（机械设计及理论专业论文）动载滑动轴承油膜分布及压力同步采集研究.pdf

摘要 本文查阅了大量参考文献，在前人工作的基础上对滑动轴承实验台进行改型 设计，采用高速c c d 、数据采集卡、集电环等硬件实现了动载滑动轴承油膜压 力和油膜分布图像的同步采集。对滑动轴承中油膜压力变化和空穴迁移图像进行 实时实验研究，并与计算结果相对照。论文不仅对实验台机械部分的改进设计做 了详细的阐述，同时还对压力采集部分的电路设计、数据采集系统以及采集数据 的软件编程进行了介绍。 利用直接模拟滑动轴承工况的改型设计的实验台，进行了不同混合载荷、不 同工况的动载滑动轴承油膜分布与油膜压力同步采集实时实验研究，获得了大量 可靠的实验数据和图片。利用同步采集的图像和数据，对轴颈旋转一周动载滑动 轴承内的瞬态油膜分布和油膜压力一一对应进行了分析，对工作中的动载滑动轴 承的性能做了迸一步的研究。得出有益的结果，这是前所未有的。 本文不仅对不同工况下动载轴承油膜分布和油膜压力进行瞬态的、实时的分 析研究，还调试了现有的理论计算程序，计算了对应工况轴颈旋转一周期内油膜 压力。利用理论计算压力值和编制的m a t l a b 编程，绘出理论计算的油膜压力和 瞬态油膜分布图，使实验结果和理论结果能相互比较。通过分析，得出了一系列 有意义的结论。 通过对实验结果的分析，证明实验台的改进设计是合理的，数据采集的电路 设计是实用的，采集数据程序方便直观，硬件环境和软件编程方便可靠。所以获 得的实验图像和数据是真实的，结论是有益的。 关键词：动载滑动轴承实验台油膜分布油膜压力同步采集 本课题得到国家9 7 3 项目子项“大型火电机组转予支承的非线性模型研究”资助 v a b s t r a c t b a s e do nr e a d i n gm a s s i v er e f e r e n c e ，t h em o d i f i c a t i o nd e s i g nt ot h ej o u m a l b e a r i n g t e s tr i gh a sb e e nc a r r i e do nt h eb a s i so ft h ef o r m e ri n v e s t i g a t o r se x p e r i m e n t s a n dr e s e a r c h e s h i g h s p e e dc c d ，h a r d w a r e ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，s l i p - r i n ga n ds oo n h a sb e e nu s e di nt e s tr i gt oa c h i e v es i m u l t a n e o u sp r e s s u r em e a s u r e m e n ta n do i l f i l m c a v i t a t i o ni nad y n a m i c a l l yl o a d e dj o u r n a lb e a r i n g a n dt h el a b o r a t o r i a lr e s e a r c hh a s b e e nc a r r i e do nt h eo i l f i l mp r e s s u r ea n do i l ，f i l mc a v i t a t i o ni nad y n a m i c a l l yl o a d e d j o u r n a lb e a r i n g ，a l lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l th a sb e e nb r o u g h ti n t oc o m p a r i s o nw i t ht h e t h e o r e t i cc o m p u t e dr e s u l t t h ed i s s e r t a t i o nn o to n l yh a sm a d et h ed e t a i l e de l a b o r a t i o n o nd e s i g no ft h et e s tr i g ，m e a n w h i l e ，t h ed e s i g no fc i r c u i t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a sw e l la st h es o f t w a r ep r o g r a m m i n gh a sc a r d e do nt h ei n t r o d u c t i o n b yt h em o d eo ft h ed i r e c ts i m u l a t i o nj o u r n a lb e a r i n go p e r a t i n gt oc a r r yt h e m o d i f i c a t i o nd e s i g nt e s tr i g ，s i