一种测试真实环境下水润滑轴承性能的试验装置

摘要

本发明属于试验装置技术领域，并公开了一种测试真实环境下水润滑轴承性能的试验装置。该试验装置包括载荷模拟模块、试验轴、试验水润滑轴承、环境模拟模块以及测量模块，其中：所述载荷模拟模块包括扭矩输出单元、纵向载荷输出单元以及横向载荷输出单元，所述环境模拟模块包括水循环单元和水流控制单元，所述试验轴穿过所述水循环单元，所述测量模块用于测量所述试验轴的转速和位移以及所述试验水润滑轴承的负荷及内部压力分布。本发明能够有效模拟试验水润滑轴承工作时的真实环境和受力状况，通过该试验装置，可实现在水润滑轴承设计过程中对不同环境因素考虑不足的情况，提高水润滑轴承设计的准确性、实用性。

说明书

技术领域

本发明属于试验装置技术领域，更具体地，涉及一种测试真实环境下水润滑轴承性能的试验装置。

背景技术

水润滑轴承是利用水作为润滑介质的一种轴承，相对于油润滑轴承其具有：无污染、结构形式简单、高速工况下摩擦系数小等优点，在船舶轴系中的应用越来越广泛。水润滑轴承是利用水的流动带走摩擦的热量，在轴的工作转速达到一定条件时候形成一层水膜能够进一步的减小摩擦。

中国专利CN201811203430公开了一种水润滑轴承性能试验装置，包括底座，所述底座上安装有伺服电机、传动装置、从动装置和水箱，所述伺服电机的轴上安装有主动带轮，主动带轮与传动装置上的从动带轮利用传动皮带相连接，从动装置中从动轴的后端贯穿水箱，从动轴穿过水箱的部分安装水润滑轴承装置组。该发明的目的是解决船舶轴系水润滑轴承在性能测试过程中要承受动态转矩、轴承试验比压、不同径向载荷、水压等工况，通过对模拟实船轴系运行状态下对轴系水润滑轴承性能。但是，该装置主要基于轴承的可方便装卸，因此主要提出水箱的结构形式，而未提及水箱应该达到的环境功能效用，并没有实现对水质情况、来流速度等外界真实因素的模拟，同时，没有考虑横向加载，也没有考虑轴承转角对轴承性能的影响。中国专利CN200720087638公开了一种船舶水润滑艉轴承试验装置，包括变频交流电机、减速器、中间轴、中间轴承、前轴承支架、前轴承,试验轴,舵轴承支架、加载装置、底座、冷却润滑系统、测试系统。该专利采用了相似理论建立与实船艉轴承运行状态相似的试验装置。但是，该装置结构复杂，试验轴承所采用的水流通方式都为强制水润滑方式，并没有实现对水质情况、来流速度等外真实因素的模拟，同时，该装置压力分布测试方式为将应变是压力传感器沿轴承轴向布置在尾轴承外壁与尾轴承支架之间，难以准确测量轴承内的真实不均匀分布压力。

相应地，本领域亟待提出一种测试真实环境下水润滑轴承性能的试验装置，能够有效模拟试验水润滑轴承工作时的真实环境和受力状况，可实现在水润滑轴承设计过程中对不同环境因素考虑不足的情况，提高水润滑轴承设计的准确性、实用性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种测试真实环境下水润滑轴承性能的试验装置，其中通过工作中试验水润滑轴承与试验轴的相互作用的特征，相应的设计了测试真实环境下水润滑轴承性能的试验装置，并对其关键组件如载荷模拟模块、环境模拟模块以及测量模块的结构及其具体设置方式进行了研究和设计，相应的能够有效模拟试验水润滑轴承工作时的真实环境和受力状况，通过该试验装置，可实现在水润滑轴承设计过程中对不同环境因素考虑不足的情况，提高水润滑轴承设计的准确性、实用性，适用于水润滑轴承在不同工况下的磨损量及性能的测试。

