一种基于机器视觉技术的水润滑橡胶艉轴承振动测量方法

闫志敏，周新聪，邱晓峰，邹斌，王建强，贾雪丽

一种基于机器视觉技术的水润滑橡胶艉轴承振动测量方法

闫志敏1，周新聪2，邱晓峰1，邹斌1，王建强1，贾雪丽3

采用机器视觉技术，对水润滑橡胶艉轴承的振动进行测量分析，结果表明，0.28 MPa比压下，水润滑橡胶艉轴承振动幅值的变化范围为水润滑0.25～0.81 mm，半干摩擦约0.27～0.68 mm；干摩擦0.92～2.57 mm，且振动频率皆在2 kHz之内。该方法可记录分析水润滑橡胶艉轴承的真实运动状态、弹性变形以及振动等随时间、转速和润滑条件变化的规律。

水润滑橡胶艉轴承；高速摄影；加速度传感器；振动；润滑条件

20世纪70年代，为提高潜艇的减振降噪性能，美国以丁腈橡胶为基体制备轴承复合材料，并对其振动测试方法进行了研究[1-2]。由于技术条件的限制，分析结果与实际相差甚远。现阶段对于振动的测量，可分为接触式和非接触式。接触式测量结果及精度易受到传感器自身重量、测量环境等因素影响。利用机器视觉技术不仅可避免上述因素的影响，而且可真实地计算出待测物体的位移变化[3-4]。为此，考虑采用高速摄影机，并结合图像处理及振动测试技术，计算出水润滑轴承试块的振动信息，研究振幅值与时间、转速和润滑条件之间的关系，探讨水润滑橡胶艉轴承试块润滑特性对其弹性变形的影响机理。

1 试验设计

1.1 试验台架、试件及测试系统

考虑到润滑条件、图像采集以及光线等因素，对水润滑橡胶艉轴承试验平台SSB-100进行改装，见图1。

试样从试验轴承板条中间部分取样所得到的轴承试块(见图2)，可完全模拟全副轴承振动特性试验[5]。

利用加速度传感器(见图3)采集轴承的水平和竖直方向的振动信号。试验中采用的高速摄影机(见图4)采样画幅分辨率为768×512，拍摄频率为2 000帧/s。

1.2 试验条件

润滑介质为清水。试验在室温下进行，试验时润滑水温在18～20 ℃之间。润滑条件为水润滑、半干摩擦、干摩擦。

1.3 试验步骤

首先利用B&K加速度传感器确定轴承试块的频段(

2 频谱分析与振幅计算

2.1 频谱分析及帧数的确定

在实际的水润滑橡胶艉轴承试块的振动测试中，由于基座、转矩仪、支座(左、右)等振动的影响，所测信号无法准确判断出艉轴承的真实频率(或频段)。主轴转速为115 r/min、试块承载比压为0.28 MPa时的振动图谱见图6。

为了确定各部件的频段，采用B&K 加速度传感器置于本试验台架振动源位置(转矩仪、电机、左右支座、轴承试块)的水平位置进行频率测量。试验测试主轴转速为20 r/ min，试块承载比压为0.28 MPa。各位置的振动图谱见图7。

由图7分析可知，转矩仪的振动频率约为2 kHz；电机的振动频率约为0.6 kHz；左右支座的振动频率较小；基座的振动频率小于0.1 kHz；杠杆和砝码的振动频率为0.25 kHz。根据各部位频谱分析统计可得：水润滑橡胶艉轴承试块的振动频率小于2 kHz(实测各测点的振动频率不随转速、比压，以及时间等因素的影响而变化，即所测值均为其各自的固有频率)。因此，考虑实际设备的缓存空间，并同时兼顾拍摄质量，高速摄影机的采样画幅分辨率为768×512，摄频率选取为2 000帧/s。

2.2 追踪点和参考点的选择

在荧光线上靠近摩擦表面的方向上取点M作为测量追踪点(距离试块下表面约1 mm)，点N和O为参考点(MN=NO=10 mm)，见图8。

2.3 测量原理

设追踪点的初始位置为M(x0,y0)。根据图像处理技术的模板匹配原理，在i时刻的该追踪点的位置为M′(x0+s,y0+t)，则i时刻的位移di：其中水平位移为s，垂直位移为t。见图9。

而在实际测量中发现，垂直位移t∝0，因此由欧几里德距离计算公式可得，i时刻追踪点M绝对位移值，即橡胶试块的振幅值：

3 试验结果与分析

3.1 不同工况条件下振幅值变化

承载压力为0.28 MPa时不同润滑条件下试块振幅值随时间和转速的变化见图10。

由图10可以看出：

1)在不同润滑条件和转速下，均出现振幅不随时间的变化而变化的区域，即水润滑条件下，如图10a)中A；半干摩擦条件下，如图10b)中B、C；以及干摩擦条件下，如图10c)中D。分析认为，橡胶内衬为弹性体，在一定压力和转速条件下发生弹性变形。而在上述工况条件下的A、B、C和D区域时，橡胶内衬的弹性恢复力与所受到的摩擦阻力相等。因此，振幅不随时间的变化而变化。

