水润滑轴承在线监测试验平台及轴承特性测试分析方法与流程

本发明属于机电设备状态监测技术领域，涉及水润滑轴承在线监测试验平台，还涉及一种轴承特性测试分析方法。

背景技术：

水润滑轴承作为水中动力机械的重要组成部件，由于其润滑剂直接取自于水，来源广泛，重要的是，与油润滑轴承相比，不会因油脂泄露对环境产生污染，且无需复杂的润滑剂供给系统，简化了机械结构，运行可靠性得以大大提高，性能稳定、使用安全，因此，近年来得到越来越广泛的研究与使用。

水润滑轴承以水做润滑剂，在一定条件下，轴承与轴之间会形成水膜，用以提供润滑与支撑作用；但水的黏度低，水膜厚度很小，水膜压力较难形成，同时，由于润滑膜空间的封闭性，轴承材料及结构的多样性，以及服役工况多变等因素的制约，因此与油润滑轴承相比，水润滑轴承特性及承载机理更为复杂；而水膜压力、厚度、刚度等表征轴承特性的诸多参数实时监测与获取也较为困难。以润滑膜压力为特征，水润滑轴承润滑状态可认为是流体动力润滑、弹流润滑、薄膜润滑和边界润滑的组合，它们的形成机理、润滑特性和失效准则各不相同，且在润滑膜中的比例及分布处于不断变化之中。因此，研究各种润滑状态在润滑膜中的比例分布以及各种状态之间的转化机理，对工程实际具有重要意义。但遗憾的是，迄今为止针对水润滑轴承润滑机理的研究明显较为欠缺，还不能形成系统、完整的理论体系，原因之一是受到试验技术制约。

由于水润滑轴承的结构及工作时的密闭性状态，因此对其监测具有多测点、多参数、多源信息特征，相关参数主要有：水膜压力，水膜厚度，水膜刚度，轴转速，轴转矩，加载力，轴位移，摩擦系数，振动，供水压力、流量、温度等，上述参数都会对轴承特性产生重要影响。现有水润滑轴承试验台，试验工况与可测参数相对单一，测试方法与加载装置较为传统且很少有运用多源信息融合方法将所有参数(包括影响因素)结合起来综合考虑，研究轴承特性。例如，水膜压力测试大多依然采用有线、侵入式监测方式，在轴承壳体或转轴上打孔安装传感器，用集流环收集数据；也有用wifi或电磁感应无线测试水膜压力的方法与装置，但还存在破坏轴承润滑界面润滑状态，数据传输效率不高，模拟信号衰减，干扰、误差大，无法获取水膜压力全息分布，无线装置供电等难题。加载装置仍使用机械或液压方式设计，由于直接与轴承或轴接触，故存在振动、噪声、发热、摩擦磨损与损耗较大等问题。因此，设计具有全参数监测的科学合理的综合性能水润滑轴承试验平台非常必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供水润滑轴承在线监测试验平台，能够完成水润滑轴承的各项性能测试且解决了传统试验台模拟信号传输精度不高的问题。

本发明的另一目的是提供一种轴承特性测试分析方法，能够准确获得水润滑轴承的多源参数不同信息。

本发明所采用的第一种技术方案是，水润滑轴承在线监测试验平台，将待测试轴承放置在该平台上进行监测试验，包括依次轴连接的变频电机、转矩测试仪、转动轴、主旋转轴、减速机和永磁发电机，变频电机连接有电控柜，转动轴上设置有滚动轴承支撑，主旋转轴上设置有轴承系统支撑，主旋转轴上轴承系统支撑两侧分别设置有非接触式电磁加载装置a和非接触式电磁加载装置b，非接触式电磁加载装置b设置在靠近减速机一侧，且主旋转轴上非接触式电磁加载装置b与减速机之间设置有无线采集发射设备，减速机上设置有无线设备能量收集装置，待测试轴承位于轴承系统支撑中且固定在主旋转轴上，待测试轴承两端分别安装有水平、垂直方向电涡流传感器，轴承系统支撑两端分别通过进水管和出水管连接有水箱为待测试轴承供水和排水，主旋转轴上设置待测试轴承处设置有相互贯通的多个径向导流孔和多个轴向导流孔，轴向导流孔设置在主旋转轴轴肩的肩面上，主旋转轴上轴向导流孔远离径向导流孔一侧设置有水膜压力传感器。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