m u l t a n e o u se x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ef i l md i s t r i b u t i o n a n df i l mp r e s s u r eo fd i f f e r e n ts t a t i c a l l ya n dd y n a m i c a l l yl o a d e dj o u m a lb e a r i n gh a s b e e nc a r r i e da n da c h i e v e dt h em a s s i v er e l i a b l ed a t aa n di m a g e s d u et oa c q u i r ed a t a a n di m a g e ss y n c h r o n o u s l y , t h et r a n s i e n tf i l md i s t r i b u t i o nh a sb e e nc o m p a r e dw i t ht h e f i l mp r e s s u r ed u r i n gac y c l eo fj o u r n a lb e a r i n gr o t a t i o n a l lt h ea c t i v ei n c l u d e dt h e f u r t h e rr e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m i c a l l yl o a d e dj o u m a lb e a r i n ga n d a c h i e v i n gt h eu s e f u lr e s u l ti su n p r e c e d e n t e d n o to n l yt h ea n a l y s i sr e s e a r c ho nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ef i l md i s t r i b u t i o n a n df i l mp r e s s u r eu n d e rt h et r a n s i e n ts t a t ea n dt h er e a l t i m es t a t ew o u l db ei n t r o d u c e d ， b u ta l s ot h ef i l mp r e s s u r eh a sb e e nc o m p u t e db yt h ee x i s t i n gt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n p r o c e d u r ew h i c hh a sb e e nd e b u g g e d b ym a t l a bp r o g r a m m i n gt o d r a wt h ef i l m d i s t r i b u t i o nm a p ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dt h et h e o r yr e s u l tc a nb ec o m p a r e d t h r o u g ht h ed e t a i l e da n a l y s i s ，as e r i e so f s i g n i f i c a n tc o n c l u s i o nh a sb e e no b t a i n e d t h r o u g ht h ea n a l y z i n go ft h er e s u l t ，a l lt h ef a c t sp r o v e dt h em o d i f i c a t i o nd e s i g n o f t e s tr i gi sr e a s o n a b l e ，t h ed e s i g no f d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ti sp r a c t i c a l ，t h eh a r d w a r e e n v i r o n m e n ta n dt h es o f t w a r ep r o g r a m m i n gi sr e l i a b l ea n dc o n v e n i e n c e t h e r e f o r et h e e x p e r i m e n t a li m a g oa n dd a t aa r cr e a l ，t h ec o n c l u s i o ni sb e n e f i c i a l k e y w o r d s ：c a v i t a t i o n ，t e s tr i g ，o i lf i l md i s t r i b u t