船用可倾瓦推力滑动轴承监测试验台的研制

张 蒙， 郭文勇， 韩江桂

(海军工程大学， 湖北 武汉 430033)

船用可倾瓦推力滑动轴承监测试验台的研制

张 蒙， 郭文勇， 韩江桂

(海军工程大学， 湖北 武汉 430033)

为提高船用可倾瓦推力滑动轴承运行可靠性提供参考，通过采集相关参数研究滑动推力轴承运行规律和润滑性能，设计构建一型滑动推力轴承试验台以用于研究。试验台通过变频电机实现不同转速条件，以液压加载系统来模拟轴向推力载荷，在轴瓦上布置压力、油膜厚度、温度传感器测点测量参数，编制试验台的数据采集系统。设计试验台的控制系统，并编制控制界面。通过调试，该实验台设计达到预期要求，显示出良好的操控性能。

推力滑动轴承；试验台；液压加载；测控系统

0 引言

可倾瓦推力滑动轴承广泛应用于船舶推进轴系中，随着船舶总体性能的提高，推力负载大幅度增加，瓦块平均单位比压增大，变形也显著增大，且温度大幅升高，难以形成有效的润滑油膜[1]，导致局部缺油易引起“烧瓦”事故。设计滑动推力轴承试验台有助于研究滑动推力轴承的运行规律和润滑性能，探寻故障机理。试验台需模拟不同工况下的轴承运行状态，并有效调节运行状态，同时监测不同工况下的轴承参数。目前有针对轴承的部分研究都通过试验台来开展，不仅模拟了满足不同试验载荷需求的液压加载系统，并且开展了轴瓦表面材料、推力轴承稳态性能研究以及不同油的热属性对润滑性能的影响等试验研究[1-4]。通过监控推力轴承运行时的油膜参数，研究不同工况下的轴承运行规律，从机械系统和测控系统两方面设计试验台。机械系统需实现不同转速、不同载荷条件，测控系统需监测不同工况下的轴瓦压力分布、油膜厚度分布和温度分布，并控制调整转速和载荷。

1 机械系统总体设计

通过试验开展推力轴承润滑性能、运行状态的监测以及故障机理相关方面的研究，设计试验台机械系统需模拟推力滑动轴承运行时转速和载荷等不同工况，能在一定范围内无级调速和对载荷的较准确控制，加载系统需对载荷精确控制，具有负反馈调节的功能，具备自锁能力，使轴承能得到某一稳定的轴向推力以及手动和自动控制的能力。

试验选用TZ75可倾瓦推力滑动轴承，主要由带推力盘的轴、推力瓦块、径向滑动轴承、底座、轴承盖以及骨架油封等组成。船用推力轴承通常为水平布置，故试验台采用卧式结构。图1为试验台的结构原理图。以液压加载作为加载方式，液压缸作为液压系统的执行元件，以变频电机作为试验台的原动机。变频电机通过弹性联轴器，带动推力轴承运动；轴向推力通过与液压缸相连的推力轴承尾端法兰传递到推力盘上；轴向推力由力传感器反馈回液压系统，通过控制系统来控制轴向力的大小。

图1 推力轴承试验台架

设计液压系统来实现试验台轴向力的加载，图2为液压加载系统的原理图。

图2 液压加载系统原理

液压加载阶段：泵2启动，4Y得电，二位二通电磁换向阀右路接通，液控单向阀9开启；2Y得电，三位四通电磁换向阀左位接通，实现加载，通过输入不同大小的电信号到比例溢流阀，通过调节无杆腔的油压来实现加载力大小的控制。保压阶段：当液压缸的加载力到达预定载荷时，4Y和1Y掉电，二位二通电磁换向阀左位接通，三位四通电磁换向阀在弹簧作用下回到中位，此时，液控单向阀锁紧，系统处于保压状态。卸载阶段：4Y和2Y得电，三位四通电磁换向阀右位接通，液控单向阀开启，加载系统卸载。按设计搭建试验台如图3所示。

图3 试验台实物

2 测控系统设计

推力滑动轴承需要测量的参数包括：油膜压力、油膜厚度、油膜温度、轴向推力、供油温度、供油压力等。根据被测对象的类型、数值范围、安装布局的条件以及被测参数的重要性，考虑传感器的量程、精度、灵敏度等性能参数确定测点。