变频电机、转矩测试仪、转动轴之间均分别通过弹性膜片联轴器连接，转动轴与主旋转轴之间通过橡胶联轴器连接。

永磁发电机与无线设备能量收集装置连接，无线设备能量收集装置连接有导电滑环一端，导电滑环另一端与无线采集发射设备连接。

变频电机、转矩测试仪、滚动轴承支撑、非接触式电磁加载装置a、轴承系统支撑、非接触式电磁加载装置b、无线采集发射设备、减速机和永磁发电机均设置在底座上，非接触式电磁加载装置a和非接触式电磁加载装置b均分别设置有电磁铁底座位于底座上，电磁铁底座设置有电磁力传感器。

非接触式电磁加载装置a包括支撑主旋转轴下部的两铁芯，该处主旋转轴套接有轴套，铁芯表面设置有电磁线圈，铁芯与主旋转轴之间设置有与主旋转轴圆周面相适应的铁芯头，铁芯底端均设置有与铁芯轴线相同的拉力传感器，两拉力传感器轴线呈90°夹角，铁芯底部均分别固定在支架上，两支架上均固定有螺母，两螺母通过丝杠连接，丝杠位于两螺母之间的部分开设有调节手柄插孔，非接触式电磁加载装置a和非接触式电磁加载装置b结构相同。

水箱设置有水泵，水泵与进水管连接且两者之间设置有压力表和流量传感器，水箱设置有温度计。

本发明所采用的第二种技术方案为，一种轴承特性测试分析方法，应用本发明第一种技术方案的水润滑轴承在线监测试验平台进行测试分析，具体按照以下步骤实施：

步骤1、检查并确认各传感器与相应信号调理电路之间连线正常，打开各测试设备电源、无线设备能量收集装置、上位机软件；启动水泵，调节供水压力使其到达试验值，同时测量供水流量、水温等参数，为待测试轴承供水；

步骤2、启动变频电机，驱动主旋转轴运转，调节并测量变频电机转速使其到达试验值；

步骤3、启动非接触式电磁加载装置a和非接触式电磁加载装置b，为轴系提供载荷，调节电流大小，同时测量加载力，使其到达试验值；

步骤4、待主旋转轴运转平稳后，测量水膜压力、轴系转矩、轴向与径向位移、变频电机电压电流、永磁发电机电压电流、无线设备供电装置输出电压电流、打开无线采集发射设备和无线设备能量收集装置信号传输速率、振动参数；

步骤5、水膜压力传感器测量水膜压力数据并通过无线采集发射设备采用zigbee透传无线传感方式传输并在上位机显示、处理，得到水膜压力数据，分析结果后得到水润滑轴承全息水膜压力分布规律以及确定轴承润滑膜存在区域；供水压力、供水流量、水温、轴转速、加载力、轴系转矩、轴向与径向位移、变频电机电压电流、永磁发电机电压电流、无线设备供电装置输出电压电流、无线设备信号传输速率、振动数据则通过数据采集卡进行有线采集后送至上位机软件进一步显示、处理，分析旋转机械无线设备能量收集系统供能机理和旋转机械无线设备能量收集系统通信质量；

步骤6、采用多源信息融合方法，通过对转矩、转速与加载力数据处理之后得出水润滑轴承摩擦特性曲线即streibeck曲线，轴心轨迹则通过综合轴向与径向位移得出，轴系动不平衡量通过轴向与径向位移得出，轴承刚度/水膜刚度通过加载力与轴位移综合计算分析得到；最后将streibeck曲线、轴心轨迹、轴系动不平衡量、轴承刚度/水膜刚度与水膜压力数据分析结果结合，分析轴承摩擦特性、润滑特性与润滑机理，轴承特性测试分析完成。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