i o n ，o i lf i l mp r e s s u r e ，s i m u l t a n e o u s a c q u i r i n g 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 贡献均己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 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：望扯导师签名：鸥日期：监 i i 上海大学学位论文第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 目前非线性油膜力的计算分析中，一般采用雷诺边界条件作为油膜压力的边 界条件，这对于稳态和小扰动的场合是比较适用的，但是在大扰动按这些边界所 得的计算结果和实际相比有较大的误差，引起的压力分布误差有时甚至达到3 0 0 。对外来的扰动如地震、爆破、轴承承受载荷的变化或者其它的激励因素影响， 将会引起轴心位置相对于平衡位置的变化，容易引起油膜振荡，引发灾变性的事 故。而且随着动载荷和转速的变化，轴套和轴承之间的油膜形态和静载的工况有 很大的不同：动载引起全油膜状态的变化，载荷和转速的变化使得轴承上下游区 的油膜整体迁移，空穴分布明显变化，油膜中出现大量破碎的小空穴，承载力也 出现变化。因此在建立滑动轴承的边界条件时，必须把动载和大扰动的实际工况 考虑进去。研究者虽然也注意到这样的情况，但因为动载滑动轴承影响因素众多， 动载的形式变化多样，使得研究发展十分缓慢。为反映大型转子系统所用的滑动 轴承中动载油膜分布的实际工作情况，阐明其复杂繁多的图像规律，防止动力学 诱因所导致的灾难有重要意义，所以对动载滑动轴承中油膜行为的研究十分必 要。 本课题来源于国家9 7 3 项目子项“大型火电机组转子支承的非线性模型研 究”。这个课题的主要工作是：对非线性油膜力建立模型及理论分析，数值计算， 计算机仿真和进行试验验证。本文主要是对滑动轴承实验台进行改型设计，实现 油膜压力和油膜分布图像的同步采集，对滑动轴承中油膜压力变化和空穴迁移图 像进行实时实验研究，并与计算结果相对照。为建立滑动轴承的动载的边界条件 提供实验依据。 1 2 课题研究的目的和意义 随着火力发电的广泛应用，人们对大型火电机组的安全性和稳定性要求越来 上海大学学位论文第一章绪论 越高。从经济实用的角度出发，要求火电机组中轴承的寿命更长，稳定性高，抗 振性好，故障少，当然更不能有重大的灾难影响生产，这样也就为轴承性能提出 了更加高的要求。火电机组的核心部分是大型转子轴承系统，国内外众多实践和 科研均已指出，影响大型转子轴承系统性能的重要因数是滑动轴承的支承动力特 性，必须有能充分反映其非线性特性的模型，才能深入阐明其繁多而复杂的动力 形态，从而为先进的系统动力学设计奠定基础，从而有效的防止动力学诱因所导 致的灾难。 滑动轴承的油膜不仅起着承受载荷，减小摩擦，消除磨损等作用，从动力学 观点来看，它也是转子一支撑基础这个系统中的一个重要环节。滑动轴承的油 膜之所以能够承受压力，是因为轴颈和轴套之间存在楔形，相对运动产生动压， 使得油膜具有承载力。轴承不仅起着承受载荷，还会影响整个系统的临界转速， 转子不平衡所引起的振幅增加等，影响系统的稳定性。随着外力、转子不平衡和 偶然因素的加剧，受动力学诱因的影响，出现半频，倍频涡动，逐渐达到共振l 临 界值，自激励引起的振幅急剧增加，出现危险的油膜振荡，严重时导致灾难。对 大型火电机组转子支撑应建立的是非线性的模型，线性化是人们对客观世界的一 种简化，对于一般的工程实际而言，采用线性化描述就已经具备足够精度，但是 现代轴承工业的发展显示出线性化分析的局限性，它不能够揭示问题更深一层的 本质，而且实际工况下出现的灾变也都是在非线性的工况下，所以大型火电机组 转子支撑必须建立非线性的模型。 一般通常认为液体不能承受负压，在负压的作用下液体中产生空穴，不能保 持成为连续的液体，对润滑油来说，也就是油膜破裂。空穴产生的原因有两种： 一种是油里本来溶解周围环境的气体，当压强降至大气压以下，溶解度也随之降 低，于是气体逃逸出来形成气穴；另一种是压强降至油的液态和气态能够共存的 饱和压强时，一部分油发生了相变，形成油的蒸汽而形成空穴。在通常的轴承运 转温度下，油的饱和压强比大气压低的多，油膜破裂的现象却在压强稍小于大气 压时就发生了，所以轴承里的油膜破裂现象属于前者i l l 。在低压区域形成的气穴 随润滑油的运动，当气穴周围压力大于气穴内蒸汽压力时，气穴内的蒸汽会迅速 水凝，降低气穴压力，但流场各点压力不均导致气穴变形并最后溃灭。在溃灭瞬 间，水凝液滴以及气穴周围介质以非常高的速度冲向材料表面使之形成非常高速 r 海大学学位论文 第一章绪论 的水锤冲击，形成穴蚀口l 。随着高速重载高精度及其他更加复杂的工况增多，由 油膜剧烈震荡造成的转子失稳带来的可能损失以及由气蚀引起的损失越来越大， 危险性越来越高，尤其在动载和大扰动的工况下，空穴的大小形态和数量相当可 观，承载力和工作特性多变，工作环境复杂，需要进一步研究。 