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上海朔光科教設備有限公司
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液體動壓滑動軸承實驗指導書

時間：2024-11-16 10:09:49

一、實驗目的
該實驗臺用于機械設計中液體動壓滑動軸承實驗。主要利用它來觀察滑動軸承的結構、測量其徑向油膜壓力分布、測定其摩擦特征曲線。使用該實驗系統可以方便地完成以下實驗：
1、液體動壓軸承油膜壓力徑向分布的測試分析
2、液體動壓軸承油膜壓力徑向分布的仿真分析
3、液體動壓軸承摩擦特征曲線的測定
4、液體動壓軸承實驗的其他重要參數測定：如軸承平均壓力值、軸承PV值、偏心率、最小油膜厚度等
二、實驗系統
1、實驗系統組成
軸承實驗臺的系統框圖如圖1所示，它由以下設備組成：
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖1)

⑴ 軸承實驗臺——軸承實驗臺的機械結構
⑵ 壓力傳感器——共7個，用于測量軸瓦上油膜壓力分布值
⑶ 力傳感器——共1個，測量外加載荷值
⑷ 轉速傳感器——測量主軸轉速
⑸ 力矩傳感器——共1個，測量摩擦力矩
⑹ 單片機
⑺ PC機
⑻ 打印機
2、實驗系統結構
該實驗機構中滑動軸承部分的結構簡圖如圖2
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖2)

1、電機
2、皮帶
3、摩擦力傳感器
4、壓力傳感器：測量軸承表面油膜壓力，共7個F1~ F7，
5、軸瓦
6、加載傳感器：測量外加載荷值
7、主軸
9、油槽
10、底座
11、面板
12、調速旋鈕：控制電機轉速
試驗臺啟動后，由電機1通過皮帶帶動主軸7在油槽9中轉動，在油膜粘力作用下通過摩擦力傳感器3測出主軸旋轉時受到的摩擦力矩；當潤滑油充滿整個軸瓦內壁后軸瓦上的7個壓力傳感器可分別測出分布在其上的油膜壓力值；待穩定工作后由溫度傳感器t1測出入油口的油溫，t2測出出油口的油溫。
3、實驗系統主要技術參數
(1) 實驗軸瓦：內徑d＝70mm 長度L＝125mm
(2) 加載范圍：0～1800 N
(3) 摩擦力傳感器量程：50 N
(4) 壓力傳感器量程：0～1.0 MPa
(5) 加載傳感器量程：0～2000 N
(6) 直流電機功率：355 W
(7) 主軸調速范圍：2～500 rpm
三、實驗原理及測試內容
1、實驗原理
滑動軸承形成動壓潤滑油膜的過程如圖3（a）所示。當軸靜止時，軸承孔與軸頸直接接觸，如圖3（a）所示。徑向間隙△使軸頸與軸承的配合面之間形成楔形間隙，其間充滿潤滑油。由于潤滑油具有粘性而附著于零件表面的特性，因而當軸頸回轉時，依靠附著在軸頸上的油層帶動潤滑油擠入楔形間隙。因為通過楔形間隙的潤滑油質量不變（流體連續運動原理），而楔形中的間隙截面逐漸變小，潤滑油分子間相互擠壓，從而油層中必然產生流體動壓力，它力圖擠開配合面，達到支承外載荷的目的。當各種參數協調時，液體動壓力能保證軸的中心與軸瓦中心有一偏心距e。最小油膜厚度n_min存在于軸頸與軸承孔的中心連線上。液體動壓力的分布如圖3（c）所示。
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖3)

圖3液體動壓潤滑膜形成的過程
液體動壓潤滑能否建立，通常用f-λ曲線來判別。圖4中f為軸頸與軸承之間的摩擦系數，λ為軸承特性系數，它與軸的轉速 n ，潤滑油動力粘度η、潤滑油壓強p之間的關系為：

λ為=ηn/p

式中，n為軸頸轉速；η為潤滑油動力粘度；p為單位面積載荷。
即式中，液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖4)

