張 蒙， 郭文勇， 韓江桂

(海軍工程大學(xué)， 湖北 武漢 430033)

船用可傾瓦推力滑動軸承監(jiān)測試驗臺的研制

張 蒙， 郭文勇， 韓江桂

(海軍工程大學(xué)， 湖北 武漢 430033)

為提高船用可傾瓦推力滑動軸承運(yùn)行可靠性提供參考，通過采集相關(guān)參數(shù)研究滑動推力軸承運(yùn)行規(guī)律和潤滑性能，設(shè)計構(gòu)建一型滑動推力軸承試驗臺以用于研究。試驗臺通過變頻電機(jī)實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速條件，以液壓加載系統(tǒng)來模擬軸向推力載荷，在軸瓦上布置壓力、油膜厚度、溫度傳感器測點(diǎn)測量參數(shù)，編制試驗臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。設(shè)計試驗臺的控制系統(tǒng)，并編制控制界面。通過調(diào)試，該實驗臺設(shè)計達(dá)到預(yù)期要求，顯示出良好的操控性能。

推力滑動軸承；試驗臺；液壓加載；測控系統(tǒng)

0 引言

可傾瓦推力滑動軸承廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)軸系中，隨著船舶總體性能的提高，推力負(fù)載大幅度增加，瓦塊平均單位比壓增大，變形也顯著增大，且溫度大幅升高，難以形成有效的潤滑油膜[1]，導(dǎo)致局部缺油易引起“燒瓦”事故。設(shè)計滑動推力軸承試驗臺有助于研究滑動推力軸承的運(yùn)行規(guī)律和潤滑性能，探尋故障機(jī)理。試驗臺需模擬不同工況下的軸承運(yùn)行狀態(tài)，并有效調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)，同時監(jiān)測不同工況下的軸承參數(shù)。目前有針對軸承的部分研究都通過試驗臺來開展，不僅模擬了滿足不同試驗載荷需求的液壓加載系統(tǒng)，并且開展了軸瓦表面材料、推力軸承穩(wěn)態(tài)性能研究以及不同油的熱屬性對潤滑性能的影響等試驗研究[1-4]。通過監(jiān)控推力軸承運(yùn)行時的油膜參數(shù)，研究不同工況下的軸承運(yùn)行規(guī)律，從機(jī)械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩方面設(shè)計試驗臺。機(jī)械系統(tǒng)需實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速、不同載荷條件，測控系統(tǒng)需監(jiān)測不同工況下的軸瓦壓力分布、油膜厚度分布和溫度分布，并控制調(diào)整轉(zhuǎn)速和載荷。

1 機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計

通過試驗開展推力軸承潤滑性能、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測以及故障機(jī)理相關(guān)方面的研究，設(shè)計試驗臺機(jī)械系統(tǒng)需模擬推力滑動軸承運(yùn)行時轉(zhuǎn)速和載荷等不同工況，能在一定范圍內(nèi)無級調(diào)速和對載荷的較準(zhǔn)確控制，加載系統(tǒng)需對載荷精確控制，具有負(fù)反饋調(diào)節(jié)的功能，具備自鎖能力，使軸承能得到某一穩(wěn)定的軸向推力以及手動和自動控制的能力。

試驗選用TZ75可傾瓦推力滑動軸承，主要由帶推力盤的軸、推力瓦塊、徑向滑動軸承、底座、軸承蓋以及骨架油封等組成。船用推力軸承通常為水平布置，故試驗臺采用臥式結(jié)構(gòu)。圖1為試驗臺的結(jié)構(gòu)原理圖。以液壓加載作為加載方式，液壓缸作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，以變頻電機(jī)作為試驗臺的原動機(jī)。變頻電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器，帶動推力軸承運(yùn)動；軸向推力通過與液壓缸相連的推力軸承尾端法蘭傳遞到推力盤上；軸向推力由力傳感器反饋回液壓系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)來控制軸向力的大小。

圖1 推力軸承試驗臺架

設(shè)計液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)試驗臺軸向力的加載，圖2為液壓加載系統(tǒng)的原理圖。