大型火电机组灾难防治的关键问题之一，是使设计监测运行分析和维修 对灾难环境和触发机理的建模的基础之上，其中特别是转子系统中各种主要构件 动力激励的模型。而轴承的激励又是转子系统的激励因素的主要方面。这就对轴 承提出了更高的要求。 总之，用非线性的思路做动载滑动轴承的研究，对于复杂的动载轴承工作状 况而言是相当必要的。到目前为止，虽然很多研究者对转子系统的非线性特性有 了较深入的理论和仿真的研究，但仍然缺乏必要的实验验证。所以进行必要的实 验研究，获取动载油膜空穴分布图像，同时进行油膜压力分布的同步测量，并与 理论计算结果进行对照，此研究十分必要。 1 3 国内外滑动轴承油膜机理研究概述 轴承应用的非常广泛。人们很早就发现如果将一个低副的密切共曲的两个表 面稍加修改，产生一个充满流体的楔形间隙，并使两表面作相对运动，这个时候 在轴承本身的内部就会发生一种泵效应。人们把这种情况称之为“流体动力润 滑”，并且在实践中一直使用。 1 8 8 5 年b t o w e r 在研究铁路上使用的径向轴承时，在工作过程中需要将承 载顶部的一个孔塞住。在用润滑池进行试验过程中，他发现塞子老是被推出。这 种情况促使他研究轴承中的压力分布3 1 。 1 8 8 6 年雷诺推导了著名的雷诺方程。在推导方程的过程中为了简化方程， 做了许多假设【3 】： 1 ) 粘度在整个压力膜范围内保持常数； 2 ) 支配流体运动的惯性项略去不计； 3 ) 流体是不可压缩的； 4 ) 流体是牛顿流体； 5 ) 和平行于表面的运动相比，对沿垂直于表面方向的流体运动可以忽略； 上海大学学位论文 第一章绪论 6 ) 贯穿流体膜厚度无压力梯度； 7 ) 表面是无限刚性的。 在压力和温度变化不大的条件下，液体润滑的情况，常见的雷诺方程表述为： 瓦8 。f 。h ：3 缸8 p 一) + 熹f 篙老 - 导熹+ 詈 随着技术的发展和人们认识的水平不断提高，以上的某些假设在当今一般工 程实践中的普遍情况下已经不能成立，但是雷诺方程作为流体动压润滑的理论基 础的地位却是不可动摇。 早在润滑理论发展的初期，人们就发现在静载时轴颈的非承载区产生了空穴 h 。人们在最初的分析中常常是不考虑空穴的影响，如s o m m e r f e l d 边界条件和 半s o m m e r f e l d 边界条件认为只有油膜收敛区内存在完整油膜。 1 9 3 1 年和1 9 3 3 年，s w i f t 和s t i e b e r 分别从稳定性和流体连续的角度导出 相同的边界条件，即著名的雷诺边界条件。随着认识水平的提高，人们发现在解 决动载问题上理论有缺陷，于是后人又有了大量的研究，其中最典型的就是 j a k o b s s o n ，f l o b e r g 和o l s s o n 提出了质量守恒边界条件6 1 。 许多学者对质量守恒边界条件进行数值实现研究。e l r o d 和a d a m s 提出了一 种新的算法，并且在此基础上由e l r o d 对此算法进行了改进，其特点就是通过引 入一个新的变量。和开关函数g ，将描绘油膜完整区和空穴区的方程统一为一 个通用方程，在数值计算中自动确定动态边界7 】【引。其后d e b r c w e 9 1 、v i j a y a r a g h a v 1 们、k t u n a r 和b o o k e 4 1 l 】 12 1 、b a y a d a 1 3 3 等都是基于质量守恒边界条件 提出不同算法。 质量守恒的边界条件仍存在不足之处。大量的实验证实空穴的油膜并非都是 条状的，在某些工况下，会成为气泡状，甚至会出现蕨类植物状。 随着机械工业的发展，滑动轴承工作环境越来越复杂，轴承材料日益更新， 油品质量和润滑手段提高，为了得到更高性能的滑动轴承，研究油膜中的空穴成 为理所当然。 平行平板动载挤压油膜实验是研究油膜分布机理的一种简化方法。它是对动 载滑动轴承工况的简化，去掉油膜剪切的影响，仅对由挤压引起的现象进行研究。 1 9 6 4 年d o n a l dfh a y s 和j a m e sbf e i t e n 做了两平板间的油膜实验，通过 t 海大学学位论文第一章绪论 在润滑油里添加荧光粉的做法，获得了一系列的照片，对所观察到的现象进行了 探索性的解释，但没有记录下相应的压力值，且油膜中添加了许多易成为气泡核 的荧光剂，但荧光粉使气穴聚集，影响了气穴真实的形貌1 4 1 。 1 9 8 4 年dwp a r k i n s 和m a y m i l l e r 也做了相同类型的试验，总结出一个振 动周期中油膜有三种状态，根据气泡的形态和变化趋势对这三种状态进行了描述 和必要的分析，指出这三个状态和油膜厚度h ，压力p 以及空穴范围有关系，但 因试验机结构设计不合理，造成压力传感器头与导线遮挡了部分光路，所以气穴 照片效果不理想。 2 0 0 4 年，孙美丽、陈晓阳、d c s u n 设计挤压油膜实验台，实验不仅采集 到负压，还获得比较好的油膜分布图片。 另外一种研究油膜分布机理的方法是直接模拟滑动轴承的工况。 1 9 2 5 年，b l n e w k i r k 和h d t a y l o r 首先在一柔性转子实验台上观察到由 油膜引起的振动现象。 1 9 3 2 年s w i f t 和s t i e b e l 也开始这个问题的研究，他们认为空穴内部压力 为常数且和大气压差不多。 