基于虚拟仪器的尼龙轴承摩擦磨损实验机设计.pdf
收稿日期: 2006 - 04 - 20 作者简介:刘硕,男,硕士研究生,主要从事虚拟仪器的开发 工作. 基于虚拟仪器的尼龙轴承摩擦磨损实验机设计 刘 硕 朱新河 徐久军 (大连海事大学轮机工程学院 辽宁大连116026) 摘要:介绍了所设计的基于虚拟仪器技术的水润滑轴承摩擦磨损实验机。该系统除了具有传统水润滑轴承试验机的 功能外,在实验机的测量和控制过程中还采用了 “ 虚拟仪器 ”技术。该实验机已经应用于尼龙轴承极限值的检测中, 并且取得了良好的效果。 关键词:磨损实验机;虚拟仪器;水润滑轴承 中图分类号:TH133 文献标识码: A 文章编号: 0254 - 0150 (2006) 7 - 168 - 3 The Design of Friction andWear Tester for Nylon Bearing Based on Virtual I nstrument Liu Shuo Zhu Xinhe Xu J iujun (Marine Eng . College, DalianMaritime Univ . ,Dalian Liaoning 116026, China) Abstract:Based on virtual technology, a new friction and wear tester used for the testing of the water2lubricated bearing was put forward. The tester applies virtual technology in its measuring and controlling procedure, and has the traditional testers functions . The tester has been used in the testing of the nylon bearings and has achieved good effects . Keywords:wear tester; virtual instrument;water2lubricated bearing 由于水具有无污染,来源广泛、节省能源、安全 性、难燃等特性,水润滑轴承在近些年来得到了迅速 发展。尼龙轴承作为水润滑轴承的一种,不但具备以 上所有水润滑轴承的优点,还有材料便宜、易于合成 等特点,所以在船舶机械中广泛运用,如水泵轴承、 舵机轴承等,都可以采用水润滑轴承。 为了测定尼龙轴承的性能参数指标,本文作者研 究设计了一种基于虚拟仪器技术的尼龙轴承摩擦磨损 实验机,用于对尼龙轴承在各个转速下的极限载荷进 行测量。 1 尼龙轴承主要参数 实验机主要就是为了测量尼龙轴承的极限pv值, 也就是轴承的极限压强和滑动速度的乘积。极限压强 根据公式(1)进行计算: p=W /L×d(1) 式中: p为尼龙轴承极限压强,即为所求值; W为尼 龙轴承所能承受的极限载荷(N ); d为尼龙轴承内 径(mm ); L 为尼龙轴承长度(mm)。 滑动速度根据公式(2)计算: v= ×D×n /60×1 000(2) 式中: D为钢轴套外径(mm ) ; n为主轴的转速 (m /s)。 判断尼龙轴承载荷是否到达极限主要有以下3个 评断标准:轴承表面温度剧烈上升;摩擦力明显上 升;磨损量超标。鉴于此,除以上数据外,尼龙轴承 的磨损实验还需要测量的参数有:尼龙轴承与钢套之 间的摩擦力、尼龙轴承外表面的温度、尼龙轴承的磨 损量以及电动机的电流和电压等。 2 摩擦磨损实验机的设计 211 硬件设计 图1 实验机结构图 实验机的主 要摩擦副由尼龙 轴承试样和钢套 构成。加载时对 试样施加径向载 荷,从硬件结构 来看,该实验机主要由图1所示的几个部分组成。 按照功能分类,整个实验机可以分为以下4个系 统。 21111 传动系统 传动系统的作用主要是保证轴套以给定的转速旋 转,并要求转速精确到5% ,钢轴套安装部位轴的径 向跳动小于0101 mm。传动系统设计主要就是动力装 置的选择,转动装置之间连接器的选择以及调速装置 的选择。 在考虑了实验机可能的最大载荷后,选择最大功 率为615 kW,最大转速为3 000 r/min的三相交流异 2006年7月 第7期(总第179期) 润滑与密封 LUBRICATI ON ENGI NEERI NG July 2006 No17 ( serialNo1 179) © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.cnki.net 步电机作为整个实验机的动力装置。选用弹性联轴节 作为连接设备以减少振动。实验机转速的调节依靠变 频器来实现。以上选择经实践验证可以符合传动系统 对速度、稳定性以及动力输出的要求。 需要特别说明的是,为了降低整个系统的复杂程 度,选择了直联作为电动机和主轴的连接方式,这样 做的好处是结构比较简单。 21112 加载系统 实验机对于加载系统的要求是能够对试样施加稳 定的径向载荷,精确到2%以内。 考虑到成本,实验机采取手动加载的方式。根据 估计出的尼龙轴承极限载荷的大小,选择了丝杠加杠 杆的加载方式。这样既可以连续加载,又可以把所加 载荷通过杠杆进行放大作用到试件上面,从而弥补了 直接手动加载不能太高的缺点。 21113 润滑系统 所有磨损实验都要考虑润滑问题。这个实验机的 润滑介质主要是自来水或者海水,润滑介质的输送是 通过离心泵来实现的。 需要指出的是,润滑液的温度和在实验机入口处 的压力对最终结果有一定影响,所以在做每一组实验 时,要保证温度和水压不能波动太大。 21114 测量和记录系统 实验机的测量系统主要完成以下工作: (1)测定和记录磨损,其随机均方根差小于 3%。 (2)测定和记录摩擦力矩,其随机均方根差小 于215%。 (3)测定和记录温升,误差小于5。 (4)测定和显示试样所受的实际载荷。 根据以上要求,采用量程为9 800 N,精度为 1%的应变片式的拉(压)力传感器测量试样所受的 的摩擦力和所受载荷;选择直径为015 mm的铠装热 电偶测量轴承外表面温度;选择百分表测量磨损量。 