【知识目标】

1.了解油膜压力周向分布和轴向分布规律。

2.了解载荷和转速与油膜压力的变化之间的关系。

3.了解流体动压轴承摩擦特性曲线。

【技能目标】

1.根据测试数据,绘制油膜压力周向分布曲线、轴向分布曲线和摩擦特性曲线。

2.掌握计算滑动轴承油膜平均压力的计算方法。

3.掌握计算滑动轴承的油膜承载能力的计算方法。

4.3.1　实验设备

HS-B 型流体动压滑动轴承实验台。

4.3.2　实验内容

①测试并绘制滑动轴承油膜压力周向及轴向分布曲线。

②测试并绘制滑动轴承摩擦特性曲线。

③计算滑动轴承的平均油膜压力和油膜承载能力。

4.3.3　实验原理

(1)滑动轴承工作原理

滑动轴承因其结构简单、制造方便、成本低廉、运转平稳,对冲击和振动不敏感,以及寿命长等特点,在高速、高精度、重载、强烈冲击以及特殊工作条件的场合得到广泛的应用。

1)油膜承载机理

滑动轴承工作时,利用轴颈的回转,把润滑油带入轴颈和轴承工作表面之间,从而形成油膜。在一定条件下,当油膜厚度超过轴颈和轴承工作表面微观不平度的平均高度时,就会形成压力油膜将轴颈和轴承两工作表面完全隔离开,从而形成液体摩擦。当油膜压力足够平衡外载荷时,轴颈就会悬浮起来。

2)液体动压油膜的建立过程

液体动压油膜建立的过程如图4.10 所示。当轴的转速为零时,轴颈与轴承直接接触,随着转速的增加,轴颈在轴承里左右移动,直到转速达到一定值时,轴颈在油膜压力的作用下悬浮起来,最终形成油膜润滑。

图4.10　动压油膜的建立过程

3)形成油膜压力的条件

①轴颈与轴承之间必须能形成楔形空间。

②轴颈与轴承之间必须有相对滑动速度,速度方向必须使润滑油由楔形大口流向小口。

③润滑油必须具有一定的黏度,供油要充分。

(2)实验台结构和工作原理

1)实验台结构

HS-B 实验台机械部分主要由带传动机构、螺旋加载机构和滑动轴承组成。其结构如图4.11所示。

2)实验台测试系统

测试系统位于实验台内,具有数据实时采样、数据处理和自动显示等主要功能,还具有与计算机进行通信的能力,便于应用计算机进行数据计算、结果显示。如图4.12 所示为测试系统原理图。

图4.11　HS-B 实验台结构简图

1—实验台电源开关;2—直流电机调速旋钮;3—油膜指示灯;4—轴颈;5—油压传感器;6—平衡螺母;7—载荷传感器;8—螺旋丝杠;9—油压传感器;10—油压传感器序号显示数码管;11—油压传感器压力显示选择按钮;12—压力显示数码管;13—电机转速显示数码管;14—摩擦力显示数码管;15—外加载荷显示数码管;16—密封端盖;17—轴瓦;18—摩擦力力传感器

图4.12　测试系统原理图

3)实验台电气控制系统

实验台电气控制系统主要由以下4 个部分组成:

①直流电动机调速部分

直流电动机采用脉宽调制调速,通过调节操作面板上的调速旋钮就可调节电机的转速。

②直流电源及传感器信号放大电路

该电路由直流电源及传感器信号放大电路组成。显示面板和10 组传感器信号放大电路由直流电源供电,将传感器的测量信号放大到一定程度供计算机采样。

③数据显示与传输部分

该部分由单片机、A/D 转换器和RS232 串口组成。单片机负责信号采集和数据显示,同时把采集到的数据通过RS232 串口上传到计算机进行处理和显示。

④摩擦状态指示电路

如果轴颈和轴承之间无油膜,则很可能烧坏轴承,为此设计了轴承摩擦状态指示电路,如图4.13 所示。当轴颈静止时,线路接通,指示灯亮;当轴转速很低时,润滑油被带入轴颈和轴承之间的缝隙内,因此时的油膜层很薄,轴颈与轴承之间部分微观不平度的凸峰处仍在接触,故指示灯忽明忽暗;当轴颈的转速达到一定值时,轴颈与轴承之间形成的油膜厚度完全覆盖了两表面之间微观不平度的凸峰,油膜完全将轴颈与轴承隔开,指示灯熄灭。

图4.13　摩擦状态指示电路

4)实验数据的测试原理

①油膜压力的测量

转动轴由滚动轴承支承在箱体上,滑动轴颈的下半部浸泡在润滑油中。在滑动轴承的一个横截面内沿周向钻有7 个小孔,彼此间隔20°,每一个小孔联接一个油压传感器,用来测量该点的油膜压力,由此可绘制出径向油膜压力分布曲线。在轴瓦的顶部,沿轴向安装两个油压传感器,用来测量有限长度内滑动轴承沿轴向的油膜压力分布情况。