2)水润滑和半干摩擦条件时，随着转速的升高，单位时间内被卷入橡胶内衬与主轴之间的水增多，则有利于建立水膜，因此，主轴转速为100 r/min时所受到的摩擦阻力较小，振幅值亦小；而30 r/min和60 r/min时，由于摩擦副之间的水不足以建立水膜，为边界润滑和混合润滑，润滑水膜间歇性的破坏与修复导致了轴承不规律的波动。因此，振幅随时间呈不规律波动变化。而干摩擦时，随着转速的增加(30→60→100 r/min)，橡胶内衬连续发生两次弹性变形的时间间隔减小，使得弹性形变很难恢复，因此，振幅值随着转速的增加逐渐减小。

3)水润滑条件下振幅值的变化范围为0.25～0.81 mm；半干摩擦的变化范围为0.27～0.69 mm；干摩擦的变化范围为0.92～2.57 mm。

3.2 水润滑轴承试块的真实工作状态

为了方便观察轴承试块内衬的工作状态，将水润滑橡胶艉轴承试块的振动在水平方向和垂直方向上分解：采用荧光笔在橡胶内衬的侧面画以等距的垂线和水平线，见图11、图12。

3.2.1 水平方向

如图11，p=0表示未加载荷，p≠0表示施加载荷；n=0表示试验主轴静止，n≠0表示主轴转动。由图11a)所示，p和n均为0时，轴承试块的橡胶层几乎无变化，而在静止状态下，只要加压就会有压缩变形，见图11b)。当轴转动时，沿旋转方向发生明显的变形，如图11c)所示，并且该变形呈高频振动状态。

水润滑橡胶艉轴承试块的橡胶内衬为高弹性体。高转速时，振动的频率和振幅是相对稳定的，但在低转速时振动频率和振幅呈现周期性的变化。当试块处在边界润滑状态时，橡胶层的变形出现滞后现象，这种现象称为粘-滑现象，它会诱发振动和尖叫声。而在实际操作中，低转速是无法避免的，每种材料发生粘-滑的临界转速也是不同的。因此，应尽量减小在临界转速下的停留，或者规避这种转速。

3.2.2 垂直方向

等距水平线间距的变化代表着轴承试块垂直方向的振动，其幅值说明振动的强弱。由图12可见，当承载压力p和主轴转速n变化时，水平线的间距变化较小。同时加速度传感器的测量结果显示，轴承试块垂直方向的振动幅值数量级为10-6m，水平方向上的数量级为10-3m。由此可见，当润滑水充足时与水平方向的高频振动相比，垂直方向上的振动是很小的。

4 结论

1)由加速度传感器所测得的水润滑橡胶艉轴承的振动频率范围(小于2 kHz)，可确定高速摄影机拍摄频率(2 000帧/s)。

2)不同润滑条件下，水润滑橡胶艉轴承振动幅值随转速的升高逐渐降低，且真实变化范围为：水润滑为0.25～0.81 mm；半干摩擦为0.27～0.68 mm；干摩擦为0.92～2.57 mm。

3)水润滑艉轴承的高频振动主要为水平方向上弹性变形引起的摩擦振动所致，而垂直方向的较小。

以机器视觉技术(高速摄影和图像处理)为手段，建立振动幅值与转速、比压以及润滑条件之间的关系体系，可为进一步研究水润滑橡胶艉轴承减振降噪技术提供技术支持和理论依据。

[1] BHUSHAN B. Stick-slip induced noise generation in water-lubricated compliant rubber bearings[J]. Journal of lubrication technology,1980,102:201-212.

[2] Orndorff R L. New UHMWPE/rubber bearing alloy[J]. Journal of tribology,2000,122(1):367-373.

[3] 王凤伟.机器视觉测量系统的研究与应用[D].合肥：合肥工业大学，2006.

[4] 郑睿.机器视觉系统原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[5] MIL-DTL-17901C(SH). Detail specification bearing components, bonded synthetic rubber, water lubricated[S]. America: the Naval Sea Systems Command, Department of the Navy,2005.

(1.武汉船用机械有限责任公司 技术中心，武汉 430084；2.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063；3.湖北海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430064)

Measuring Methods about Vibration of Water Lubricated Rubber Stern Tube Bearing Based on the Machine Vision Technology

YAN Zhi-min1, ZHOU Xin-cong2, QIU Xiao-feng1, ZOU Bin1, WANG Jian-qiang1, JIA Xue-li3

(1.Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3.Chinese Institute of Marine & Offshore Engineering (Hubei). Co., Ltd., Wuhan430064, China)

The vibration of water lubricated rubber stern tube bearing was studied by machine vision technology. The results showed that under the pressure of 0.28 MPa, the vibration amplitude of the water lubricated rubber stern tube bearing is about 0.25～0.81 mm in water lubrication, 0.27～0.68 mm in semi-dry friction, and 0.92～2.57 mm in dry friction. The vibration frequency is within 2 kHz. The method can be used to record and analyze the real motion state, changing of elastic deformation and vibration with the time, speed and lubrication condition of the water lubricated rubber stern tube bearing.

water lubricated rubber stern tuber bearing; high speed camera; accelerometer; vibration; lubrication condition

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.015

2016-08-23

闫志敏(1983—)，男，博士，工程师研究方向:水润滑艉轴承材料、摩擦振动以及纳米自修复技术

U664.21

A

1671-7953(2017)01-0062-05

修回日期：2016-09-10