圖2 液壓加載系統(tǒng)原理

液壓加載階段：泵2啟動，4Y得電，二位二通電磁換向閥右路接通，液控單向閥9開啟；2Y得電，三位四通電磁換向閥左位接通，實現(xiàn)加載，通過輸入不同大小的電信號到比例溢流閥，通過調(diào)節(jié)無桿腔的油壓來實現(xiàn)加載力大小的控制。保壓階段：當(dāng)液壓缸的加載力到達(dá)預(yù)定載荷時，4Y和1Y掉電，二位二通電磁換向閥左位接通，三位四通電磁換向閥在彈簧作用下回到中位，此時，液控單向閥鎖緊，系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)。卸載階段：4Y和2Y得電，三位四通電磁換向閥右位接通，液控單向閥開啟，加載系統(tǒng)卸載。按設(shè)計搭建試驗臺如圖3所示。

圖3 試驗臺實物

2 測控系統(tǒng)設(shè)計

推力滑動軸承需要測量的參數(shù)包括：油膜壓力、油膜厚度、油膜溫度、軸向推力、供油溫度、供油壓力等。根據(jù)被測對象的類型、數(shù)值范圍、安裝布局的條件以及被測參數(shù)的重要性，考慮傳感器的量程、精度、靈敏度等性能參數(shù)確定測點(diǎn)。

壓力的最大值出現(xiàn)在瓦塊的支點(diǎn)附近，壓力測點(diǎn)的布置應(yīng)該圍繞支點(diǎn)位置來布置，能測取或推算到油膜壓力的最大值，反映出壓力沿徑向和周向的變化規(guī)律，根據(jù)各測點(diǎn)的實測數(shù)值推算出整個壓力場的分布。油膜溫度的最大值靠近外徑處、出油邊，而進(jìn)油邊的溫度變化率較小，觀察潤滑參數(shù)沿徑向和周向的變化趨勢。溫度傳感器的布置在出油邊較為密集，避開了支點(diǎn)的影響，能更精確地得到此區(qū)域油膜溫度的分布情況。油膜厚度采用電渦流傳感器來測量，選擇嵌入式電渦流傳感器，使探頭表面與軸瓦表面平齊而不影響測量結(jié)果。確定3個電渦流傳感器的位置，根據(jù)3點(diǎn)的實際測量值，可推算出整個瓦塊的傾斜狀態(tài)和瓦面上任意一點(diǎn)與推力盤之間的距離。

軸承的潤滑性能與潤滑油的供油溫度、供油壓力、轉(zhuǎn)速以及載荷密切相關(guān)，試驗過程中對上述4個參數(shù)分別予以測量和控制。液壓系統(tǒng)的工作流程以及對加載力的控制設(shè)計測控系統(tǒng)電路原理如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)電路原理

直流電源組包括24 V開關(guān)電源和±12 V線性電源。開關(guān)電源為中間繼電器組、電磁閥組、壓力傳感器前置器、按鈕開關(guān)、PT-08溫度采集模塊、可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)等提供24 V電源；線性電源(±12 V)為電渦流傳感器的前置器供電。

計算機(jī)檢測、控制現(xiàn)場設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集與外界相連。采用圖形化軟件開發(fā)環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabView)來編制測控系統(tǒng)的界面。現(xiàn)場設(shè)備通過OPC(OLE for Process Control,用于過程控制的OLE，是一個包括接口、屬性和方法的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的服務(wù)端將共享變量傳遞到上位機(jī)，達(dá)到控制的目的。采用OPC技術(shù)實現(xiàn)DAM-PT08采集模塊和PLC實現(xiàn)與LabView之間的通信。按照加載系統(tǒng)方案和測控系統(tǒng)的電氣原理，分配I/O口資源。對于電機(jī)、液壓泵等，采用硬件觸發(fā)和軟件觸發(fā)相結(jié)合的控制方式。對于加載系統(tǒng)的保壓、散熱系統(tǒng)的啟停，采用軟件觸發(fā)的方式來控制。力傳感器、溫度傳感器的數(shù)據(jù)與軟件設(shè)定值進(jìn)行比較，達(dá)到觸發(fā)值時，相應(yīng)元件按照程序執(zhí)行相應(yīng)的動作。對于加載系統(tǒng)的比例溢流閥，則要求PLC具有模擬量輸出的功能?？刂葡到y(tǒng)程序采用STEP-7(西門子工控系列產(chǎn)品編程軟件)編制。采用OPC技術(shù)實現(xiàn)上位機(jī)對PLC的控制，設(shè)計典型的數(shù)字量控制系統(tǒng)PLC控制程序。使用LabView實現(xiàn)計算機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備的通信，建立現(xiàn)場設(shè)備與PC之間的動態(tài)連接關(guān)系。通過DataSocket技術(shù)(一種面向測控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù))，實現(xiàn)PLC與LabView的動態(tài)連接。建立的共享變量，在LabView中通過DataSocket數(shù)據(jù)綁定編制試驗臺控制系統(tǒng)的界面，如圖5所示。