旋转机械无线设备能量收集系统主要包括主旋转轴、无线采集发射设备、导电滑环、减速机、无线设备能量收集装置和永磁发电机；

分析旋转机械无线设备能量收集系统供能机理具体为，通过测试不同转速、转矩、电磁加载力下的变频电机电压电流、永磁发电机电压电流与无线设备供电装置输出电压电流，得到功率与效率随转速、转矩、电磁加载力影响因素的变化规律，得出能量转换机理和能量收集效率；

分析旋转机械无线设备能量收集系统通信质量具体为，通过测试不同转速与无线设备相对位置变化下的无线设备信号传输速率与效率，与理论多普勒频移模型对比，分析数据丢包率与误码率，得出无线设备通信质量影响因素与多普勒频移补偿方法。

水润滑轴承摩擦特性曲线的计算过程具体如下：

根据下式计算sommerfeldnumber系数：

式(39)中，u为接触面相对运动速度，η为润滑剂粘度，r为轴承半径，w为径向载荷，l为轴承长度；

摩擦系数f通过下式计算

式(40)中，m2为轴系带载转矩，m1为轴系空载转矩，r为轴承半径，w为径向载荷，径向载荷由两个拉压力传感器分别测得电磁加载力f1和f2后求合力f得到，即

不同转速与载荷下，由式(40)与式(41)得到摩擦系数曲线与stribeck曲线。

本发明的有益效果是：

1)本发明水润滑轴承在线监测试验平台，可以针对不同长径比轴承、不同轴瓦材质轴承(橡胶、塑料、陶瓷等)进行试验，包括：水润滑轴承水膜压力试验，水润滑轴承摩擦特性试验，水润滑轴系轴心轨迹试验，水润滑轴系动平衡试验，旋转机械无线设备能量收集系统供能机理试验，旋转机械无线设备能量收集系统通信质量试验，水润滑轴承刚度/水膜刚度试验，试验内容丰富，考虑了多源参数不同信息融合特征，在此基础上，更便于研究水润滑轴承特性；

2)本发明的试验平台中载荷模拟装置采用了非接触式电磁加载方式，可解决传统机械或液压方式带来的振动、噪声、发热、摩擦磨损与损耗较大等问题；

3)本发明的试验平台中无线采集与发射装置的供电采用旋转机械能供电即锂电池与永磁发电机配合供电，可达到不停机供电效果，解决了旋转机械无线传感监测设备供电问题；

4)本发明一种轴承特性测试分析方法能够全面监测水润滑轴承特性参数及各种影响因素，完善了水润滑轴承各项性能测试，便于研究轴承摩擦磨损、故障失效演化规律与润滑机理，为轴承安全稳定运行、轴承设计制造等提供试验数据与科学依据；

5)本发明的轴承特性测试分析方法中水膜压力测试采用zigbee透传无线传感方式，传感器安装与主旋转轴配合巧妙，主旋转轴设置了相互贯通的径向和轴向导流孔，可获取水膜压力全息分布(轴向+径向)，由此可解决传统有线传输带来的破坏轴承润滑界面润滑状态，数据传输效率不高，模拟信号衰减，干扰、误差大等问题。

