滑動軸承試驗(yàn)臺計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)的研究

摘要：本文為一滑動軸承試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)了一套PC測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠測量滑動軸承中動壓油膜沿軸向、周向的壓力分布情況，所測壓力信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，可直接送入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，而且測量結(jié)果與理論分析結(jié)果相一致。

關(guān)鍵詞：滑動軸承；試驗(yàn)臺；傳感器；PC測試系統(tǒng)

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)16-21342-03

The Computer Measuring System Development of Hydrodynamic Lubrication Journal Plain Bearing Test Stand

WU Li-ying

(Inner Mongolia Science and Technology University， Bao Tou Teacher College， Baotou 014030，China)

Abstract: The paper designed the PC Mesuring System for a Plain Bearing Test Stand. The system can measure the pressure distribution in lubricating film in the axial direction and around the circle. The pressure signal is changed into numerical signal by A/D. Then it is sent to the computer through which data are gathered and processed. And the experimental result is consistent with the analytic result of the theory.

Key words: Plain bearing;Test stand;Sensors;PC Measuring Systems

對于工科類高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生而言，“機(jī)械設(shè)計(jì)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在學(xué)習(xí)該課的“滑動軸承”這一章內(nèi)容時(shí)，為了幫助學(xué)生獲得關(guān)于流體動壓滑動理論的感性知識，加深他們對流體動壓滑動軸承承載機(jī)理的理解，許多高校開設(shè)了“流體動壓滑動軸承實(shí)驗(yàn)課”，但是據(jù)調(diào)查，許多學(xué)校由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，測量裝置不靈敏，數(shù)據(jù)采集和處理手段落后而達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑵M足不了教學(xué)要求，有的學(xué)校已經(jīng)停止了流體動壓滑動軸承實(shí)驗(yàn)課。基于此種情況，我們重新研制了一臺新型滑動軸承試驗(yàn)臺，本文主要闡述此試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 滑動軸承試驗(yàn)臺試驗(yàn)軸承結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)臺的滑動軸承的軸瓦設(shè)計(jì)為剖分式結(jié)構(gòu)，它由上、下半瓦組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)軸承結(jié)構(gòu)圖

Fig. 1 Tested Bearing Structure Chart

2 試驗(yàn)臺的測試要求及測試方法

2.1 測試的必要性

隨著科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的以儀器、儀表為主的測試方式已逐漸被以計(jì)算機(jī)為核心的現(xiàn)代測試系統(tǒng)所取代，這就要求新型流體動壓徑向滑動軸承試驗(yàn)臺能通過新的測試手段更好地反映軸承的實(shí)際工作情況。

2.2 測試要求

本試驗(yàn)臺主要用于研究不同參數(shù)下滑動軸承中動壓油膜的壓力分布情況，壓力是我們測試的關(guān)鍵物理量，此待測量是一非電量，需要通過電測方法將其變換成與它相關(guān)的電信號（電壓、電流、頻率等）。

由于本試驗(yàn)臺兼具教學(xué)和科研多方面工作的需要，對其壓力測試系統(tǒng)提出了更高的要求：1)要能測量滑動軸承中動壓油膜完整的周向、軸向壓力分布；2)能夠快速進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測量；3)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行信號分析處理。

欲滿足這些要求，需要構(gòu)建基于PC的測試系統(tǒng)。試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)以PC機(jī)為核心，能最大限度地完成測試的全過程。既能實(shí)現(xiàn)信號的檢測，又能對信號進(jìn)行分析和處理。

2.3 油膜壓力的測試方法

本文為了獲得連續(xù)的周向、軸向壓力分布曲線，采用傳感器法來測量油膜壓力。圖1試驗(yàn)軸承結(jié)構(gòu)示意圖中表示出了采用此法時(shí)測試裝置的安放位置，壓力傳感器被安裝在試驗(yàn)軸的徑向孔內(nèi)，隨軸一起轉(zhuǎn)動，可以獲得傳感器所在截面的連續(xù)的周向壓力分布曲線。沿軸向移動試驗(yàn)軸時(shí)，還能測得連續(xù)的軸向壓力分布曲線。

3 測試系統(tǒng)工作原理及其組成

3.1 測試系統(tǒng)工作原理

試驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)用于將基本形式的輸入—壓力—轉(zhuǎn)換為模擬量，然后對它進(jìn)行加工，并作為輸入的已知函數(shù)從輸出端輸出。本世紀(jì)以來，隨著半導(dǎo)體集成電路和數(shù)字計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，測試系統(tǒng)逐漸走向數(shù)字化、自動化、集成化、多功能化和快速化。由于微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了各類自動綜合測試系統(tǒng)。本文的測試系統(tǒng)主要包括壓阻式壓力傳感器、放大電路板、集流器、數(shù)據(jù)采集板和計(jì)算機(jī)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)組成圖

Fig.2 The Measuring System of the Test Stand

其工作流程是：首先壓力傳感器將獲得的壓力信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，放大電路將此微弱電量加以放大，成為幅值適量的連續(xù)變化的模擬量，該模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為與其等量的數(shù)字量輸入微機(jī)進(jìn)行數(shù)字化分析處理，最后獲得被研究對象的各種結(jié)果，并可在終端屏幕上顯示或通過打印機(jī)打印數(shù)據(jù)和繪制圖形。微機(jī)的引入不僅提高了測試精度，而且增加了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 測試系統(tǒng)組成