1 9 5 6 年c o l e 和h u g h e s 首先使用与实际间隙比相仿的玻璃轴承套，直接观 察了静载滑动轴承内油膜的状态，并获得一定数量的照片。他们观测到在油膜发 散区油膜破裂呈细条状，轴承宽度内各处开始破裂的位置基本一致，改变供油压 力对油膜破裂的位置没有影响； 1 9 7 2 年t t a n a k a 和t s o m e y a 通过对雷诺方程边界条件的理论研究，对润 滑时的惯性力、气穴的可压缩性的讨论，以及对油膜破裂和油流的观察，推断这 些现象都归于油膜中空气泡的形成和溃灭。可是他们对于油膜中气穴的供气来源 不甚明了16 1 。 1 9 7 6 年d d y e r 和b r r e a s o n t 从实验中得到油膜的张应力最大可以到 7 4 0 k n m2 ；尤其重要的是作为特殊现象提出的有大至- - 5 8 0 k n m2 的压强出现【” 。 这个应该指的是油膜的负压。 1 9 8 3 年b d j a c o b s o n 和b j h a r a r o c k 1 8 1 首先用高速相机拍摄动载轴承中的 空穴，认为同时油内可能存在气体气穴和蒸汽气穴，气体气穴从开始为单个气泡， 然后越来越大，直到空穴的数量恒定，甚至能迁移到高压区不破裂。 上海大学学位论文 第一章绪论 1 9 8 5 年k a w a s e t 和s o m e y a t 观察到两种类型的初始空穴：一种是蕨类植 物样；一种是小圆形( 0 形) 。并且用高速摄像机拍下油膜中空穴，重复测 到负压出现，但不是真正的负压1 1 9 1 。 1 9 8 7 年s n a t s u m e d a 和t s o m e y a 观察到的最大张应力( 负压) 是一1 2 m p 。 得出偏心率越大，则压力变化越大，负压越大口0 1 。 1 9 9 1 年d c s u n 和d e b r e w e 改进了实验设备模拟滑动轴承挤压油膜实验， 即不考虑剪切力的影响，获得较好的空穴照片。通过实验总结出1 2 1 ： 1 ) 气穴气泡出现在流体的中间，然后扩张，再就缩小直至破裂。 2 ) 小的轴承间隙、高速旋转、大的偏心值都易导致空穴的发生且空穴区域 增大，持续时间长。 由于在标准大气压下就能形成气体气穴，而在绝对零压即低于一个大气压下 才能形成蒸气气穴，所以只通过可视化研究不能说明气穴气泡的成分，只有测量 油膜压力才能说明问题。 1 9 9 3 年d c s u n 和d e b r e w e 以及p b a b e l 改进实验设备，使得可视化和 压力采集同步进行，此时进行的还是挤压工况的实验。通过实验得出 2 2 】： 1 ) 气穴气泡含有油蒸气，但很可能也是空气。空穴气泡的压力接近绝对零 压。 2 ) 在同样的工况下，气穴时常不出现。压力测量说明油膜承受一个张力。 3 ) 气穴的出现有否主要依赖于气穴核的有效性。 1 9 9 7 年孙美丽作了3 6 0 。动、静载荷滑动轴承油膜分布实验台的设计及实验 研究【2 3 】，得出： 1 ) 静偏心占主导地位的时候，在低速下，有类似静载工况下的油膜分布存 在喇叭口状的过渡区。 2 ) 小扰动的情况下，油膜空穴分布区域明显随转速变化，转速越高空穴区 域变大。 3 ) 大扰动的情况下，由于挤压作用，油膜分布的区域波动较大。 1 9 9 7 年孙美丽还作了大扰动情况下滑动轴承内瞬态油膜分布的研究，将实 验值和理论值进行比较得出1 2 4 】：不同循环内观察到的同一时刻上的气穴分布几乎 完全相同。这说明动态气穴确有内在的物理规律。 t 海大学学位论文 第一章绪论 2 0 0 4 年刘枫、孙美丽进行了滑动轴承全油膜分布的试验研究【2 5 】 2 6 ，获得比 较清晰的全油膜照片，认为： 1 ) 小扰动工况下，油膜分布不会随着最大动偏心位置的变化而明显变化， 形状会随着最大动偏心位置的变化而做出相应的伸缩。 2 ) 大扰动工况下，油膜分布随着最大动偏心位置的变化而做周期性变化， 空穴可以出现在圆周方向的任何区域。 以上的文献表明，人们对滑动轴承的油膜分析研究随着科技的进步和认知水 平的提高一步一步在前进。从理论研究到实验验证，又从实验结果回到理论研究， 如此循环，使得如今研究者已经取得巨大的成就，而且已经对比较好的静载和动 载工况下滑动轴承油膜分布以及空穴变化进行理论上和实验上的研究。可是就油 膜分布图象而言，由于光学系统和拍摄设备的限制，人们并没有得到非常清晰的 部分油膜和全油膜的照片，即使在对油膜的压力分布和图像采集进行了同步采 集，也因为存在很大的误差，测出的压力只能作为参考而不能准确使用。本研究 就以上问题进行了借鉴和提高改进，改装后的试验台不仅能对上下油边的油膜分 布情况进行图像拍摄，又能对油膜压力分布进行同步测量。 1 4 国内l a b v i e w 在数据采集卡应用的研究概况 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 实验室虚拟仪 器集成环境) 是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 【2 7 】创立的一个 功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。