朱梓旭 向朝陽 方世紀(jì) 張大欽

（西南石油大學(xué)，四川 成都610000）

MATLAB 具有強(qiáng)大的繪圖功能和數(shù)據(jù)批量處理能力。Matlab 中的GUI（Graphical User Interface）工具可以嵌入已有的仿真程序, 又可以把仿真結(jié)果圖形畫出并以人機(jī)交互的動態(tài)形式呈現(xiàn)給客戶及操作者。同時，GUI 還為軟件開發(fā)提供了高集成度的開發(fā)環(huán)境，可有效提高效率。本文通過運用Matlab GUIDE結(jié)合M文件進(jìn)行程序的編寫，運用Flag 文件進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)實時變化播放，以實現(xiàn)渦輪鉆具止推軸承仿真系統(tǒng)的搭建，用戶在使用的過程中無需了解回調(diào)程序是如何編寫的，只需掌握各種功能的使用方法就可以輕松操作系統(tǒng)。

渦輪鉆具推力球軸承的使用壽命是決定渦輪鉆具失效的重要因素，制約著回次進(jìn)尺的長度。軸承節(jié)止推軸承處于大沖擊、高速度、高溫度、大載荷的惡劣工況，長時間承受鉆井液和巖液的沖蝕、磨蝕作用，工作面易出現(xiàn)壓潰、變形、破裂、腐蝕、脫落等工況。軸承表面的磨損總量超出限度時，將會造成渦輪定子、轉(zhuǎn)子等的失效。故對軸承表面振動頻率、轉(zhuǎn)速、溫度、潤滑劑流量等工況的研究至關(guān)重要。

本文的主要研究工作是基于GUI 對單副止推軸承進(jìn)行測試，通過測試軸承的各項性能參數(shù)、繪制止推軸承的性能曲線，從而分析和研究延長軸承壽命的方法。

1 硬件部分

本測試系統(tǒng)的硬件部分又可細(xì)分為機(jī)械部分和測控硬件設(shè)備，機(jī)械部分的構(gòu)成部分主要有主軸、支架、實驗主機(jī)殼體、整機(jī)臺架等等，這些組成部分相互配合，為整機(jī)的運行打下基礎(chǔ)的同時，也為測控硬件設(shè)備的裝配提供了必要的支持。系統(tǒng)的測控部分硬件有傳感器、電機(jī)、直流穩(wěn)壓電源、開發(fā)板、數(shù)據(jù)采集卡等等，各部分的協(xié)調(diào)工作為數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理提供了有力的保障。

2 軟件部分

本測試系統(tǒng)的軟件部分通過matlab-GUI 仿真系統(tǒng)實現(xiàn)，通過構(gòu)造一定的結(jié)構(gòu)框架，如圖1，模擬一定轉(zhuǎn)速以及一定循環(huán)液流量情況下，改變相應(yīng)因變量得到的振動，溫度的變化信息，并通過曲線圖等形式顯示出來。

3 測試結(jié)果

3.1 變轉(zhuǎn)速測量

圖1 GUI 仿真實驗圖

整機(jī)啟動并預(yù)熱完成以后，選定循環(huán)液流量值為0.5L/s，對推力球軸承進(jìn)行測試，測試過程中會緩慢升高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，以觀察振動、溫度等參數(shù)的變化情況。需要說明的是，由于測試過程中參數(shù)值變化比較緩慢，每隔5min 采樣一次，繪制出在循環(huán)液流量為0.5L/s 時，軸承的振動情況同轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系圖，如圖2 所示。需要說明的是，由于振動傳感器輸出的模擬電壓值與具體振動情況之間的聯(lián)系不明確，所以只能定性的表示出轉(zhuǎn)速與振動情況之間的關(guān)系。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速較低的情況下，振動就會更強(qiáng)烈，這是由于電機(jī)在輸出轉(zhuǎn)速過低時，轉(zhuǎn)軸的自激振動就會比較強(qiáng)烈，而隨著輸出轉(zhuǎn)速的升高，此自激振動效應(yīng)就會減弱，此時，軸承上產(chǎn)生的振動主要來源于軸承工作時與主軸之間的摩擦，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于某個臨界值時，由于摩擦作用加劇及材料發(fā)熱等原因，振動就會緩慢增強(qiáng)。

圖2 轉(zhuǎn)速- 振動的關(guān)系曲線

同理，也可繪制出溫度與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線，如圖3 所示。由圖可知，當(dāng)潤滑液流量不變時，軸承的溫度會隨轉(zhuǎn)速的增大而升高，這是因為，當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速增快，其摩擦功耗就會增大，從而導(dǎo)致軸承表面溫度增加。

圖3 轉(zhuǎn)速- 溫度的關(guān)系曲線

3.2 變流量測試

整機(jī)啟動并預(yù)熱完成以后，選定電機(jī)轉(zhuǎn)速為140r/min，對推力球軸承進(jìn)行測試，測試過程中會緩慢升高循環(huán)液的流量值，以觀察振動、溫度等參數(shù)的變化情況。測試過程中參數(shù)值變化比較緩慢，數(shù)據(jù)為每隔5min 采樣一次所得，繪制出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為140r/min 時，軸承的振動情況同流量之間的關(guān)系圖，如圖4所示。轉(zhuǎn)速之所以選定為140r/min，是因為在上述變轉(zhuǎn)速測試中，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速維持在此數(shù)值時，軸承的振動情況較弱，說明在此轉(zhuǎn)速下工作時，軸承和整機(jī)可以在較為穩(wěn)定的情況下運轉(zhuǎn)。

圖4 流量- 振動的關(guān)系曲線

需要說明的是，由于振動傳感器輸出的模擬電壓值與具體振動情況之間的聯(lián)系不明確，所以只能定性的表示出振動情況與流量之間的關(guān)系?？梢钥闯?，在流量在較低的范圍內(nèi)逐漸增長的過程中，軸承的振動情況的變化并不明顯，當(dāng)流量超過某一臨界值時，振動就會加劇，這是因為以高流量循環(huán)的潤滑液會在潤滑軸承的同時對軸承造成一定的沖擊，從而導(dǎo)致振動加劇。

同理，也可繪制出溫度與流量之間的關(guān)系曲線，如圖5 所示。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速固定的情況下，軸承工作時的溫度與潤滑液流量基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，這是因為隨著流量的增加，潤滑液帶走軸承表面熱量的效率會更高，軸承的因摩擦而發(fā)熱的狀況就會得到緩解。

圖5 流量- 溫度的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

本文以繪制動力鉆具止推軸承的性能曲線為目的，結(jié)合實際工況，設(shè)計了一套微型止推軸承性能測試系統(tǒng)。模擬了兩種環(huán)境下微型推力軸承的實驗工況，成功獲取到了它們工作時的性能參數(shù)，并根據(jù)采集的參數(shù)繪制出了測試軸承的性能曲線。