为实现上述目的，本发明提供了一种测试真实环境下水润滑轴承性能的试验装置，包括载荷模拟模块、试验轴、环境模拟模块以及测量模块，其中：

所述试验轴用于安装待试验的试验水润滑轴承，所述载荷模拟模块包括扭矩输出单元、纵向载荷输出单元和横向载荷输出单元，所述扭矩输出单元设于所述试验轴一端，用于向所述试验轴施加扭转力，所述纵向载荷输出单元设于所述试验轴的另一端，用于向所述试验轴施加沿所述试验轴轴向的纵向载荷，所述横向载荷输出单元设于所述试验轴的中部，用于向所述试验水润滑轴承施加横向载荷并改变所述试验水润滑轴承的转角；

所述环境模拟模块包括水循环单元和水流控制单元，所述试验轴穿过所述水循环单元，所述水循环单元为所述试验装置提供模拟的水环境，所述水流控制单元包括设于所述水循环单元中且套设在所述试验水润滑轴承外表面的轴管以及设于所述轴管两端的可缩放的挡水板；

所述测量模块用于测量所述试验轴的转速和位移以及所述试验水润滑轴承的负荷及内部压力分布。

进一步的，所述水循环单元包括循环水槽以及可控温储水箱，所述循环水槽与所述可控温储水箱通过隔热进水管和隔热出水管相连，进而形成闭合的水循环回路。

进一步的，所述隔热进水管与所述可控温储水箱的连接点与水平面的距离小于所述隔热出水管与所述可控温储水箱的连接点与水平面的距离；所述隔热进水管与所述循环水槽的连接点与水平面的距离大于所述隔热出水管与所述循环水槽的连接点与水平面的距离。

进一步的，所述隔热出水管上设有流量控制阀和杂质过滤器，其中，所述杂质过滤器设于所述隔热出水管与所述可控温储水箱的连接点处；所述隔热进水管上设有真空吸水泵和截止阀。

进一步的，所述水循环单元还包括设于所述循环水槽内的异物施加器。

进一步的，所述扭矩输出单元包括依次相连的电机、弹性联轴节、推力轴承以及转矩输出轴，其中，所述转矩输出轴和所述试验轴通过联轴节进行连接；

所述纵向载荷输出单元包括依次相连的轴向加载气囊以及推力输出轴，其中所述推力输出轴和所述试验轴通过联轴节进行连接；

所述横向载荷输出单元设置有多个，且每个所述横向载荷输出单元均包括液压加载器以及与所述液压加载器相连的推力杆，所述液压加载器用于推动所述推力杆做往复运动。

进一步的，所述联轴节为液压联轴节、万向联轴节或十字联轴节。

进一步的，所述测量模块包括位移传感器、转速传感器、探针式压力传感器，其中，所述位移传感器和转速传感器设于所述试验轴的外侧，所述探针式压力传感器设置有多个，且多个所述探针式压力传感器均匀设于所述试验水润滑轴承内，用于测量所述试验水润滑轴承的压力分布。

进一步的，所述测量模块还包括设于所述液压加载器与所述推力杆之间的载荷传感器，用于测量所述试验水润滑轴承的负荷。

进一步的，所述试验水润滑轴承与所述试验轴之间还设有铜套。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过对其关键组件如载荷模拟模块、环境模拟模块以及测量模块的结构及其具体设置方式进行了研究和设计，相应的能够有效模拟试验水润滑轴承工作时的真实环境和受力状况，如通过调控环境模拟模块来改变水质环境、来流速度、水温以及通过水润滑轴承的流速等，通过载荷模拟模块来调节不同工况下水润滑轴承与试验轴的横向角度、相互作用力以及水润滑轴承的转角，同时结合测量模块来对各个数据进行实时测量和反馈，以获取水润滑轴承的压力分布及磨损量，可实现在水润滑轴承设计过程中对不同环境因素考虑不足的情况，提高水润滑轴承设计的准确性、实用性，具有真实性强、结构简单，操作方便的特点，适用于水润滑轴承在不同工况下的磨损量及性能的测试。

2.本发明水循环单元通过隔热进水管和隔热出水管将循环水槽和可控温储水箱进行连接，进而形成一个温度和水流速度可实时调控的闭合的水循环回路，以实现水润滑轴承在各种水流环境中工作的水况模拟。

