一種基于機器視覺技術的水潤滑橡膠艉軸承振動測量方法

閆志敏，周新聰，邱曉峰，鄒斌，王建強，賈雪麗

一種基于機器視覺技術的水潤滑橡膠艉軸承振動測量方法

閆志敏1，周新聰2，邱曉峰1，鄒斌1，王建強1，賈雪麗3

采用機器視覺技術，對水潤滑橡膠艉軸承的振動進行測量分析，結果表明，0.28 MPa比壓下，水潤滑橡膠艉軸承振動幅值的變化范圍為水潤滑0.25～0.81 mm，半干摩擦約0.27～0.68 mm；干摩擦0.92～2.57 mm，且振動頻率皆在2 kHz之內。該方法可記錄分析水潤滑橡膠艉軸承的真實運動狀態(tài)、彈性變形以及振動等隨時間、轉速和潤滑條件變化的規(guī)律。

水潤滑橡膠艉軸承；高速攝影；加速度傳感器；振動；潤滑條件

20世紀70年代，為提高潛艇的減振降噪性能，美國以丁腈橡膠為基體制備軸承復合材料，并對其振動測試方法進行了研究[1-2]。由于技術條件的限制，分析結果與實際相差甚遠?，F(xiàn)階段對于振動的測量，可分為接觸式和非接觸式。接觸式測量結果及精度易受到傳感器自身重量、測量環(huán)境等因素影響。利用機器視覺技術不僅可避免上述因素的影響，而且可真實地計算出待測物體的位移變化[3-4]。為此，考慮采用高速攝影機，并結合圖像處理及振動測試技術，計算出水潤滑軸承試塊的振動信息，研究振幅值與時間、轉速和潤滑條件之間的關系，探討水潤滑橡膠艉軸承試塊潤滑特性對其彈性變形的影響機理。

1 試驗設計

1.1 試驗臺架、試件及測試系統(tǒng)

考慮到潤滑條件、圖像采集以及光線等因素，對水潤滑橡膠艉軸承試驗平臺SSB-100進行改裝，見圖1。

試樣從試驗軸承板條中間部分取樣所得到的軸承試塊(見圖2)，可完全模擬全副軸承振動特性試驗[5]。

利用加速度傳感器(見圖3)采集軸承的水平和豎直方向的振動信號。試驗中采用的高速攝影機(見圖4)采樣畫幅分辨率為768×512，拍攝頻率為2 000幀/s。

1.2 試驗條件

潤滑介質為清水。試驗在室溫下進行，試驗時潤滑水溫在18～20 ℃之間。潤滑條件為水潤滑、半干摩擦、干摩擦。

1.3 試驗步驟

首先利用B&K加速度傳感器確定軸承試塊的頻段(

2 頻譜分析與振幅計算

2.1 頻譜分析及幀數(shù)的確定

在實際的水潤滑橡膠艉軸承試塊的振動測試中，由于基座、轉矩儀、支座(左、右)等振動的影響，所測信號無法準確判斷出艉軸承的真實頻率(或頻段)。主軸轉速為115 r/min、試塊承載比壓為0.28 MPa時的振動圖譜見圖6。

為了確定各部件的頻段，采用B&K 加速度傳感器置于本試驗臺架振動源位置(轉矩儀、電機、左右支座、軸承試塊)的水平位置進行頻率測量。試驗測試主軸轉速為20 r/ min，試塊承載比壓為0.28 MPa。各位置的振動圖譜見圖7。

由圖7分析可知，轉矩儀的振動頻率約為2 kHz；電機的振動頻率約為0.6 kHz；左右支座的振動頻率較?。换恼駝宇l率小于0.1 kHz；杠桿和砝碼的振動頻率為0.25 kHz。根據(jù)各部位頻譜分析統(tǒng)計可得：水潤滑橡膠艉軸承試塊的振動頻率小于2 kHz(實測各測點的振動頻率不隨轉速、比壓，以及時間等因素的影響而變化，即所測值均為其各自的固有頻率)。因此，考慮實際設備的緩存空間，并同時兼顧拍攝質量，高速攝影機的采樣畫幅分辨率為768×512，攝頻率選取為2 000幀/s。

2.2 追蹤點和參考點的選擇

在熒光線上靠近摩擦表面的方向上取點M作為測量追蹤點(距離試塊下表面約1 mm)，點N和O為參考點(MN=NO=10 mm)，見圖8。

2.3 測量原理

設追蹤點的初始位置為M(x0,y0)。根據(jù)圖像處理技術的模板匹配原理，在i時刻的該追蹤點的位置為M′(x0+s,y0+t)，則i時刻的位移di：其中水平位移為s，垂直位移為t。見圖9。

而在實際測量中發(fā)現(xiàn)，垂直位移t∝0，因此由歐幾里德距離計算公式可得，i時刻追蹤點M絕對位移值，即橡膠試塊的振幅值：

3 試驗結果與分析

3.1 不同工況條件下振幅值變化

承載壓力為0.28 MPa時不同潤滑條件下試塊振幅值隨時間和轉速的變化見圖10。

由圖10可以看出：

1)在不同潤滑條件和轉速下，均出現(xiàn)振幅不隨時間的變化而變化的區(qū)域，即水潤滑條件下，如圖10a)中A；半干摩擦條件下，如圖10b)中B、C；以及干摩擦條件下，如圖10c)中D。分析認為，橡膠內襯為彈性體，在一定壓力和轉速條件下發(fā)生彈性變形。而在上述工況條件下的A、B、C和D區(qū)域時，橡膠內襯的彈性恢復力與所受到的摩擦阻力相等。因此，振幅不隨時間的變化而變化。