附图说明

图1是本发明水润滑轴承在线监测试验平台的结构示意图；

图2是本发明水润滑轴承在线监测试验平台主旋转轴的结构示意图；

图3是本发明水润滑轴承在线监测试验平台的非接触式电磁加载装置a的结构示意图；

图4是本发明一种轴承特性测试分析方法步骤5的流程图；

图5是本发明一种轴承特性测试分析方法中旋转机械无线设备能量收集系统的结构示意图；

图6是本发明一种轴承特性测试分析方法中旋转机械无线设备能量收集系统通信质量理论模型图；

图7是本发明一种轴承特性测试分析方法中主旋转轴的载荷分布示意图。

图中，1.变频电机，2.弹性膜片联轴器，3.转矩测试仪，4.转动轴，5.滚动轴承支撑，6.橡胶联轴器，7.电磁铁底座，8.轴承系统支撑，9.待测试轴承，10.橡胶轴瓦，11.端盖，12.轴向导流孔，13.非接触式电磁加载装置a，14.无线采集发射设备，15.导电滑环，16.无线设备能量收集装置，17.减速机，18.永磁发电机，19.底座，20.进水管，21.出水管，22.水箱，23.水泵，24.压力表，25.流量传感器，26.温度计，27.电控柜，28.主旋转轴，29.非接触式电磁加载装置b，30.径向导流孔，31.铁芯，32.电磁线圈，33.铁芯头，34.拉力传感器，35.支架，36.螺母，37.丝杠，38.调节手柄插孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明水润滑轴承在线监测试验平台，将待测试轴承9放置在该平台上进行监测试验，如图1所示，包括依次轴连接的变频电机1、转矩测试仪3、转动轴4、主旋转轴28、减速机17和永磁发电机18，变频电机1连接有电控柜27，转动轴4上设置有滚动轴承支撑5，主旋转轴28上设置有轴承系统支撑8，主旋转轴28上轴承系统支撑8两侧分别设置有非接触式电磁加载装置a13和非接触式电磁加载装置b29，非接触式电磁加载装置b29设置在靠近减速机17一侧，且主旋转轴28上非接触式电磁加载装置b29与减速机17之间设置有无线采集发射设备14，减速机17上设置有无线设备能量收集装置16，待测试轴承9位于轴承系统支撑8中且固定在主旋转轴28上，待测试轴承9为橡胶轴承时，待测试轴承9的壳体与主旋转轴28之间具有橡胶轴瓦10，保证待测试轴承9的平稳运转，待测试轴承9两端均固定有端盖11限位，待测试轴承9两端分别安装有水平、垂直方向电涡流传感器，轴承系统支撑8两端分别通过进水管20和出水管21连接有水箱22为待测试轴承9供水和排水，水箱22设置有水泵23，水泵23与进水管20连接且两者之间设置有压力表24和流量传感器25，水箱22设置有温度计26，如图2所示，主旋转轴28上设置待测试轴承9处设置有相互贯通的多个径向导流孔30和多个轴向导流孔12，轴向导流孔12设置在主旋转轴28轴肩的肩面上，主旋转轴28上轴向导流孔12远离径向导流孔一侧设置有水膜压力传感器。

变频电机1、转矩测试仪3、转动轴4之间均分别通过弹性膜片联轴器2连接，转动轴4与主旋转轴28之间通过橡胶联轴器6连接。

永磁发电机18与无线设备能量收集装置16连接，无线设备能量收集装置16连接有导电滑环15一端，导电滑环15另一端与无线采集发射设备14连接。

变频电机1、转矩测试仪3、滚动轴承支撑5、非接触式电磁加载装置a13、轴承系统支撑8、非接触式电磁加载装置b29、无线采集发射设备14、减速机17和永磁发电机18均设置在底座19上，非接触式电磁加载装置a13和非接触式电磁加载装置b29均分别设置有电磁铁底座7位于底座19上，电磁铁底座7设置有电磁力传感器。

如图3所示，非接触式电磁加载装置a13包括支撑主旋转轴28下部的两铁芯31，该处主旋转轴套接有轴套，铁芯31表面设置有电磁线圈32，铁芯31与主旋转轴28之间设置有与主旋转轴28圆周面相适应的铁芯头33，铁芯31底端均设置有与铁芯31轴线相同的拉力传感器34，两拉力传感器34轴线呈90°夹角，铁芯31底部均分别固定在支架35上，两支架35上均固定有螺母36，两螺母36通过丝杠37连接，丝杠37位于两螺母36之间的部分开设有调节手柄插孔38，非接触式电磁加载装置a13和非接触式电磁加载装置b29结构相同。

本发明一种轴承特性测试分析方法，应用本发明水润滑轴承在线监测试验平台进行测试分析，具体按照以下步骤实施：

步骤1、检查并确认各传感器与相应信号调理电路之间连线正常，打开各测试设备电源、无线设备能量收集装置、上位机软件；启动水泵23，调节供水压力使其到达试验值，同时测量供水流量、水温等参数，为待测试轴承9供水；