3.本发明水循环单元内的异物施加器，以实现水润滑轴承工作时，水质状况，如含沙量、障碍物等的进一步模拟。

4.本发明载荷模拟模块包括扭矩输出单元、横向载荷输出单元以及纵向载荷输出单元，其中，扭矩输出单元对试验轴提供扭矩，纵向载荷输出单元对试验轴提供沿所述试验轴轴向的纵向载荷，横向载荷输出单元用于向所述试验轴施加所述试验轴与所述试验水润滑轴承之间的负荷并改变所述试验水润滑轴承的转角，同时可根据水润滑轴承工况不同，对三个力输出单元进行调整，进而真实有效的模拟其在不同负载条件下的影响和破坏因素，以实现在水润滑轴承设计过程中对不同环境因素考虑不足的情况，提高水润滑轴承设计的准确性、实用性。

5.本发明中测量模块包括位移传感器、转速传感器和探针式压力传感器，可实时获取和调整水润滑轴承的负荷和转角。

6.本发明中，水润滑轴承在不同的工况下，其内部的分布比压将会有较大差别，因此，本发明通过均匀布置在水润滑轴承内的探针式压力传感器测得其内部的分布比压，以获取水润滑轴承的真实受力状况及压力分布情况。

7.本发明中，联轴节根据试验工况的不同可以选取不同的形式，当仅需要传递轴向载荷和扭转载荷时候，形式可以为液压联轴节形式，保证扭矩输出轴、试验轴和推力输出轴的轴线相同；当需要传递垂向载荷和扭矩载荷时候，形式可以为万向联轴节或者十字形联轴节，使得试验轴与扭矩输出轴、推力输出轴连接时候允许错位存在。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种测试真实环境下水润滑轴承性能的试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例涉及的环境模拟模块的结构示意图；

图3是本发明实施例水流控制单元及纵向载荷输出单元的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电机、2-弹性联轴节、3-推力轴承、4-联轴节、5-流量控制阀、6-杂质过滤器、7-可控温储水箱、8-异物施加器、9-真空吸水泵、10-截止阀、11-转矩输出轴、12-试验轴、13-循环水槽、14-推力输出轴、15-位移传感器、16-转速传感器、17-可缩放的挡水板、18-轴管、19-试验水润滑轴承、20-铜套、21-轴管安装架、22-探针式压力传感器、23-推力杆、24-载荷传感器、25-液压加载器、26-隔热出水管、27-隔热进水管、28-轴向加载气囊。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明一种测试真实环境下水润滑轴承性能的试验装置包括：载荷模拟模块、环境模拟模块以及连接所述载荷模拟模块和环境模拟模块的试验轴12，其中：

所述载荷模拟模块包括扭矩输出单元、纵向载荷输出单元和横向载荷输出单元，所述扭矩输出单元设于所述试验轴12一端，用于向所述试验轴12施加扭转力，所述纵向载荷输出单元设于所述试验轴12的另一端，用于向所述试验轴12施加沿所述试验轴12轴向的纵向载荷，所述横向载荷输出单元设于所述试验轴12的中部，用于向所述试验水润滑轴承19施加横向载荷并改变所述试验水润滑轴承19的转角，即所述试验轴12与所述试验水润滑轴承19沿所述试验轴12轴向的偏移角度。

如图1、图2和图3所示，所述环境模拟模块包括水循环单元和水流控制单元，其中，所述试验轴12穿过所述水循环单元，进而，所述水循环单元用于为试验提供真实的水环境，其一方面可以调节水的流速，一方面可调节水温，同时，还可以根据下水润滑轴承工作时的工况，提供不同的水质环境，如海水环境和淡水环境。所述水流控制单元包括设于所述水循环单元中且套设在所述试验水润滑轴承19外表面的轴管18，其两端设置有可缩放的挡水板7。本发明中，试验水润滑轴承19设于所述试验轴12与所述轴管18之间，为了进一步保护所述试验轴12，本发明中，在所述试验水润滑轴承19与所述试验轴12之间还设有铜套20。在本发明中，轴管18两端都安装有可缩放的挡水板17，可缩放的挡水板17不变化时候，轴管18进水口完全打开，可缩放的挡水板7收缩到最小时，其内圈与试验轴12接触，轴管18进水口完全封闭。调节循环水槽13内流速、可缩放的挡水板17可以达到控制试验水润滑轴承19内水流量大小的目的。

