液体动压滑动轴承实验指导

一、实验目的

ZCS-I液体动压滑动轴承实验台，用于机械设计中液体动压滑动轴承实验。主要利用它来观察滑动轴承的结构、测量其径向油膜压力分布、测定其摩擦特性曲线等。

（1）观察滑动轴承的动压油膜形成过程与现象；

（2）通过实验，绘出滑动轴承的特性曲线；

（3）了解摩擦系数、转速等数据的测量方法；

（4）通过实验数据处理，绘制出滑动轴承径向油膜压力分布曲线与承载量曲线。

二、实验系统组成

（一）实验系统组成

轴承实验系统框图如图9-1所示，它由以下设备组成：

图9-1　滑动轴承实验系统框图

1.ZCS-I液体动压滑动轴承实验台——轴承实验台的机械结构；

2.油压表——共7个，用于测量轴瓦上径向油膜压力分布值；

3.工作载荷传感器——应变力传感器，用于测量外加载荷值；

4.摩擦力矩传感器——应变力传感器，用于测量在油膜粘力作用下轴与轴瓦间产生的摩擦力矩；

5.转速传感器——霍尔磁电式传感器，用于测量主轴转速；

6.ZCS-I液体动压轴承实验仪——以单片微机为主体，完成对工作载荷传感器、摩擦力矩传感器及转速传感器的信号采集，处理并将处理结果由LED数码管显示出来。

（二）轴承实验台结构特点

实验台结构如图9-2所示。该实验台主轴7由两个高精度的单列向心球轴承支承。直流电机1通过三角带2带动主轴7，主轴顺时针转动，主轴上装有精密加工的轴瓦5，由装在底座10上的无级调速器12实现主轴的无级变速，轴的转速由装在实验台上的霍尔转速传感器测出并显示。

图9-2　实验台结构示意图

1—直流电机；2—三角带；3—摩擦力矩传感器；4—油压表；5—轴瓦；6—加载传感器；7—主轴；8—放油螺孔；9—油槽；10—底座；11—面板；12—调速旋钮

主轴瓦5外圆被加载装置（未画）压住，旋转加载杆即可方便地对轴瓦进行加载，加载力的大小由工作载荷传感器6测出，由测试仪面板上显示。

主轴瓦上还装有测力杆L，在主轴回转过程中，主轴与主轴瓦之间的摩擦力矩由摩擦力矩传感器测出，并在测试仪面板上显示，由此算出摩擦系数。

主轴瓦前端装有7只测径向压力的油压表4，油的进口在轴瓦的1/2处。由油压表可读出轴与轴瓦之间径向平面内相应点的油膜压力，由此可绘制出径向油膜压力分布曲线。

（三）液体动压轴承实验仪

如图9-3和图9-4所示，实验仪操作部分主要集中在仪器正面的面板上，在实验仪的后面板上设有摩擦力矩输入接口，载荷力输入接口，转速传感器输入接口等。

实验仪箱体内附设有单片机，承载检测、数据处理、信息记忆、自动数字显示等功能。

（四）实验系统主要技术参数

1.实验轴瓦：内径d=70 mm，长度L=125 mm；

2.加载范围：0～1 800 N；

3.摩擦力矩传感器量程：0～50 N·m；

4.压力传感器量程：0～1.0 MPa；

图9-3　轴承实验仪正面图

1—转速显示；2—工作载荷显示；3—摩擦力矩显示；4—摩擦力矩清零；5—电源开关

图9-4　轴承实验仪背面图

1—电源座；2—摩擦力矩传感器输入接口；3—工作载荷传感器输入接口；4—转速传感器输入接口；5—工作载荷传感器清零按钮

5.加载传感器量程：0～2 000 N；

6.直流电机功率：355 W；

7.主轴调速范围：2～500 r/min。

三、实验原理及测试内容

1.实验原理

滑动轴承形成动压润滑油膜的过程如图9-5（a）所示，当轴静止时，轴承孔与轴颈直接接触。径向间隙△使轴颈与轴承的配合面之间形成楔形间隙，其间充满润滑油。由于润滑油具有黏性而附着于零件表面，因而当轴颈回转时，依靠附着在轴颈上的油层带动润滑油挤入楔形间隙。因为通过楔形间隙的润滑油质量不变（流体连续运动原理），而楔形中的间隙截面逐渐变小，润滑油分子间相互挤压，从而油层中必然产生流体动压力，它力图挤开配合面，达到支承外载荷的目的。当各种参数协调时，流体动压力能保证轴的中心与轴瓦中心有一偏心距e，如图9-5（b）所示。最小油膜厚度hmin存在于轴颈与轴承孔的中心连线上。流体动压力的分布如图9-5（c）所示。