l a b v i e w 在试验测量、工业 自动化和数据分析领域起着重要的作用。 2 0 0 0 年，北方交通大掣28 】利用l a b v i e w 和数据采集卡实现铁路信号检测， 建立外围电路用以防护与隔离，但当程序较大时，l a b v i e w 分支、循环控制等方 面不太方便。可考虑利用分级模块结构或其他方法减小程序规模。 2 0 0 1 年，对l a b v i e w 与通用数据采集卡的接口方法进行研究【2 9 1 ，数据采集 卡对l a b v i e w 通讯接口的三种驱动方法，第一种方法是在v c + + 菜单下点击n e w f i l e ) ) p r o j e c t ) ) m f c a p p w i z a r d ( d 1 1 ) 。第二种方法是在v c + + 菜单下点击 n e wf i l e ) ) p r o j e c t ) ) w i n 3 2d y n a m i cl i b r a r y 。最后一种方法c i n ( c o d ei n t e r f a c e n o d e ) 。作者认为数据采集中使用c i n 技术和动态连接库d l l 方法，可以实现数 上海大学学位论文第一章绪论 据的高效处理和实时采集。 2 0 0 3 年，北京工商大学对三种驱动方法进行了比较，直接端口读写方式 ( i o 方式) 。优点：可以实现“边采集边显示”，缺点是在输入信号频率较高时 采集到的波形失真；调用动态连接库的方式( c l f 方式) ，缺点是在输入信号频率 较高时采集到的波形失真；调用c 语言源代码的方式( c i n 方式) 。优点：在使用 n i 公司不支持的普通型数据采集卡构成的测控系统中，通过使用虚拟仪器软件 l a b v i e w 中的c i n 图标来调用由c 开发的采集卡驱动程序的方法。缺点：在需要 “边采集边显示”的场合就不适用。 由于n i 公司开发了数据采集卡，所用数据采集卡必须有n i 公司提供的驱动 程序，大大限制了用户的选择。 2 0 0 3 年，北京机械工业学院机电系统测控实验室分析l a b v i e w 调用外部程 序代码的途径，采用调动态链接库的方法编写l a b v l e w 环境下国产数据采集卡的 驱动程序。实验证明，效果良好，满足测试要求，利用动态链接库调用外部程序 代码是增强l a b v i e w 整体性能的一条有效途径。并且这种调用方法被广泛使用。 同年，东南大学机械工程系3 2 1 对基于d l l 的l a b v i e w 环境多通道数据采集的 实现方法进行了研究，发现在v c + + 6 0 环境可自由编写数据采集卡动态链接库 ( d l l ) 驱动程序，并且在l a b v i e w 的界面下可以任意调用编写的程序。 2 0 0 4 年，中国计量学院机械电子工程学院p3 在l a b v i e w 中调用d l l 实现 p c 一6 3 1 3 接口卡的数据采集，创建出可对这一硬件设备进行低层操作的库函数， 通过c a l ll i b r a r yf u n c t i o n 将其制作成函数模块，再交给l a b v i e w 使用。 数据采集卡在对数据采集的时候会遇见很多得问题，最常见的就是干扰信号 的出现以及数据分析方法的模糊。 2 0 0 4 年，西北工业大学的廖彦在其硕士论文 l a b v i e w 环境下的实时控制方 案设计与研究i 蚓中发表，对应用软件进行抗干扰设计，利用软件完成r c 低通 滤波器的算法，实现用软件方法代替硬件r c 滤油器；对输入信号优化设计进行 研究，得出比较好的图象和数据。 太原理工大学的刘正义在其硕士论文虚拟仪器的初步研究发表【35 1 ，在信 号输入采集卡之前利用调理单元( s c x i ) 对电信号进行转换处理，由传感器产生的 电信号转换成d a q 卡能接受的电信号。 上海大学学位论文第一章绪论 2 0 0 4 8 月中国原子能科学研究院的张晓华在其硕士论文虚拟仪器在多通道 分析系统中应用研究中发裂3 6 】，分析输出波形最主要的就是要寻峰定位能 谱中的全部有效峰。方法为简单比较寻峰法、道数寻峰法、协方差法、对称零面 积对合法。 由于l a b v i e w 在工程上的应用越来越广泛，借鉴前人的经验，本实验决定使 用l a b v i e w 对滑动轴承动载压力数据进行测量采集。 1 5 本论文的研究内容 动载滑动轴承油膜分布及压力同步采集研究的内容： 1 、对现有油膜分布实验台进行改型设计，用s o l i d w o r k s 进行三维实体造型，使 用a u t o c a d 绘制二维工程图，制造出一台能对动载滑动轴承油膜分布及压 力同步采集进行的试验台。 2 、根据实验要求，选择数据采集的硬件环境。对选择的传感器、接线端子以及 采集卡进行标定。结合选择的硬件用p r o t e l 设计整套采集电路。利用集电环 作为转换器将旋转信号转换为不旋转信号。在1 n a 2 1 2 8 芯片基础上设计制造 运算放大器。 