进一步的，在本发明中，水循环单元包括循环水槽13、可控温储水箱7以及连接水循环单元包括循环水槽13和可控温储水箱7的隔热进水管27、隔热出水管26。所述隔热进水管27上设有截止阀10和真空吸水泵9，所述隔热出水管26上设有流量控制阀。所述隔热出水管26的出水末端还设有杂质过滤器6。隔热进水管27前端在可控温储水箱7侧边低点，后端在循环水槽13侧边高点。隔热出水管26前端在循环水槽13侧边低点，后端在可控温储水箱7侧边高点。在开始试验时，打开截止阀10和真空泵9，可控温储水箱7中水经由隔热进水管27到循环水槽13再经过隔热出水管26回到储水箱7，形成水流的闭路循环。可以通过真空泵9和流量控制阀5来控制循环水槽13中的水流速度。控温储水箱7设置有注水孔与排水孔，在需要的时候可以自由替换淡水、海水等不同性质流体。可控温储水箱7内部设置有加热和冷却装置，可以根据需要调节循环水的温度。为了循环水槽内水温的稳定性，可控温储水箱7、隔热进水管27、循环水槽13、隔热出水管26外壁都采用隔热材料。

循环水槽13内靠近进水口位置有异物施加器8，异物施加器8内可以放置泥沙、海蛎子等异物。通过调节循环水流速度和异物释放速度以达到控制水中杂质含量的目的。

本发明中，扭矩输出单元包括依次相连的电机1、弹性联轴节2、推力轴承3、扭矩输出轴11和联轴节4，其中所述联轴节4用于连接扭矩输出轴11和试验轴12。试验轴12通过联轴节4分别与扭矩输出轴11和推力输出轴14连接，电机1带动弹性联轴节2和推力轴承3旋转，经由扭矩输出轴11将扭矩传递到试验轴12，使试验轴12按照一定速度旋转，试验轴的转速由设于所述试验轴12一侧的转速传感器16测量，当实际轴承与试验轴承存在一定比例的尺寸差别时候，可以根据无量纲原则设计试验轴转速，确保试验数据的有效性。

本发明中，横向载荷输出单元包括依次相连的推力输出轴14和轴向加载气囊28，所述推力输出轴14通过联轴节4与所述试验轴12连接。向所述轴向加载气囊28中加压时候，可以经由推力输出轴14向试验轴12提供轴向载荷，轴向载荷最后传递到推力轴承3后向基座和大地传递。

所述纵向载荷输出单元设置有多个，且每个所述纵向载荷输出单元均包括液压加载器25以及与所述液压加载器25相连的推力杆23，所述液压加载器25用于推动所述推力杆23做进退运动。

轴管18的轴管安装架21底部设置推力杆23和液压加载器25，中间设置载荷传感器24。通过PLC编程精确控制液压加载器25位移。多个液压加载器25同时向上加载时候，试验轴12与试验水润滑轴承19间的负荷改变，此时总载荷可以通过多个载荷传感器24输出求和得到。当多个液压加载器25向上位移不相同时候，试验水润滑轴承19和试验轴12都相对原轴线有一点转角，实验轴承的转角通过多个液压加载器25的位移量可以求出，试验轴12的转角通过布置在轴两端的位移传感器15间接求得。此时试验水润滑轴承19内部的分布比压将会有较大差别，可以由布置在试验水润滑轴承19内的探针式压力传感器22测得。

作为本发明的优选设计，横向载荷输出单元为两个，每个所述横向载荷输出单元均包括液压加载器25以及与所述液压加载器25相连的推力杆23，所述液压加载器25用于推动所述推力杆23做进退运动，同时，两个纵向载荷输出单元沿试验水润滑轴承19的轴向均匀布置。

联轴节4根据试验工况的不同可以选取不同的形式，当仅需要传递轴向载荷和扭转载荷时候，形式可以为液压联轴节形式，保证扭矩输出轴11、试验轴12和推力输出轴14的轴线相同。当需要传递垂向载荷和扭矩载荷时候，形式可以为万向联轴节或者十字形联轴节，使得试验轴12与扭矩输出轴11、推力输出轴14连接时候允许错位存在。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。