2)水潤滑和半干摩擦條件時，隨著轉速的升高，單位時間內被卷入橡膠內襯與主軸之間的水增多，則有利于建立水膜，因此，主軸轉速為100 r/min時所受到的摩擦阻力較小，振幅值亦??；而30 r/min和60 r/min時，由于摩擦副之間的水不足以建立水膜，為邊界潤滑和混合潤滑，潤滑水膜間歇性的破壞與修復導致了軸承不規(guī)律的波動。因此，振幅隨時間呈不規(guī)律波動變化。而干摩擦時，隨著轉速的增加(30→60→100 r/min)，橡膠內襯連續(xù)發(fā)生兩次彈性變形的時間間隔減小，使得彈性形變很難恢復，因此，振幅值隨著轉速的增加逐漸減小。

3)水潤滑條件下振幅值的變化范圍為0.25～0.81 mm；半干摩擦的變化范圍為0.27～0.69 mm；干摩擦的變化范圍為0.92～2.57 mm。

3.2 水潤滑軸承試塊的真實工作狀態(tài)

為了方便觀察軸承試塊內襯的工作狀態(tài)，將水潤滑橡膠艉軸承試塊的振動在水平方向和垂直方向上分解：采用熒光筆在橡膠內襯的側面畫以等距的垂線和水平線，見圖11、圖12。

3.2.1 水平方向

如圖11，p=0表示未加載荷，p≠0表示施加載荷；n=0表示試驗主軸靜止，n≠0表示主軸轉動。由圖11a)所示，p和n均為0時，軸承試塊的橡膠層幾乎無變化，而在靜止狀態(tài)下，只要加壓就會有壓縮變形，見圖11b)。當軸轉動時，沿旋轉方向發(fā)生明顯的變形，如圖11c)所示，并且該變形呈高頻振動狀態(tài)。

水潤滑橡膠艉軸承試塊的橡膠內襯為高彈性體。高轉速時，振動的頻率和振幅是相對穩(wěn)定的，但在低轉速時振動頻率和振幅呈現(xiàn)周期性的變化。當試塊處在邊界潤滑狀態(tài)時，橡膠層的變形出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為粘-滑現(xiàn)象，它會誘發(fā)振動和尖叫聲。而在實際操作中，低轉速是無法避免的，每種材料發(fā)生粘-滑的臨界轉速也是不同的。因此，應盡量減小在臨界轉速下的停留，或者規(guī)避這種轉速。

3.2.2 垂直方向

等距水平線間距的變化代表著軸承試塊垂直方向的振動，其幅值說明振動的強弱。由圖12可見，當承載壓力p和主軸轉速n變化時，水平線的間距變化較小。同時加速度傳感器的測量結果顯示，軸承試塊垂直方向的振動幅值數(shù)量級為10-6m，水平方向上的數(shù)量級為10-3m。由此可見，當潤滑水充足時與水平方向的高頻振動相比，垂直方向上的振動是很小的。

4 結論

1)由加速度傳感器所測得的水潤滑橡膠艉軸承的振動頻率范圍(小于2 kHz)，可確定高速攝影機拍攝頻率(2 000幀/s)。

2)不同潤滑條件下，水潤滑橡膠艉軸承振動幅值隨轉速的升高逐漸降低，且真實變化范圍為：水潤滑為0.25～0.81 mm；半干摩擦為0.27～0.68 mm；干摩擦為0.92～2.57 mm。

3)水潤滑艉軸承的高頻振動主要為水平方向上彈性變形引起的摩擦振動所致，而垂直方向的較小。

以機器視覺技術(高速攝影和圖像處理)為手段，建立振動幅值與轉速、比壓以及潤滑條件之間的關系體系，可為進一步研究水潤滑橡膠艉軸承減振降噪技術提供技術支持和理論依據(jù)。

[1] BHUSHAN B. Stick-slip induced noise generation in water-lubricated compliant rubber bearings[J]. Journal of lubrication technology,1980,102:201-212.

[2] Orndorff R L. New UHMWPE/rubber bearing alloy[J]. Journal of tribology,2000,122(1):367-373.

[3] 王鳳偉.機器視覺測量系統(tǒng)的研究與應用[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2006.

[4] 鄭睿.機器視覺系統(tǒng)原理與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[5] MIL-DTL-17901C(SH). Detail specification bearing components, bonded synthetic rubber, water lubricated[S]. America: the Naval Sea Systems Command, Department of the Navy,2005.

(1.武漢船用機械有限責任公司 技術中心，武漢 430084；2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；3.湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430064)

Measuring Methods about Vibration of Water Lubricated Rubber Stern Tube Bearing Based on the Machine Vision Technology

YAN Zhi-min1, ZHOU Xin-cong2, QIU Xiao-feng1, ZOU Bin1, WANG Jian-qiang1, JIA Xue-li3

(1.Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3.Chinese Institute of Marine & Offshore Engineering (Hubei). Co., Ltd., Wuhan430064, China)

The vibration of water lubricated rubber stern tube bearing was studied by machine vision technology. The results showed that under the pressure of 0.28 MPa, the vibration amplitude of the water lubricated rubber stern tube bearing is about 0.25～0.81 mm in water lubrication, 0.27～0.68 mm in semi-dry friction, and 0.92～2.57 mm in dry friction. The vibration frequency is within 2 kHz. The method can be used to record and analyze the real motion state, changing of elastic deformation and vibration with the time, speed and lubrication condition of the water lubricated rubber stern tube bearing.

water lubricated rubber stern tuber bearing; high speed camera; accelerometer; vibration; lubrication condition

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.015

2016-08-23

閆志敏(1983—)，男，博士，工程師研究方向:水潤滑艉軸承材料、摩擦振動以及納米自修復技術

U664.21

A

1671-7953(2017)01-0062-05

修回日期：2016-09-10