②摩擦系数f 的测量

摩擦系数f 可通过测量轴承的摩擦力矩间接得到。当轴颈转动时,轴颈对轴承产生周向摩擦力F,其摩擦力矩Tf(Tf=Fd/2)使轴承翻转,并使与轴承固联的测力杆压迫固定在实验台上的摩擦力传感器,从而可测量出测力杆测力点处反力Q 的大小。摩擦系数计算式为(www.daowen.com)

式中　W——施加在轴承上的外载荷;

L——测力杆测力点到轴承中心距离;

d——轴承内径。

5)实验台参数

液体动压润滑实验台参数见表4.3。

表4.3　液体动压润滑实验台参数

4.3.4　实验步骤

①将实验台、计算机与电源相连。

②将实验台RS232 输出串口与计算机串口相连。

③在打开实验台电源之前,旋松丝杠手柄,确保去掉轴承上的负载。

④打开实验台电源,缓慢将实验台电机转速加到300 r/min 左右。

⑤进入滑动轴承测试界面,如图4.14 所示。

图4.14　液体动压滑动轴承测试界面

⑥单击“油膜压力分析”按钮,进入滑动轴承油膜压力测试界面,如图4.15 所示。

图4.15　液体动压滑动轴承油膜压力测试与仿真界面

⑦通过螺旋丝杠加载机构,施加70 kg·f(700 N)的外载荷。

⑧待电机转速和载荷稳定以后,单击“稳定测试”按钮进行数据采样和计算。

⑨单击“返回”按钮,返回到上一级操作界面,再单击“摩擦特性分析”按钮进入滑动轴承摩擦特性测试与仿真界面,如图4.16 所示。

⑩保持外载荷70 kg·f(700 N)不变,分别在电机转速为300,200,100,50,25,10,5,2 r/min的情况下单击“稳定测试”按钮进行采样和计算。

⑪单击“结束”按钮,计算机自动拟合出滑动轴承的摩擦特性曲线,如图4.16 所示。

图4.16　液体动压滑动轴承摩擦特性测试与仿真界面

⑫退出滑动轴承测试软件,卸掉轴承上施加的外载荷,关闭实验台电源,实验结束。

4.3.5　数据的处理

(1)绘制油膜压力分布曲线

根据测得的油膜压力,按一定的比例在坐标纸上绘制油膜压力分布曲线。

在坐标纸上定出7 个油压传感器的位置1,2,…,7,由圆心O 过1,2,…,7 诸点引射线,沿径向画出向量1—1′,2—2′,…,7—7′,其大小等于相应各点的压力值(比例自选),用曲线板将1′,2′,…,7′诸点连成光滑曲线。该曲线就是轴承中间截面处油膜压力分布曲线,如图4.17所示。

(2)轴承中点横截面上的平均油膜压力Pm

由油膜径向压力分布曲线,可求得轴承中间剖面上的平均油膜压力,将圆周上各点0,1,2,…,7,8 投影到一水平直线上(见图4.17 的下部分),在相应点的垂线上标出对应的压力值,将其端点0′,1′,2′,…7′,8′连接成一光滑曲线。用数方格方法求出此曲线与水平线O—O 所围的面积为S,然后取pm 使其和水平线O—O 所围矩形面积等于S。此pm 值即为轴承中点横截面上的平均油膜压力pm(应按原比例尺换算出压力值)。

(3)轴向油膜压力分布曲线

画一水平线,其长度等于轴承轴向长度B,在中点的垂线上按前比例尺标出该点的压力为P4(油压传感器4 的读数),在距两端B/4 处沿垂线方向各标出该点压力P8(油压传感器8 的读数)。根据对称关系,轴承轴向压力各点依次为0,P8,P4,P8,0,这5 点可连成一光滑曲线,如图4.18 所示。轴向压力分布应符合抛物线分布规律,根据理论分析,P8 应等于0.75 P4。

(4)轴承承载能力的计算

轴承承载能力可计算为

式中　k——轴承端泄对油膜压力在宽度方向的影响系数,k=0.67。

(5)滑动轴承摩擦特性曲线

根据记录的数据f,λ 的值,作如图4.19 所示的滑动轴承摩擦特性曲线。

图4.17　径向油膜压力分布曲线

图4.18　轴向油膜压力分布曲线

图4.19　液体动压滑动轴承摩擦特性曲线

4.3.6　注意事项

①打开电机电源之前,一定要确认轴承无外加载荷且电机调速旋钮调为零。

②电机调速过程中要缓慢,避免冲击载荷损坏传感器。

③施加载荷不允许超过100 kg·f(1 000 N),否则会严重损坏设备。

④严禁在油膜指示灯亮时高速运转实验台,否则会严重磨损轴承。

⑤做摩擦特性测试实验时,应从高速到低速做实验。在实验过程中,尽量保持施加载荷恒定。

4.3.7　思考题

①动压滑动轴承的油膜压力与哪些因素有关?

②最小油膜厚度受哪些因素的影响?

③润滑油温度变化会对实验结果造成什么样的影响?