十溝槽水潤滑軸承系統(tǒng)軸心軌跡試驗研究

楊利濤， 王 楠*， 王 鵬， 張興慧， 岳曉奎

(1.陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室，陜西 漢中 723000;3.西北工業(yè)大學(xué) 航天飛行動力學(xué)技術(shù)國家級重點實驗室，陜西 西安 710072)

水潤滑軸承以水作為潤滑介質(zhì)，可有效避免傳統(tǒng)滑動軸承潤滑過程中潤滑油脂泄漏造成的水污染問題，近年來在船舶、水泵、水輪機等設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。隨著“綠色”發(fā)展理念越來越受到人們的重視，水潤滑軸承的研究尤其是潤滑特性研究成為近年來研究熱點。軸心軌跡是表征水潤滑軸系是否穩(wěn)定運行的重要參數(shù)之一，通過對軸心軌跡的研究，一是可以準確評判水潤滑軸系的運行狀態(tài)，及時判斷故障問題；二是可以為水潤滑軸承特性研究提供輔助分析。

目前，國內(nèi)外已有不少學(xué)者對軸心軌跡進行了相關(guān)研究。郭明軍等[1]提出了基于有效奇異值數(shù)量規(guī)律的軸心軌跡提純方法，識別了轉(zhuǎn)子的不對中故障；劉其洪等[2]提出了一種基于LabVIEW的軸心軌跡故障自動識別的新方法，識別效果良好；陳征等[3]基于軸心軌跡信息熵和盒維數(shù)，提出了一種直觀評價轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)指標與轉(zhuǎn)子故障程度判別方法并驗證了該方法的有效性；王楠等[4]設(shè)計了基于LabVIEW的水潤滑軸承監(jiān)測系統(tǒng)，對比分析了平面軸承與凹面軸承不同載荷下的軸心軌跡；葉曉琰等[5]試驗研究了不平衡載荷對水潤滑軸承軸心軌跡的影響；鄭建波等[6]采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法研究了不同進水壓力下水潤滑軸承軸心軌跡；彭偉才等[7]試驗研究了不同轉(zhuǎn)速下(比壓0.3 MPa)的軸心軌跡特征，得出轉(zhuǎn)速越高，軸心軌跡重復(fù)性越好、尖角越光滑；方夢思[8]試驗測試了大軸承在不同轉(zhuǎn)速下的缸體中心的渦動軌跡，發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的降低渦動軌跡逐漸向外偏移，水膜動壓產(chǎn)生的支承力變小；Lin等[9]試驗研究了一種新型高速水潤滑混合軸承的動態(tài)特性；Hecke等[10]對軸心軌跡檢測的研究及應(yīng)用進行了分析；Chen Dong-ju等[11]通過對轉(zhuǎn)軸測量路徑的試驗，驗證了轉(zhuǎn)軸軸心軌跡模型的正確性；Zhou Guang-wu等[12]綜合研究了摩擦系數(shù)與軸心軌跡，得出多溝槽水潤滑橡膠軸承(WLRBMG)是在混合潤滑條件下工作的；周漢杰等[13]分析了蠟油加氫汽輪機軸心軌跡圖，對電渦流傳感器與被測金屬體有無磁性的關(guān)系進行了分析研究。

綜上所述，不同軸系的軸心軌跡變化規(guī)律并不完全相同。本文針對特定研究對象——十溝槽水潤滑橡膠軸承系統(tǒng)，設(shè)計LabVIEW軸心軌跡測試系統(tǒng)，在不同工況下進行軸心軌跡試驗，采用小波閾值降噪算法進行提純，獲得軸系運動變化規(guī)律。

1 研究對象

研究對象十溝槽水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示，軸瓦材料為橡膠，十溝槽凹面板條結(jié)構(gòu)，軸承外殼為黃銅材質(zhì)。軸承內(nèi)徑100 mm，溝槽半徑4 mm，過渡圓弧半徑4 mm，軸承長度350 mm，長徑比3.5∶1。由于橡膠具有良好的親水性，耐磨、耐泥沙、抑振降噪，而溝槽有利于排除水中的雜質(zhì)，并可有效改善軸承潤滑液冷卻效應(yīng)，避免溫度升高引起水黏度下降，因此，該類軸承潤滑性能良好，應(yīng)用較廣泛。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為十溝槽水潤滑軸承試驗臺，主要包括控制柜、電渦流傳感器、扭矩傳感器、雙側(cè)電磁加載裝置、橡膠軸承、潤滑水循環(huán)供水系統(tǒng)。試驗臺為軸向供水結(jié)構(gòu)，供水壓力可調(diào)，軸轉(zhuǎn)速、徑向加載力通過控制柜調(diào)節(jié)，加載方式采用電磁加載，通過調(diào)節(jié)電流控制加載力的大小，可模擬不同工況進行試驗測試。