3 、在p c i 一1 7 1 1 d a q 的基础上选用中断采集模式进行数据的采集，并用l a b “e w 软件编程实现数据的滤波、分析、存储。用m a t l a b 对实验数据进行后处理。 4 、利用图像采集卡和p a n a s o n i c c p 4 1 0 高速c c d 分别对油膜的收敛区和发散区 进行油膜分布图像拍摄，利用p h o t o s h o p 软件对图像进行后处理，并合成一 张全油膜分布照片。利用数据、图像同步采集的特点，将实验的油膜分布照 片与油膜压力曲线一一对应地进行分析。 5 、利用和修改现有程序对滑动轴承油膜压力，油膜分布进行理论计算，将理论 计算结果和实验结果对照分析。 t 海大学学位论文 第二章理论计算与计算方法简介 第二章理论基础与计算方法简介 流体动压润滑，就是依靠被润滑的一对固体摩擦面间的相对运动，使介于固 体间的润滑流体膜内产生压力，以承受外载荷而免除固体相互接触，从而起到减少 摩擦阻力和保护固体表面的作用。现今，人们解决流体润滑的计算问题时总是需 要求解雷诺方程。通常根据给定的压力边界条件求解雷诺方程，得到滑动轴承内 部的压力分布，进而求得压力、承载力、承载角等。 2 1 雷诺方程的推导 摩擦表面之间存在三种典型的摩擦状态，当在一定条件下两摩擦表面被一层 粘性流体完全分开，并由其所建立的流体膜压力平衡外载荷，形成流体润滑。由 于两摩擦表面不直接接触，当两表面发生相对运动时，就只在流体的分子间发生 摩擦，此时流体动压润滑的摩擦性质完全取决于流体的粘性。流体动压润滑问题 研究的理论基础中所用的基本方程，主要是纳维一斯托克斯方程或者雷诺方程， 其中应用最广的是雷诺方程及其在各种具体条件下的变形形式，以及它们的求 解。图2 1 所示为滑动轴承的部分截面示意图。 图2 1 滑动轴承的部分截面示意图 图中，在x 方向的速度为u ，在y 方向的速度为巧，上表面法向速度为，切 向速度为u ：，表面间的膜厚为h ，一般情况下膜厚远远小于流体膜的长度， 。代 表出口的膜厚，数量级大约是轴承宽度的千分之一。 从流体的质点运动方程( n a v i e r s t o k e s 公式) 和流体的连续性方程出发， 上海大学学位论文 第二章理论计算与计算方法简介 通过一系列的简化、变形等过程，得到适用于径向轴承的r e y n o l d s 方程： 旦3 xr生12p玛ax12p + 旦o z 筐1 2 1 2 争= 丛幽2 罢+ 塑业2罢+ 生2 塑心o x + p ( 一巧) 、如如融 ” 该式中，右端第一项是因为两个表面相对运动在收敛形区域产生的流体动压效 应；第二项是流体密度变化产生的动压效应；第三项是固体两个表面沿滑动方向 不断伸长( 或压缩) 变形产生的动压效应，此项通常不存在；第四项是两个表面 互相接近产生的动压效应，即挤压膜作用。 对于一般机械中轴承的应用，轴承套是固定的，只有轴颈运动，则 u 。= k = 0 ，u 2 = u ，吃= v ，可简化为： 旦( 丛生) + 旦( 丛警：旦塑+ 1 2 p 矿 o x 、1 2 28 x 。0 z 、1 2 a z 。 ,u 2o x 对不可压缩粘性流体，p = c o n s t ，矿= 娑，则可以得到等粘、不可压缩流 体的雷诺方程如下： 昙( 旦1 2 t 塑0 x ) + 旦a z 苎1 2 警) = 旦丝+ 塑, u 2a xa t巩、 7、 出7 2 2 雷诺方程的边界条件 对于轴颈轴承，如何确定油膜压力的起点和终止点是一个相当复杂的问题。 在3 6 0 。的整个区域内，收缩段中形成油膜的压力分布有一定的规律，而在扩散 段中情况极为复杂，到底在哪一点开始产生油膜空穴，又是在哪一点油膜压力终 止呢? 为了这个问题，研究者做了相当多的工作，提出过几种对边界条件的假设。 s o m m e r f e l d 边界条件认为轴瓦内表面上都有完整的油膜，压力沿周向为周 期函数： p ( 妒) = p ( 妒+ 2 万) 但如果轴颈在轴承内的偏心率不是十分小，而通常又没有高的环境压力时，间隙 发散区内将产生颇大的负压力，此处不可能存在完整油膜。因此这种假设虽然在 数学处理上较方便，但是会引起误差，有时候误差很大，甚至改变了问题的性质。 g t l m b e l 边界条件( 半s o m m e r f e l d 边界条件) 认为只有油膜收敛区内存在完 整油膜，在扩张区，流体膜破裂，不存在流体压力，即： 上海人学学位论文 第二章理论计算与计算方法简介 妒= 0 及石时，p = p 。 且 伊= 0 厅，p p 。 而全部发散区内油膜都破裂 伊= 口+ 口+ 2 丁 时， p ：p 。，其中口为偏位角 实际上，流体膜可以延伸到 。后的扩张区内，在 。后还存在流体膜不破 裂及流体膜呈条状的区域，此边界条件偏于保守。 上述两种边界条件都不是很合理，与实际情况有很大差距，在数值计算时很 少采用。 雷诺边界条件认为在油膜破裂处p = p 。且罢：o ，此边界条件也被称为自然 口凹 破裂边界条件。在实际应用中，为了方便计算，常用负压归零的方法来逐渐逼近 破裂边界，满足雷诺边界条件。该条件应用在油膜破裂处较合理，但无法正确解 释油膜再形成时的情况。该条件的推导用了一个假设，即在空穴出现的部位完全 没有流量，即使在固体表面上也是一点油都没有，和实际也有些差距。 