压力的最大值出现在瓦块的支点附近，压力测点的布置应该围绕支点位置来布置，能测取或推算到油膜压力的最大值，反映出压力沿径向和周向的变化规律，根据各测点的实测数值推算出整个压力场的分布。油膜温度的最大值靠近外径处、出油边，而进油边的温度变化率较小，观察润滑参数沿径向和周向的变化趋势。温度传感器的布置在出油边较为密集，避开了支点的影响，能更精确地得到此区域油膜温度的分布情况。油膜厚度采用电涡流传感器来测量，选择嵌入式电涡流传感器，使探头表面与轴瓦表面平齐而不影响测量结果。确定3个电涡流传感器的位置，根据3点的实际测量值，可推算出整个瓦块的倾斜状态和瓦面上任意一点与推力盘之间的距离。

轴承的润滑性能与润滑油的供油温度、供油压力、转速以及载荷密切相关，试验过程中对上述4个参数分别予以测量和控制。液压系统的工作流程以及对加载力的控制设计测控系统电路原理如图4所示。

图4 测控系统电路原理

直流电源组包括24 V开关电源和±12 V线性电源。开关电源为中间继电器组、电磁阀组、压力传感器前置器、按钮开关、PT-08温度采集模块、可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)等提供24 V电源；线性电源(±12 V)为电涡流传感器的前置器供电。

计算机检测、控制现场设备通过数据采集与外界相连。采用图形化软件开发环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabView)来编制测控系统的界面。现场设备通过OPC(OLE for Process Control,用于过程控制的OLE，是一个包括接口、属性和方法的工业标准)的服务端将共享变量传递到上位机，达到控制的目的。采用OPC技术实现DAM-PT08采集模块和PLC实现与LabView之间的通信。按照加载系统方案和测控系统的电气原理，分配I/O口资源。对于电机、液压泵等，采用硬件触发和软件触发相结合的控制方式。对于加载系统的保压、散热系统的启停，采用软件触发的方式来控制。力传感器、温度传感器的数据与软件设定值进行比较，达到触发值时，相应元件按照程序执行相应的动作。对于加载系统的比例溢流阀，则要求PLC具有模拟量输出的功能。控制系统程序采用STEP-7(西门子工控系列产品编程软件)编制。采用OPC技术实现上位机对PLC的控制，设计典型的数字量控制系统PLC控制程序。使用LabView实现计算机与现场设备的通信，建立现场设备与PC之间的动态连接关系。通过DataSocket技术(一种面向测控领域的网络通信技术)，实现PLC与LabView的动态连接。建立的共享变量，在LabView中通过DataSocket数据绑定编制试验台控制系统的界面，如图5所示。

数据采集界面如图6所示。界面能实时显示温度、压力和厚度，具备数据采集、数据保存的功能。数据显示控件均按照传感器实际布置来排列，可直观了解实际推力轴承运行的状态。当图中传感器变化趋势趋于稳定时，即可进行实验数据的保存。

图5 控制系统界面

图6 数据采集界面

3 结束语

为研究转速、载荷、温度等参数对推力滑动轴承润滑性能的影响，设计了推力滑动轴承试验平台的机械系统、数据采集系统、控制系统，完成了控制界面和数据采集界面的编制。经联机调试和试验测试，机械系统基本满足功能需求。试验台整体运行平稳、无冲击、振动情况良好。实现了通过比例溢流阀调节液压缸的压力模拟不同的轴向推力。液控单向阀和“M”型中位机的三位四通换向阀在保压阶段能较长时间保持加载力的稳定。试验台的控制系统和数据采集系统编写了PLC程序，采用OPC通信技术和DataSocket通信技术，实现了上位机软件LabView与PLC以及数据采集模块之间的通信。通过该试验台可进一步试验研究推力滑动轴承的运行状态和规律，为动态监测推力滑动轴承的运行提供了方法和途径，为进一步研究故障原因提供了试验平台。

[1] 胡荣华.船用滑动推力轴承结构设计研究[J].船海工程，2007,27(5)：60-64.

[2] 李永海，刘从民.小型推力轴承模拟试验台液、静压系统设计与应用[J].哈尔滨电工学院学报，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] 朱增辉，郭文勇，孙云岭，等.一种船舶动力装置监控系统诊断仪的研制[J]．机械与电子，2015(9)：37-39.

[6] 郭文勇，朴甲哲，张永祥.柴油机缸套磨损故障的机体振动监测研究[J].振动、测试与诊断，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

张 蒙(1989-)，男，助理工程师，研究方向为舰船机械装备保障技术。

1000-3878(2017)01-0053-05

U662

A