1.變頻電動機；2.轉(zhuǎn)矩傳感器；3.軸承系統(tǒng)；4.電磁加載裝置；5.無線發(fā)射裝置；6.流量傳感器；7.壓力表；8.水循環(huán)供水系統(tǒng)；9.控制柜

2 測試系統(tǒng)

軸心軌跡測試系統(tǒng)如圖3所示，電渦流傳感器將采集到的軸心軌跡信號送至前置處理器，扭矩傳感器將采集到的轉(zhuǎn)速信號送至F/V轉(zhuǎn)換模塊，加載力傳感器將采集到的加載力信號送至電荷放大器，然后通過數(shù)據(jù)采集卡采樣，最后送至上位機軟件進行處理、顯示與分析。

圖3 軸心軌跡測試系統(tǒng)

電渦流傳感器型號為VB-Z980108，水平傳感器靈敏度1.99 V/mm，線性范圍0.75～2.75 mm；垂直傳感器靈敏度1.98 V/mm，線性范圍0.82～2.82 mm；扭矩傳感器型號為HCNJ-101，扭矩量程0～500 N·m，轉(zhuǎn)速量程0～3000 r/min，供電±24 VDC，該傳感器可以同時測量扭矩和轉(zhuǎn)速，可以高轉(zhuǎn)速長時間運轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性好，安裝簡單方便，檢測精度高；加載力傳感器型號為SD1422，靈敏度4 pC/N，線性度小于等于1%F.S；數(shù)據(jù)采集卡型號為PCI-6024E，8通道差分輸入，同步采樣，輸入/輸出分辨率12 bit，最大采樣率200 kS/s，輸入范圍±10 V，輸出范圍±10 V，完全滿足測試需求。

軸心軌跡測試系統(tǒng)軟件采用LabVIEW 2019設(shè)計，后面板程序如圖4所示，采用while循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用DAQmx函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)軸心軌跡信號實時顯示、數(shù)據(jù)自動保存等功能，數(shù)據(jù)保存為xls格式。

圖4 軸心軌跡測試系統(tǒng)后面板程序

3 小波閾值降噪算法

由于實際采集到的軸心軌跡信號容易受到各種噪聲的干擾，軌跡雜亂無章，很難判斷出轉(zhuǎn)子的實際運行狀態(tài)與轉(zhuǎn)子的故障類型，因此需對軸心軌跡作提純處理。小波分析主要應(yīng)用于信號降噪中，下面以一維信號的降噪處理為例，闡述小波閾值降噪的原理[14]。假設(shè)一含噪信號數(shù)學(xué)模型表示為

s(t)=f(t)+βe(t)，t=0,1,…,n-1,

(1)

式中s(t)為含噪聲的信號，f(t)為有用信號，e(t)為噪聲信號，β為噪聲強度。

降噪的目的就是抑制βe(t)以恢復(fù)f(t)。通常情況下，f(t)一般為低頻信號，e(t)一般為高頻信號，據(jù)此小波降噪具體方法如下。利用小波分析對含噪信號進行小波分解，若分解為3層，則分解過程如圖5所示。

圖5 小波分解示意圖

有用信號一般分布在幅值較大的近似系數(shù)A3中，而噪聲信號一般分布在幅值較小的細節(jié)系數(shù)D1、D2、D3中，這表明有用信號的近似系數(shù)值大于噪聲信號的細節(jié)系數(shù)值，由此可以通過閾值去噪實現(xiàn)有用信號與噪聲信號的有效分離。具體可通過選擇合適的閾值處理細節(jié)系數(shù)D1、D2、D3，保留近似系數(shù)A3，根據(jù)閾值處理后的小波系數(shù)對信號進行重構(gòu)，從而在充分還原有用信號的條件下達到降噪目的。

4 軸心軌跡試驗

4.1 測點布置與試驗工況

電渦流傳感器測點布置如圖6所示(整體結(jié)構(gòu)見圖2)，布置在雙側(cè)電磁加載裝置與試驗軸承之間軸頸處(測點1、2、3、4)。

圖6 電渦流傳感器測點布置

試驗現(xiàn)場如圖7所示。軸心軌跡的測量通過在支架上固定兩個相互垂直的電渦流傳感器，測量主軸與探頭端面的相對位置變化實現(xiàn)，可描述水潤滑軸承軸系的偏轉(zhuǎn)情況。

