基于Matlab_GUI 的推力球軸承性能實驗平臺開發

朱梓旭 向朝陽 方世紀 張大欽

（西南石油大學，四川 成都610000）

MATLAB 具有強大的繪圖功能和數據批量處理能力。Matlab 中的GUI（Graphical User Interface）工具可以嵌入已有的仿真程序, 又可以把仿真結果圖形畫出并以人機交互的動態形式呈現給客戶及操作者。同時，GUI 還為軟件開發提供了高集成度的開發環境，可有效提高效率。本文通過運用Matlab GUIDE結合M文件進行程序的編寫，運用Flag 文件進行檢測數據實時變化播放，以實現渦輪鉆具止推軸承仿真系統的搭建，用戶在使用的過程中無需了解回調程序是如何編寫的，只需掌握各種功能的使用方法就可以輕松操作系統。

渦輪鉆具推力球軸承的使用壽命是決定渦輪鉆具失效的重要因素，制約著回次進尺的長度。軸承節止推軸承處于大沖擊、高速度、高溫度、大載荷的惡劣工況，長時間承受鉆井液和巖液的沖蝕、磨蝕作用，工作面易出現壓潰、變形、破裂、腐蝕、脫落等工況。軸承表面的磨損總量超出限度時，將會造成渦輪定子、轉子等的失效。故對軸承表面振動頻率、轉速、溫度、潤滑劑流量等工況的研究至關重要。

本文的主要研究工作是基于GUI 對單副止推軸承進行測試，通過測試軸承的各項性能參數、繪制止推軸承的性能曲線，從而分析和研究延長軸承壽命的方法。

1 硬件部分

本測試系統的硬件部分又可細分為機械部分和測控硬件設備，機械部分的構成部分主要有主軸、支架、實驗主機殼體、整機臺架等等，這些組成部分相互配合，為整機的運行打下基礎的同時，也為測控硬件設備的裝配提供了必要的支持。系統的測控部分硬件有傳感器、電機、直流穩壓電源、開發板、數據采集卡等等，各部分的協調工作為數據的采集、傳輸和處理提供了有力的保障。

2 軟件部分

本測試系統的軟件部分通過matlab-GUI 仿真系統實現，通過構造一定的結構框架，如圖1，模擬一定轉速以及一定循環液流量情況下，改變相應因變量得到的振動，溫度的變化信息，并通過曲線圖等形式顯示出來。

3 測試結果

3.1 變轉速測量

圖1 GUI 仿真實驗圖

整機啟動并預熱完成以后，選定循環液流量值為0.5L/s，對推力球軸承進行測試，測試過程中會緩慢升高電機的輸出轉速，以觀察振動、溫度等參數的變化情況。需要說明的是，由于測試過程中參數值變化比較緩慢，每隔5min 采樣一次，繪制出在循環液流量為0.5L/s 時，軸承的振動情況同轉速之間的關系圖，如圖2 所示。需要說明的是，由于振動傳感器輸出的模擬電壓值與具體振動情況之間的聯系不明確，所以只能定性的表示出轉速與振動情況之間的關系。從圖中可以看出，在轉速較低的情況下，振動就會更強烈，這是由于電機在輸出轉速過低時，轉軸的自激振動就會比較強烈，而隨著輸出轉速的升高，此自激振動效應就會減弱，此時，軸承上產生的振動主要來源于軸承工作時與主軸之間的摩擦，當轉速高于某個臨界值時，由于摩擦作用加劇及材料發熱等原因，振動就會緩慢增強。

圖2 轉速- 振動的關系曲線

同理，也可繪制出溫度與轉速之間的關系曲線，如圖3 所示。由圖可知，當潤滑液流量不變時，軸承的溫度會隨轉速的增大而升高，這是因為，當軸承轉速增快，其摩擦功耗就會增大，從而導致軸承表面溫度增加。

圖3 轉速- 溫度的關系曲線

3.2 變流量測試

整機啟動并預熱完成以后，選定電機轉速為140r/min，對推力球軸承進行測試，測試過程中會緩慢升高循環液的流量值，以觀察振動、溫度等參數的變化情況。測試過程中參數值變化比較緩慢，數據為每隔5min 采樣一次所得，繪制出電機輸出轉速為140r/min 時，軸承的振動情況同流量之間的關系圖，如圖4所示。轉速之所以選定為140r/min，是因為在上述變轉速測試中，可以發現當轉速維持在此數值時，軸承的振動情況較弱，說明在此轉速下工作時，軸承和整機可以在較為穩定的情況下運轉。

圖4 流量- 振動的關系曲線

需要說明的是，由于振動傳感器輸出的模擬電壓值與具體振動情況之間的聯系不明確，所以只能定性的表示出振動情況與流量之間的關系。可以看出，在流量在較低的范圍內逐漸增長的過程中，軸承的振動情況的變化并不明顯，當流量超過某一臨界值時，振動就會加劇，這是因為以高流量循環的潤滑液會在潤滑軸承的同時對軸承造成一定的沖擊，從而導致振動加劇。

同理，也可繪制出溫度與流量之間的關系曲線，如圖5 所示。從圖中可以看出，在轉速固定的情況下，軸承工作時的溫度與潤滑液流量基本呈現負相關的關系，這是因為隨著流量的增加，潤滑液帶走軸承表面熱量的效率會更高，軸承的因摩擦而發熱的狀況就會得到緩解。

圖5 流量- 溫度的關系曲線

4 結論

本文以繪制動力鉆具止推軸承的性能曲線為目的，結合實際工況，設計了一套微型止推軸承性能測試系統。模擬了兩種環境下微型推力軸承的實驗工況，成功獲取到了它們工作時的性能參數，并根據采集的參數繪制出了測試軸承的性能曲線。