送入模数转换器a d c ，轮流进行a d 转换。在这种 系统中，x 和y 方向的位移信号的采集不能同时进行，一个轴心位置的两个位移分 量的采集时刻总是存在一个时间间隔。这个时间间隔主要取决与a d 转换器的转 换速率和数字采集系统的数据传输速率。将不同时刻采集的位移分量合成轴心轨 迹，就不可避免地产生误差。这个误差称为异步误差。 多 路信 选 斟b 号 择处 开理 关 图3 1 典型的轴心轨迹测量系统 为了便于分析异步误差，假设转子轴心轨迹是一个半径为p 的圆，轴心涡 动角速度恒为埘。交替测量轴心机方向上的位移和少方向上的位移，并设采样频 率彤则它们之间的采样时间间隔为a t ，则测量获得的轴心轨迹的参数方程可 描述为 1 6 上海大学硕士学位论文 五( m t ) = 一p c o s 6 。o t ( 式3 - 1 ) 【y l ( f ) = p s i n 烈ha t ) 一“ 消去式1 中的时间变量t ，得到相应的轴心轨迹方程 掣+ 掣：1 (式3-2)2a 2 。 2 b 2 、j j 。二 其中 口= 牛。s 等+ 咖爿，6 = p l c o s 竽痂剖 显然，这是一个椭圆方程。椭圆的长轴和水平方向的夹角为4 5 。，长短轴半径 分别为口和b 。这说明当x 和y 方向的位移不是同步进行测量时，圆形的轴心轨 迹的测量结果失真为椭圆。失真的程度和相位差础有关( 图3 2 ) 。当相位差国f 达到詈时，失真最为严重，测得的轴心轨迹将退化为一条4 5 。的斜线。 图3 - 2 圆形轴心轨迹的异步测量结果 我们将轴心轨迹由于非同步引起的测量误差定义为实际轴，i a 、, 轨迹和测得的 轴心轨迹之间区域的最大内切圆直径。对于圆形轨迹，上述方法的异步误差是实 际轨迹圆半径和采集到的椭圆轨迹短轴半径之差，即 q ：p 一一c o s 华一s i n 纠 ( 式3 - 3 ) 铲矿p l c o s t q m 司 ( 式 1 7 上海大学硕士学位论文 相对误差 q = 参= l - c o s 半确竽斗厮c 眍c o a t 纠 ( 式3 4 ) 从式3 - 4 可以看出，涡动角速度越高，异步误差越大；提高采样频率，降低 同一组数据各分量的采样时间间隔，则有利于降低轨迹的异步测量误差。为了控 制异步误差在一定范围内，如果轴心的涡动角速度高，就应该相应地降低采样时 间间隔。x 、y 位移的采样时间间隔f 主要取决与a d 转换器的转换速率和数字 采集系统的数据传输速率。记采样频率为厂= 去，图3 3 给出了几种许用异步误 差下的最小采样频率关于涡动角速度的曲线。 寡 邑 蒸 蒌 皤- 6 图3 - 3 最小采样频率和涡动速度的关系 从图3 3 中可以看出，使用中等转换速率的a d 器件可以满足中低转速的轴 心轨迹测量。但是，对于高速转子普通的数字采集卡就难以胜任。采用合适的测 量方法和数据处理方法也是降低异步误差的有效途径。例如，在图1 所示的采集 系统中，利用线性插值进行相位误差补偿，可以显著降低异步误差。交替测量轴 心在x 和y 方向上的位移，采样周期仍为垃，将式3 1 改为 ix 2 ( t ) = p c o s c o t 1 儿( o ：晏( s i i l 嘶一a f ) + s i n ( h a f ) ) 式3 - 5 ) l 不难看出，式( 3 5 ) 给出的轨迹也是一个椭圆。只是椭圆不再倾斜，其长 轴在水平方向上；当相位差础达到要时，测得的轴心轨迹变为一条水平线。对 上海大学硕士学位论文 于圆形轨迹，容易求得相对异步测量误差为 q _ l c o s o a t 【o 础s 三) ( 式3 - 6 ) 显然，当0 o a t i 1 , 时，占： q 。由此可见，采用中值插值法可以有效地降低 异步误差，但是还不能从根本上消除不同步带来的测量误差。彻底消除异步误差 的唯一方法是采用同步测量技术。 基于以上分析，在某一截面轴心轨迹信号采集不同步时存在着误差，当在多 个截面布置很多传感器需要采集多路信号时，误差则会很大。