质量守恒边界条件建立在油膜破裂和再形成边界处质量守恒的基础上，认为 整个润滑区可分为两个部分：油膜完整区和空穴区。在油膜完整区雷诺边界条件 仍然适用，假设流体在空穴中以条状形式流动并且与轴承和转子表面均不脱离 开，且空穴区内压力为常数： 质量守恒边界条件的油膜破裂条件粤= o 质量守恒边界条件的油膜再生成条件 鲁等= 丘2 ( 1 一以) 式中n 指法向，v 为油膜速度，0 为油膜所占体积比。 质量守恒条件是对雷诺条件的发展，因为它不仅提供油膜破裂条件，而且提 供了油膜再生成条件，许多研究者做理论计算时都采用质量守恒边界条件，和实 际情况较吻合。 要了解滑动轴承的润滑性能，就需要在充分考虑边界条件的基础上求解以上 的偏微分方程。本论文在计算部分采用质量守恒边界条件。 e 海大学学位论文 第二章理论计算与计算方法简介 2 3 理论计算方法简介1 3 7 1 2 3 1 理论计算 对不可压缩流体常用的边界条件是雷诺边界条件和质量守恒边界条件等，其 中质量守恒边界条件比较准确。轴承室现有的程序设计，其模型是以原有实验台 的几何参数为基础建立的，根据流体不可压缩以及润滑油质量守恒的观点，从动 态空穴方程推导出差分格式，继而得出数值解法。本文对该程序做了适当的修改， 使理论计算的结果和实验采集的压力曲线与油膜分布图片能相互对应，清楚地反 映轴颈旋转时油膜变化。为了让理论结果和实验结果更直观地对照，根据理论计 算的结果使用m a t l a b 编程实现油膜分布图像的绘制，并和实验的油膜分布照片 做比较。 2 3 2 完整区与空穴区的流量处理 把轴承铺展成一矩形平面，如图2 2 所示。 、巾方向r l 、m 等分，根据计 算精度和计算量考虑，将轴颈轴向九划分1 6 等分，即设立1 7 点。对轴颈周向 中的3 6 0 。分为6 0 等分，即6 1 点。取控制单元， 方向用i 编号，巾方向用j 编号。取控制单元，根据流量守恒列出差分方程。假设有两个离散的节点i ，i + 1 如图2 _ 3 所示。 u s q 了7 ， i + l 图2 2 轴颈网格划分图 图2 3 两相邻点间的流量示意 两点中间截面的单位长度无量纲流量记为q ，在不同的情况下流入单元控制 体内的流量各不相同，根据所选点i 和i + 1 是在完整区还是在空穴区作如下讨论： ( 1 ) i 在完整区，i + 1 亦在完整区： q = 3 h + ，i - h 3 ) 警 ( 2 ) i 在完整区，i 4 1 在空穴区：在油膜破裂处0 的值接近1 ，故可以近 上海犬学学位论文第二章理论计算与计算方法简介 似取q 为： q - 3 2 鼍南2 r ( 3 ) i 在空穴区，i + 1 在完整区： 从左面看，假设中点在空穴区，近似取流量为 = 3 h q 。 从右面看，假设中点在完整区，近似取流量为： ，= 3 一h ，3 南 取两者的平均值，则： q 2 吉( + 一) = 1 h i + p 谚) - h ，3 + a j i + l 理论计算的程序对完整区采用五点格式的差分法计算，而对空穴区采用两点 格式的差分法。利用以上的流量方程得出各点的流量，由于净流量为零，得出系 数表。由于计算过程中的压力值出现跳跃，程序的计算方法采用亚松驰迭代法求 解方程。 2 3 3 动载载荷周期时刻的划分 由于动载轴颈轴承的压力是动态变化，所以程序将一个载荷周期0 。3 6 0 。 划分为5 0 个时刻，动、静偏心最大的位置设为1 时刻，进油口的位置设为2 5 时刻，将0 。1 8 0 。分为前2 5 时刻，每7 5 。为一个时刻：将1 8 0 。一3 6 0 。化为 后2 5 时刻，也是每7 5 。为一个时刻。这样的划分方法能清楚地描绘一个载荷周 期的压力变化。时刻的划分如图2 4 所示。这样的划分是为了程序设计的方便， 因为设动、静偏心最大的位置为第l 时刻是理论计算简化的最好位置。但是后文 中与实验结果相对照的时候，为了直观方便，合乎常规的观测方法，此时的第1 时刻是从进油口算起，且时间周期是从收敛区到发散区旋转，如图2 5 所示。每 一个时刻对应一组数据。因为油膜分布是以轴宽中线为对称轴，所以把半轴宽的 油膜分布作为研究对象，计算出结果后只需要将数据按照半轴宽中线对称处理， 这样就节约了计算机的运行时间。 4 上海大学学位论文 第二章理论计算与计算方法简介 图2 4 程序计算的时刻划分 图2 5 与实验结果对照时时刻规律划分 通过理论计算程序对不同工况下的滑动轴承进行油膜压力分布的计算，计算 出的数据结果，利用m a t l a b 进行编程，绘制出5 0 时刻的油膜分布图。这样不仅 能同时对比分析油膜压力的实验结果和理论计算结果，还能同时对比油膜分布的 实验结果和理论计算结果，并且能找出油膜分布和油膜压力分布的内在关系。 利用m a t l a b 编程绘制油膜分布图时，如图2 6 所示，图中黑色0 区域为 油膜完整区，空白区域为油膜空穴区。x 轴为角度值，从0 。到3 6 0 。的一个圆 周，即轴颈的周向；y 轴为轴承轴向的无量纲坐标，从，1 到l 。 图2 6 理论计算的油膜分布图 上海大学学位论文第三章滑动轴承实验台的改进设计 第三章滑动轴承实验台的改进设计 3 1 滑动轴承工作过程 滑动轴承按油膜承载形式可以分为静压滑动轴承、动压滑动