图9-5　液体动压润滑油膜形成的过程

液体动压润滑能否建立，通常用f-λ曲线来判断。图9-6中f为轴颈与轴承之间的摩擦系数，λ为轴承特性系数，它与轴的转速n、润滑油动力黏度η、润滑油压强p之间的关系为：

式中，n为轴颈转速；η为润滑油动力黏度；p为单位面积载荷。，其中Fr是轴承承受的径向载荷；d是轴承的孔径，本实验中，d=70 mm；l1是轴承的有效工作长度，对本实验轴承，取l1=125 mm。

如图9-6所示，当轴颈开始转动时，速度极低，这时轴颈和轴承主要是金属相接触，产生的摩擦为金属间的直接摩擦，摩擦阻力最大。随着转速的增大，轴颈表面的圆周速度增大，带入油楔内的油量也逐渐增多，则金属接触面被润滑油分开的面积也逐渐加大，因而摩擦阻力也就逐渐减小。

当速度增加到一定大小之后，已能带入足够的油量把金属接触面分开，油层内的压力已建立到能支承轴颈上外载荷的程度，轴承就开始按照液体摩擦状态工作。此时，由于轴承内的摩擦阻力仅为液体的内阻力，故摩擦系数达到最小值，如图9-6所示摩擦特性曲线上的A点。

当轴颈转速进一步加大时，轴颈表面的速度也进一步增大，使油层间的相对速度增大，故液体的内摩擦也就增大，轴承的摩擦系数也随之上升。

特性曲线上的A点，是轴承由混合润滑向流体润滑转变的临界点。此点的摩擦系数最小，与它相对应的轴承特性系数称为临界特性系数，以λ0表示。A点之右，即λ＞λ0区域为流体润滑状态；A点之左，即λ＜λ0的区域为混合润滑状态。

图9-6　摩擦特性曲线

根据不同条件所测得的f和λ之值，我们就可以做出f-λ曲线，用以判断轴承的润滑状态，以及能否实现在流体润滑状态下工作。

2.油膜压力测试实验

（1）理论计算压力

如图9-7所示为轴承工作时轴颈的位置。

根据流体动力润滑的雷诺方程，从油膜起始角φ1到任意角φ的压力为：

图9-7　径向滑动轴承的油压分布

式中　pφ——任意位置的压力，（Pa）

η——油膜黏度

ω——主轴转速，（rad/s）

ψ——相对间隙，其中D为轴承孔直径，d为轴颈直径φ——油压任意角，（°）

φ0——最大压力处极角，（°）

φ1——油膜起始角，（°）

χ——偏心率，，其中e为偏心距

在雷诺公式中，油膜起始角φ1、最大压力处极角φ0由实验台实验测试得到。另一变化参数偏心率χ的变化情况，可由表查得到，具体方法如下：

对有限宽轴承，油膜的总承载能力为：

式中　F——承载能力，即外加载荷，（N）

B——轴承宽度，（mm）

Cp——承载量系数，见表9-1

表9-1　有限宽轴承的承载量系数Cp表(www.xing528.com)

由公式（9-2）可推出：

由公式（9-3）计算得承载量系数Cp后，再查表可得到在不同转速、不同外加载荷下的偏心率情况。

注：若所查的参数系数超出了表中所列的范围，可用插入值法进行推算。

（2）实际测量压力

如图9-2所示，起动电机，控制主轴转速并施加一定的工作载荷，运转一定时间后轴承中形成压力油膜。图中代号F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7七个油压表，用于测量并显示轴瓦表面每隔22°角处的七点油膜压力值。

根据测出的各点实际压力值，按一定比例绘制出油压分布曲线，作出油膜实际压力分布曲线与理论分布曲线，比较两者间的差异。

3.摩擦特性实验

（1）理论摩擦系数

理论摩擦系数公式：

式中　f——摩擦系数

p——轴承平均压力，

ε——随轴承宽径比而变化的系数，对于B/d＜1的轴承，ε=（d/B）1.5；当B/d≥1时，ε=1；

ψ——相对间隙，

由公式（9-4）可知，理论摩擦系数f的大小与油膜黏度η、转速ω和平均压力p（也即外加载荷F）有关。在使用同一种润滑油的前提下，黏度η的变化与油膜温度有关，由于在不是长时间工作的情况下，油膜温度变化不大，因此在本实验系统中暂时不考虑黏度因素。根据查表可得N46号机械油在20℃时的动力黏度为