傳感器將非電物理量—壓力轉(zhuǎn)換成電量的裝置。它在測試系統(tǒng)中占有十分重要的地位。由于試驗(yàn)軸承相對間隙較小，為減弱安裝在軸上的測試裝置對原流場的干擾，減輕測試點(diǎn)處因安裝傳感器而產(chǎn)生的壓力值的變化，本文采用微型化的半導(dǎo)體壓力傳感器進(jìn)行測量。

由于傳感器的輸出電壓太小，只有0～100mv ，為減小量化誤差和抵抗外界干擾，中間采用放大電路將傳感器輸出轉(zhuǎn)換成為0～5V的、與A/D轉(zhuǎn)換器相適配的電壓信號。為把信號精確地傳輸出去，使測量結(jié)果受集流器影響較小，本文將放大電路和傳感器組裝成一體。這種結(jié)構(gòu)體積小、穩(wěn)定性好，便于安裝和操作。滿量程時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)輸出為0～5V。此種輸出方式精度高、共模抑制比高、輸入阻抗高、抗干擾性好。為了實(shí)現(xiàn)儀器之間的兼容性， A/D采樣板標(biāo)準(zhǔn)輸入為±5V，濾波器則允許更大的電壓值。

集流器用于把傳感器和放大電路的輸出信號引出軸外，防止信號線由于隨軸轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致纏繞。

計(jì)算機(jī)是整個(gè)測試系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)信號的采集、存儲、分析和處理，還負(fù)責(zé)分析結(jié)果的顯示和打印。

A/D轉(zhuǎn)換器[5]是模擬電路與數(shù)字電路的接口，用來將連續(xù)的電壓信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接受的數(shù)字信號。它的工作過程一般包括采樣，量化和編碼三個(gè)階段。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析方案

為了對所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析，突出有用信息，求取實(shí)驗(yàn)參數(shù)—壓力—的最佳測量值，最后能夠總結(jié)出試驗(yàn)軸承的壓力分布規(guī)律，我們利用程序設(shè)計(jì)語言MATLAB自編程序?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列的處理。

MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算語言，適用于信號處理、圖像處理以及工程問題求解等領(lǐng)域，它使用方便，輸入簡捷，運(yùn)算高效，內(nèi)容豐富，并且容易由用戶自行擴(kuò)展，當(dāng)前已成為美國及其它發(fā)達(dá)國家教學(xué)和科學(xué)研究中必不可少的工具，故本文采用MATLAB來分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理包括計(jì)算和畫圖，為完成這兩項(xiàng)任務(wù)，我們利用MATLAB語言分別編制了數(shù)據(jù)分析程序analyze.m和繪圖程序plot.m，前者用于分析計(jì)算由采樣程序采得的數(shù)據(jù)，后者用于將分析處理后的數(shù)據(jù)連接成光滑的實(shí)驗(yàn)曲線。

通過計(jì)算機(jī)調(diào)用采樣程序和數(shù)據(jù)分析處理程序，可以完成信號的在線分析處理，并能通過繪圖程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果方便而快速地呈現(xiàn)給實(shí)驗(yàn)者。

本文實(shí)驗(yàn)中，將現(xiàn)有的五套軸瓦逐一與軸進(jìn)行配合，通過分別調(diào)整加載系統(tǒng)的壓力、主軸轉(zhuǎn)速、潤滑油溫度來改變軸承的基本參數(shù)，在不同參數(shù)條件下，測量了軸承中壓力場的實(shí)際分布情況，獲得了各個(gè)參數(shù)對壓力分布的影響。下面是上述工況條件下所得的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)，所用試驗(yàn)軸承B的幾何參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)軸承的幾何參數(shù)

Table 1. Geometrical parameters of tested Bearing

下面是實(shí)驗(yàn)所得的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析。

1)流體動壓徑向滑動軸承中油膜沿周向的壓力分布

圖3是軸承B的同一截面位置在主軸轉(zhuǎn)速為900r/min、進(jìn)油溫度為18攝氏度、加載油壓分別為0.2、0.4、0.5Mpa條件下的周向壓力波形。

由圖可知：在其它參數(shù)相同的情況下，隨著軸承外載荷的增加，周向壓力分布曲線的壓力峰值在增大。這與理論分析結(jié)果相同。

圖3 流體動壓滑動軸承周向壓力分布曲線

Fig.3The pressure distribution in lubricating film around the circle

2)流體動壓徑向滑動軸承中油膜軸向的壓力分布

將B軸承在相同工況下所得的各個(gè)截面的壓力峰值進(jìn)行擬合處理，分別得到其沿軸向的壓力分布曲線，如圖4所示。

由圖可知：軸承沿軸向的壓力分布曲線呈拋物線型，并對稱于中截面。這與理論分析結(jié)果相同。

圖4 流體動壓滑動軸承軸向壓力分布曲線

Fig.4The pressure distribution in lubricating film in the axial direction

5 結(jié)束語

試驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)能夠快速實(shí)時(shí)地測量滑動軸承中動壓油膜沿周向、軸向的壓力分布情況，并能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)信號分析處理，所測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠反映流體動壓徑向滑動軸承的壓力分布規(guī)律及其影響因素，可靠性和可重復(fù)性較好，其開發(fā)研制是成功的。

參考文獻(xiàn)：

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。