數(shù)據(jù)采集界面如圖6所示。界面能實時顯示溫度、壓力和厚度，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存的功能。數(shù)據(jù)顯示控件均按照傳感器實際布置來排列，可直觀了解實際推力軸承運(yùn)行的狀態(tài)。當(dāng)圖中傳感器變化趨勢趨于穩(wěn)定時，即可進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的保存。

圖5 控制系統(tǒng)界面

圖6 數(shù)據(jù)采集界面

3 結(jié)束語

為研究轉(zhuǎn)速、載荷、溫度等參數(shù)對推力滑動軸承潤滑性能的影響，設(shè)計了推力滑動軸承試驗平臺的機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，完成了控制界面和數(shù)據(jù)采集界面的編制。經(jīng)聯(lián)機(jī)調(diào)試和試驗測試，機(jī)械系統(tǒng)基本滿足功能需求。試驗臺整體運(yùn)行平穩(wěn)、無沖擊、振動情況良好。實現(xiàn)了通過比例溢流閥調(diào)節(jié)液壓缸的壓力模擬不同的軸向推力。液控單向閥和“M”型中位機(jī)的三位四通換向閥在保壓階段能較長時間保持加載力的穩(wěn)定。試驗臺的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)編寫了PLC程序，采用OPC通信技術(shù)和DataSocket通信技術(shù)，實現(xiàn)了上位機(jī)軟件LabView與PLC以及數(shù)據(jù)采集模塊之間的通信。通過該試驗臺可進(jìn)一步試驗研究推力滑動軸承的運(yùn)行狀態(tài)和規(guī)律，為動態(tài)監(jiān)測推力滑動軸承的運(yùn)行提供了方法和途徑，為進(jìn)一步研究故障原因提供了試驗平臺。

[1] 胡榮華.船用滑動推力軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].船海工程，2007,27(5)：60-64.

[2] 李永海，劉從民.小型推力軸承模擬試驗臺液、靜壓系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].哈爾濱電工學(xué)院學(xué)報，1993,16(1)：60-63.

[3] SONG Y, REN X, GU C W, et al. Experimental and numerical studies of cavitation effects in a tapered land thrust bearing [J]. Journal of Tribology, 2015，137(2):609-619.

[4] GLAVATSKIH S B. Laboratory research facility for testing hydrodynamic thrust bearings [J]. Journal of Engineering Tribology, Part J, 2002，216(2):105-116.

[5] 朱增輝，郭文勇，孫云嶺，等.一種船舶動力裝置監(jiān)控系統(tǒng)診斷儀的研制[J]．機(jī)械與電子，2015(9)：37-39.

[6] 郭文勇，樸甲哲，張永祥.柴油機(jī)缸套磨損故障的機(jī)體振動監(jiān)測研究[J].振動、測試與診斷，2005,25(4):289-291.

Development of Monitor Test-bed of Marine Tilting Pad Thrust Bearing

ZHANG Meng, GUO Wenyong, HAN Jianggui

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)

In order to provide gist of improving the reliability of marine tilting pad thrust bearing, and collect relevant parameters for researching the operation rules and lubricating property, a tilting pad thrust bearing test-bed is designed and built. The test-bed provides different rotate speed by variable frequency motor, imitates axial thrust by hydraulic pressure, and sets sensors of pressure, oil film thickness and thermal. The control system of test-bed is designed and the control interface is worked out. Through debugging, the test-bed has reached expectations, and shows good handling performance.

thrust bearing; test-bed; hydraulic pressure; control system

張 蒙(1989-)，男，助理工程師，研究方向為艦船機(jī)械裝備保障技術(shù)。

1000-3878(2017)01-0053-05

U662

A