在数据记录方面,为了便于实验现场人员方便地 读取数据。在选择使用计算机记录数据的同时,将各 路传感器测得的数值直接通过电表显示。 212 虚拟仪器设计 在试验机的数据采集方面,采用了现在比较流行 的 “ 虚拟仪器技术 ”将测量数据用电脑记录。虚拟 仪器(Virtual Instrument)利用高性能的模块化硬件, 结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化 的应用。虚拟仪器主要由以下部分组成:传感器、信 号变送装置、数据采集卡、计算机以及专用软件等。 虚拟仪器具体结构如图2所示。 图2 试验机测试系统模块结构图 在具体应用方面选择了LabView作为虚拟仪器的 编程软件。虚拟面板如图3所示。 图3 实验机虚拟面板 该软件主要由2部分组成:显示数据部分与程序 控制部分。 显示部分的功能主要是显示一段时间内的温度、 摩擦力以及摩擦因数的变化趋势;实时显示摩擦力和 温度值、摩擦因数;实时显示载荷的大小;实时显示 电机转速的大小,并具备对特征图表的拍照功能。 控制部分可以对电机的转速、数据采样间隔以及 程序的执行与否进行控制。实验过程中所有数据全部 存放到Excel文件中,可以在试验后进行详细分析。 3 系统应用实例 按照国标对尼龙轴承试样进行实验,选择速度 0175 m /s (136 r/min) ,预加载(9 800 N) ,磨合30 min。此后每隔10 min加载735 N。载荷加到2 940 N 时数据如图4所示。 图4 LabView程序运行情况 从程序中的趋势图可以看出,每次加载摩擦力轴 承表面温度都会产生明显上升。但在第二次加载运行 9612006年第7期刘 硕等:基于虚拟仪器的尼龙轴承摩擦磨损实验机设计 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/www.cnki.net 一段时间以后,轴承在未加载的情况下出现摩擦力上 升的情况,由此判断,轴承试样已经达到载荷极限 值。需要说明的是。程序前面板的图表只是提供一些 直观的依据,具体的实验数据都已经记录到Excel文 件中,可以在实验后进行进一步分析。 4 结论 采用基于虚拟仪器技术设计和实现的摩擦磨损实 验机,利用LabVIEW的强大功能,可以设计出各种 风格的虚拟控制面板和完成各种记录、分析工作,从 而简化了实验机的控制与记录分析系统。所设计的摩 擦磨损实验机可以用于对尼龙轴承的极限载荷等进行 精确检测,可以为相关产品的检验和生产控制提供依 据。 参考文献 【1】杨乐平,等.LabV IEW高级程序设计M .北京:清华 大学出版社, 2003. 【2】Jia Junhong, Chen Jianmin, Zhou Huidi, et al .Friction and wear properties of bronze2graphite composite underwater lubri2 cation J .Tribology International, 2004, 37 (5) : 423 - 429. 【3】王家序,陈战,秦大同.水润滑轴承的摩擦性能研究 J.机械工程材料, 2002 (11) : 16 - 18. Wang Jiaxu,Chen Zhan,Qin Datong.Friction and Wear Characteristics of Bearings underWater Lubrication J . Ma2 terials forMechanical Engineering, 2002 (11) : 16 - 18. 【4】武和雷,朱善安,林瑞仲,等.滚动轴承故障诊断虚拟仪 器系统J .轴承, 2002 (12) : 34 - 39. 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(上接第159页 ) 3 中各主峰峰值,绘制各主峰峰值 随时间变化的曲线,详见图4。 图4 自修复工况下各主峰峰 值随时间的变化曲线 从图4可以看到, 在图3中的各主峰, 除最大峰值频率f2随 着修复时间明显变化 外,其余主峰频率随 修复时间变化不明显。 图3中最大峰值频率 f2随着修复时间延长, 峰值逐渐减少,到达 90 min时峰值降到最低, 90 min后峰值在小范围内起 伏变化,这与以前对于Ti2Si复合粒子自修复添加剂 的修复效果随时间变化规律的研究相一致。 3 结论 振动信号的特征频率与自修复效果有良好的相关 性,用振动信号在线检测自修复效果是可行的。 参考文献 【1】冯志鹏,宋希庚,薛冬新,等.旋转机械振动故障诊断理 论与技术进展综述J.振动与冲击, 2001, 20 (4) : 36 - 39. Feng Zhipeng, Song Xigeng, Xue Dongxin, et al .A summary of studies on rotary mechanical failure diagnosing theory and technique J .Journal of Vibration and Sock,2001,20 (4) : 36 - 39. 【2】李敏,周发荣.旋转机械频谱分析及故障诊断J.梅山 科技, 2003 (3) : 10 - 11. Li Min,Zhou Farong.The spectrum analysis and trouble diagnosing on rotary machine J .The Meishan Science and Technology, 2003 (3) :10 - 11. 【3】徐玉秀,原培新,杨文平.复杂机械故障诊断的分形与小 波方法M .北京:机械工业出版社, 2003: 30 - 47. 【4】董凌,陈国需,等.SiO2/SnO2复合纳米微粒添加剂的摩 擦学性能及其对磨损表面的修复作用研究J .摩擦学学 报, 2004, 24 (6) : 518 - 520. 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