步骤2、启动变频电机1，驱动主旋转轴28运转，调节并测量变频电机1转速使其到达试验值；

步骤3、启动非接触式电磁加载装置a13和非接触式电磁加载装置b29为轴系提供载荷，调节电流大小，同时测量加载力，使其到达试验值；

步骤4、待主旋转轴28运转平稳后，打开无线采集发射设备14和无线设备能量收集装置16及其供电装置，测量水膜压力、轴系转矩、轴向与径向位移、变频电机1电压电流、永磁发电机18电压电流、无线设备供电装置输出电压电流、打开无线采集发射设备14和无线设备能量收集装置16信号传输速率、振动参数；

步骤5、如图4所示，水膜压力传感器测量水膜压力数据并通过无线采集发射设备14采用zigbee透传无线传感方式传输并在上位机显示、处理，得到水膜压力数据，分析结果后得到水润滑轴承全息水膜压力分布规律以及确定轴承润滑膜存在区域；供水压力、供水流量、水温、轴转速、加载力、轴系转矩、轴向与径向位移、变频电机电压电流、永磁发电机电压电流、无线设备供电装置输出电压电流、无线设备信号传输速率、振动数据则通过数据采集卡进行有线采集后送至上位机软件进一步显示、处理，分析旋转机械无线设备能量收集系统供能机理和旋转机械无线设备能量收集系统通信质量；

步骤6、采用多源信息融合方法，通过对转矩、转速与加载力数据处理之后得出水润滑轴承摩擦特性曲线即streibeck曲线，轴心轨迹则通过综合轴向与径向位移得出，轴系动不平衡量通过轴向与径向位移得出，轴承刚度/水膜刚度通过加载力与轴位移综合计算分析得到；最后将streibeck曲线、轴心轨迹、轴系动不平衡量、轴承刚度/水膜刚度与水膜压力数据分析结果结合，分析轴承摩擦特性、润滑特性与润滑机理，轴承特性测试分析完成。

旋转机械无线设备能量收集系统能量供应如图5所示，旋转机械无线设备能量收集系统主要包括主旋转轴28、无线采集发射设备14、导电滑环15、减速机17、无线设备能量收集装置16和永磁发电机18。

分析旋转机械无线设备能量收集系统供能机理具体为，通过测试不同转速、转矩、电磁加载力下的变频电机1电压电流、永磁发电机18电压电流与无线设备供电装置输出电压电流，得到功率与效率随转速、转矩、电磁加载力影响因素的变化规律，得出能量转换机理和能量收集效率，进而优化无线设备充电装置设计，无线设备包括无线采集发射设备14和无线设备能量收集装置16，并为旋转机械无线设备能量收集系统能量供应提供新方法，实现不停机监测，提高生产效率。

分析旋转机械无线设备能量收集系统通信质量具体为，通过测试不同转速与无线设备相对位置变化下的无线设备信号传输速率与效率，与理论多普勒频移模型对比，分析数据丢包率与误码率，得出无线设备通信质量影响因素与多普勒频移补偿方法，提高无线数据传输效率。

旋转机械无线设备能量收集系统通信质量理论模型如图6所示，无线采集与发射设备安装在转轴上，从a(x1,y1,z1)转到b(x2,y2,z2)，与无线接收装置c的路径差δl如式(42)所示。

则无线设备间收发频率差(多普勒频移)如式(43)所示。

式(43)中，c为光速，f为无线设备通信频率。

水润滑轴承摩擦特性曲线的计算过程具体如下：

根据下式计算sommerfeldnumber系数：

式(39)中，u为接触面相对运动速度，η为润滑剂粘度，r为轴承半径，w为径向载荷，l为轴承长度；

摩擦系数f通过下式计算

式(40)中，m2为轴系带载转矩，m1为轴系空载转矩，r为轴承半径，w为径向载荷，如图7所示，径向载荷由两个拉力传感器34分别测得电磁加载力f1和f2后求合力f得到，即

不同转速与载荷下，由式(39)与式(40)得到摩擦系数曲线与stribeck曲线。