、 3 1 2 信号同步采集的实现 多路信号同步采集主要有两种技术：( 1 ) 同步模数转换技术，即每一路信号 分别配置一个独立的a d 转换器，由一个同步信号同时触发a d 转换，从而实现 多路信号的同步采集；( 2 ) 同步采样保持技术，即每一路信号独享一个采样保持 器，共享一个a d 转换器，同步信号使各路信号同时保持在各自的采样保持器中， 再分别迸行a d 转换。一般来说，第一种技术具有较高的转换速率，但经济性不 如第二种。因为位移和压力瞬间变化，不能有丝毫的滞后，必须要保证同步，而 温度在很短时间内变化不明显，变化几乎可以忽略不计，所以为了节约成本，将 温度信号的采集分别穿插在位移和压力信号之间进行采集，这样也可以保证采集 的精度。本课题采用二十五路压力传感器与七路温度传感器同时采集，十二路位 移信号与十八路温度信号同时采集，这样可以有效的节约资源。图3 4 所示的是 一个我们开发的基于u s b 便携式的高速同步采集系统，用于采集高速转子系统中 的滑动轴承的轴心轨迹。这个采集系统应用第二种同步技术，采用u s b 2 0 作为 采集模块和p c 机的通讯协议，具有传输速率高、即插即用、设备安装和配置容 易、成本低廉等特点。 1 9 上海大学硕士学位论文 共 土。 、 十 路 传 感 器 i 调理电路卜陟一 i 调理电路卜多一 多 路 选 1 a o ci 择 开 关 l 调理电路卜 旷 3 2 信号调理电路 3 2 1 温度信号调理电路 图3 4 同步采集测试系统 所以本文决定采用线性度相对较好的p t l 0 0 作为温度传感器。分度号为 p t l 0 0 时，r = 1 0 0 欧姆。式( 3 - 7 ) ，式( 3 - 8 ) 分别表示了o c - - 6 6 0 。c 及- 1 9 0 o 温度范围内的铂电阻阻值与温度变化的公式，具体的分度特性表见附表 1 所示。 r = r ( 1 + a t + b t 2 ) ( 3 7 ) r = 民 1 + a t + b t 2 + c ( t - 1 0 0 ) t 3 】 ( 3 - 8 ) 式中凡、r 分别为o c 和t 时的电阻值； a 常数( 3 9 0 8 3 1 0 q * c ) b 常数( - 5 7 7 5 1 0 吖) c 一常数( - 4 1 8 3 1 0 1 2 * c ) p t l 0 0 的测温误差主要来自于自热效应和导线电阻的影响。由于p t l 0 0 是电 阻元件，通电后将会产生的自热效应，但即使在最大通电电流下，所产生的温升 小于0 3 ，影响不是很大。铂电阻阻值小，易受引线电阻的影响。两线制虽然 结构简单，但是引线电阻值直接串联于铂电阻两侧，造成较大误差。本文采用三 线制接线方式，这种方式可以部分消除内引线电阻的影响，精确测量温度，如图 上海大学硕士学位论文 3 5 所示，其中r 为导线等效电阻。 图3 - 5 三线制连线示意图 + i l = i 2 = i e i = i i ( ，+ r f ) + ( f l + i 2 ) ， e 2 = i 2 ( ，+ r i ) + ( i l + i 2 ) r u o = e i e 2 = i ( r f r i ) 可以看出，随着温度的变化p t l 0 0 的阻值发生变化，引起桥式测量电路桥臂电 压u o 输出，送入a d 调理电路，调制成m c u 中a d 转换器能识别的信号。 a d 调理电路用于将来自于现场传感器的信号变换成a d 转换器能识别的信 号。本文选用高精度p t l 0 0 温度传感器，采集2 5 路瓦块温度信号。 a d 调理电路的前端电路设计成电桥，获取p t l 0 0 电阻的变化所引起的桥臂 电压变化。但由于桥臂电压变化量很小，将会导致a d 转换无法正常进行或者 转换精度不高，所以本文预先将该电压放大后再送入a d 进行转换。差动放大 电路和仪表放大器是信号放大应用中常见的两种方法。差动放大电路精度较差， 放大增益变化时必须调节相应的两个电阻，而且对电阻的精度要求相当高。而仪 表放大器则无上述缺点，所以本模块选择仪表放大器a d