0.34 Pa·s。　

（2）测量摩擦系数

如图9-2所示，在轴瓦中心引出一测力杆，压在力传感器3上，用以测量轴承工作时的摩擦力矩，进而换算得到摩擦系数值。对它们的分析如图9-8所示：

式中∑Fi——圆周上各切点摩擦力之和，

r——圆周半径

N——压力传感器测得的力，（N）

L——力臂

F——外加载荷力，（N）

图9-8　轴颈圆周表面摩擦力分析

f——摩擦系数

所以实测摩擦系数为：

4.轴承实验中其他重要的参数

在轴承实验中还有一些比较重要的参数概念，以下分别作出介绍。

（1）轴承的平均压力p（MPa）

式中　F——外加载荷，（N）

B——轴承宽度，（mm）

d——轴颈直径，（mm）

[p]——轴瓦材料的许用压力，MPa，其值可查表

（2）轴承pv值（MPa·m/s）

轴承的发热量与其单位面积上的摩擦功耗fpv成正比（f是摩擦系数），限制pv值就是限制轴承的温升。

式中　v——轴颈圆周速度，（m/s）

[pv]——轴承材料pv的许用值，MPa·m/s，其值可查表

（3）最小油膜厚度

式中各参数说明，见之前的内容。

四、实验操作步骤

1.系统连接及接通电源

轴承实验台在接通电源前，应先将电机调速旋钮逆时针转至“0速”位置。将摩擦力矩传感器信号输出线，转速传感器信号输出线分别接入实验仪对应接口。

松开实验台上的螺旋加载杆，打开实验台及实验仪的电源开关，接通电源。

2.载荷及摩擦力矩调零

保持电机不转，松开实验台上螺旋加载杆，在载荷传感器不受力的状态下按一下实验仪后板上的“复位”按钮5。此时单片机系统采样载荷传感器，并将此值作为“零点”保存，实验台面板上工作载荷显示为“0”。

按一下实验仪面板上的“清零”键，可完成对摩擦力矩清零，此时实验仪面板上摩擦力矩显示窗口显示为“0”。

3.记录各压力表压力值

（1）在松开螺旋加载杆的状态下，启动电机并慢慢将主轴转速调整到300 rad/min左右。

（2）慢慢转动螺旋加载杆，同时观察实验仪面板上的工作载荷显示窗口，一般应加至1 800 N左右。

（3）待各压力表的压力值稳定后，由左至右依次记录各压力表的压力值。

4.摩擦系数f的测量

当实验台运行平稳，待各压力表的压力值稳定后，从实验仪面板摩擦力矩显示窗口中读取摩擦力矩值，按前述摩擦特性实验原理，计算得到摩擦系数f。

5.关机

待实验数据记录完毕后，先松开螺旋加载杆，并旋动调速电位器使电机转速为零，关闭实验台及实验仪电源。

6.绘制径向油膜压力分布曲线与承载曲线

根据测出的各压力值，按一定比例绘制出油压分布曲线与承载曲线，如图9-9中的上图所示。此图的具体画法是：沿着圆周表面从左到右分别画出角度为24°、46°、68°、90°、112°、134°、156°等分，得出油孔点1、2、3、4、5、6、7的位置。通过这些点与圆心O连线，在各连线的延长线上将压力表测出的压力值，按0.1 MPa：5 mm的比例画出压力向量1-1′、2-2′、3-3′，……，7-7′。将1′、2′、3′，……，7′各点连成光滑曲线，此曲线就是所测轴承的一个径向截面的油膜径向压力分布曲线。

为了确定轴承的承载量，用pisinφi（i=1、2、…、7）求出压力分布向量1-1′、2-2′、3-3′，……，7-7′在载荷方向（即y轴）上的投影值。然后将pisinφi这些平行于y轴的向量移到直径0-8上。为清楚起见，将直径0-8平移到图9-9的下部，在直径0-8上先画出轴承表面上油孔位置1、2…7的投影点，然后通过这些点画出上述相应各点压力在载荷方向上的分量，即1″、2″…7″点的位置，将各点平滑连接起来，所形成的曲线即为在载荷方向上的压力分布曲线。

7.注意事项

在开机做实验之前必须完成以下几点操作，否则容易影响设备的使用寿命和精度。

（1）在启动电机转动之前，请确认载荷为空，即要求先启动电机再加载。

（2）在一次实验结束后马上又要重新开始实验时，请顺时针旋动轴瓦上端的螺钉，顶起轴瓦将油膜先放干净，同时在软件中要重新复位（这很重要！），这样才能确保下次实验数据准确。

（3）由于油膜形成需要一小段时间，所以在开机实验时或在载荷或转速变化后，请待其稳定后（一般等待5～10 s即可）再采集数据。

（4）在长期使用过程中请确保实验油的足量、清洁；油量不足或不干净都会影响实验数据的精度，并会造成油压传感器堵塞等问题。

图9-9　油压分布曲线与承载曲线

五、思考题

1.为什么油膜压力曲线会随转速的改变而改变？

2.为什么摩擦系数会随转速的改变而改变？

3.哪些因素会引起滑动轴承摩擦系数测定的误差？