(a)電渦流傳感器安裝圖 (b)上位機測試界面圖

應(yīng)用圖3所示測試系統(tǒng)進行十溝槽凹面軸承系統(tǒng)軸心軌跡試驗。試驗工況：供水壓力0.4 MPa、空載、載荷為37 N、轉(zhuǎn)速400～1000 r/min。測試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：采樣頻率1 kHz，每通道采樣點數(shù)1000。試驗過程：正式測試之前，需將電渦流傳感器與軸之間距離調(diào)至最佳工作點，確保在軸轉(zhuǎn)動過程中傳感器始終位于線性范圍。系統(tǒng)啟動后，首先給軸承系統(tǒng)供水，調(diào)節(jié)軸轉(zhuǎn)速，進行空載試驗；然后通過控制柜將加載力調(diào)至37 N(電流0.5 A)，調(diào)節(jié)軸轉(zhuǎn)速，進行負載試驗；兩次試驗中在某工況下均打開軸心軌跡測試軟件以采集、顯示并分析軸心軌跡與轉(zhuǎn)速、載荷等信號。

4.2 試驗結(jié)果與分析

4.2.1 軸心軌跡提純

采用小波閾值降噪算法對軸心軌跡提純，編寫MATLAB程序，對X、Y兩路信號分別進行小波分析，小波函數(shù)選用“sym”函數(shù)，階數(shù)選擇“8”。以空載、供水壓力0.4 MPa、轉(zhuǎn)速400 r/min軸心軌跡為例說明提純效果，如圖8所示。圖8(a)、(b)分別為原始軸心軌跡與提純后軸心軌跡，對比可以看出，提純后軸心軌跡充分還原了原始軸心軌跡特征，提純效果良好。

(a)原始軸心軌跡 (b)提純后軸心軌跡

4.2.2 軸心軌跡分析

圖9(a)、(b)分別為供水壓力0.4 MPa下空載、載荷37 N提純后不同轉(zhuǎn)速下軸心軌跡圖?？梢钥闯觯S著轉(zhuǎn)速增大，軸心軌跡在空載、載荷為37 N時均越來越規(guī)則。載荷37 N時軸心軌跡最大振幅不超過0.3 mm，整體呈橢圓形。圖9(a)、(b)均表明，轉(zhuǎn)速400 r/min時軸心軌跡向內(nèi)凹陷，呈香蕉形，表明轉(zhuǎn)子出現(xiàn)輕度不對中現(xiàn)象；隨著轉(zhuǎn)速增大，軸心軌跡向內(nèi)凹陷程度逐漸減小，轉(zhuǎn)子不對中程度逐漸減??；轉(zhuǎn)速1000 r/min時空載下軸心軌跡接近于圓形，載荷37 N時軸心軌跡接近于橢圓形，表明水潤滑軸系正常運轉(zhuǎn)。

(a)空載不同轉(zhuǎn)速下軸心軌跡 (b)載荷37 N時不同轉(zhuǎn)速下軸心軌跡

圖10(a)—(d)分別為供水壓力0.4 MPa下空載、載荷為37 N時不同轉(zhuǎn)速下X方向、Y方向軸心軌跡頻譜圖(幅值譜)。轉(zhuǎn)速400、600、800、1000 r/min時轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻分別為6.67、10、13.3、16.67 Hz。由圖10(a)、(b)可以看出，空載下X方向和Y方向頻譜圖主要以轉(zhuǎn)頻及其二倍頻為主，其它頻率分量所占比重相對較小，表明轉(zhuǎn)子出現(xiàn)輕度不對中現(xiàn)象；隨著轉(zhuǎn)速增大，X方向和Y方向頻譜圖二倍頻分量逐漸減小，表明轉(zhuǎn)子不對中程度逐漸減小，與圖9(a)時域分析一致。由圖10(c)、(d)可以看出，載荷為37 N時X方向和Y方向頻譜圖主要以轉(zhuǎn)頻及其二倍頻為主；由于加載后存在電磁干擾，因此頻譜圖上顯示存在其他頻率分量。

圖10 軸心軌跡頻譜圖

5 結(jié)論

本文進行了不同工況下十溝槽水潤滑軸承系統(tǒng)軸心軌跡試驗，采用小波閾值降噪算法對軸心軌跡進行了提純。試驗結(jié)果表明，空載與負載情況下的軸心軌跡變化規(guī)律一致，隨轉(zhuǎn)速增大越來越規(guī)則。轉(zhuǎn)速400 r/min時轉(zhuǎn)子出現(xiàn)輕度不對中現(xiàn)象；轉(zhuǎn)速增大，轉(zhuǎn)子不對中程度逐漸減?。晦D(zhuǎn)速1000 r/min時軸系正常運轉(zhuǎn)。對軸心軌跡進行頻譜分析后發(fā)現(xiàn)軸系存在不對中與電磁干擾等問題。后續(xù)研究將結(jié)合軸心軌跡測試分析結(jié)果研究水潤滑軸承潤滑特性，為水潤滑軸承參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計及制造提供參考。