。Fr是軸承承受的徑向載荷；d是軸承的孔徑，本實驗中， d= 70mm；l₁是軸承有效工作長度，對本實驗軸承，取l₁=125mm。

如圖4 ，當軸頸開始轉動時，速度極低，這時軸頸和軸承主要是金屬相接觸，產生的摩擦為金屬間的直接摩擦，摩擦阻力最大。隨著轉速的增大，軸頸表面的圓周速度增大，帶入油楔內的油量也逐漸加多，則金屬接觸面被潤滑油分隔開的面積也逐漸加大，因而摩擦阻力也就逐漸減小。
當速度增加到一定大小之后，已能帶入足夠把金屬接觸面分開的油量，油層內的壓力已建立到能支承軸頸上外載荷程度，軸承就開始按照液體摩擦狀態工作。此時，由于軸承內的摩擦阻力僅為液體的內阻力，故摩擦系數達到最小值，如圖4摩擦特性曲線上A點。
當軸頸轉速進一步加大時，軸頸表面的速度亦進一步增大，使油層間的相對速度增大，故液體的內摩擦也就增大，軸承的摩擦系數也隨之上升。
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖5)

圖4 摩擦特性曲線（Stribeck曲線）
特性曲線上的A點是軸承由混合潤滑向流體潤滑轉變的臨界點。此點的摩擦系數最小，此點相對應的軸承特性系數稱為臨界特性系數，以λ。表示。A點之右，即 λ＞λ。區域為流體潤滑狀態；A點之左，即λ＜λ。區域稱為邊界潤滑狀態。
根據不同條件所測得的 f和λ之值，我們就可以作出 f-λ曲線，用以判別軸承的潤滑狀態，能否實現在流體潤滑狀態下工作。

2、油膜壓力測試實驗
（1）理論計算壓力
圖 5為軸承工作時軸頸的位置。
根據流體動力潤滑的雷諾方程，從油膜起始角液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖6)

₁ 到任意角

的壓力為：

P 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖6)

=6η

（1-1）

式中：
P 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖6)

——任意位置的壓力單位：Pa
η ——油膜粘度
ω ——主軸轉速單位：rad/s
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖12)

——相對間隙

其中D為軸承孔直徑， d為軸徑直徑
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖6)

——油壓任意角單位：度
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖6)

₀——最大壓力處極角單位：度
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖6)

₁——油膜起始角單位：度
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖18)

——偏心率=

其中e為偏心距
在雷諾公式中，油膜起始角液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖6)

₁、最大壓力處極角

₀由實驗臺實驗測試得到。另一變化參數：偏心率液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖18)

的變化情況，它由查表得到。具體方法如下：
對有限寬軸承，油膜的總承載能力為：

F= 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖24)

            （1-2）

式中：
F——承載能力，即外加載荷   單位：N
B——軸承寬度     單位：mm
Cp——承載量系數，見表1
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖25)

圖5 徑向滑動軸承的油壓分布

由公式（1-2）可推出：
Cp= 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖26)

（1-3）

由公式（1-3）計算得承載量系數Cp后再查表可得到在不同轉速、不同外加載荷
下的偏心率情況。
注：若所查的參數系數超出了表中所列的，可用插入值法進行推算。
（2）實際測量壓力
如圖2所示，啟動電機，控制主軸轉速，并施加一定工作載荷運轉一定時間軸承中形成壓力油膜后圖中代號2，3，4，5，7，8，9七個壓力傳感器用于測量軸瓦表面每隔22度角處的七點油膜壓力值，并經A/D轉換器送往PC微機中顯示壓力值。
在實驗臺配套軟件中可以分別作出油膜實際壓力分布曲線和理論分布曲線，
比較兩者間的差異。
3、摩擦特性實驗
（1）理論摩擦系數
理論摩擦系數公式：
f = 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖27)

+0.55

（1-4）
式中：
f ——摩擦系數
p ——軸承平均壓力，p= 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖29)

單位： Pa

ε——隨軸承寬徑比而變化的系數，對于B/d<1的軸承，ε=（d/B）1.5；
當B/d≥1時，ε=1；
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖12)

——相對間隙

    由公式（1-4）可知理論摩擦系數 f 的大小與油膜粘度η、轉速ω和平均壓力p（也即外加載荷 F）有關。在使用同一種潤滑油的前提下，粘度η的變化與油膜溫度有關，由于不是在長時間工作的情況下，油膜溫度變化不大，因此在本實驗系統中暫時不考慮粘度因素。
（2）測量摩擦系數
如圖 2 所示，在軸瓦中心引出一壓力傳感器10，用以測量軸承工作時的摩擦力矩，進而換算得摩擦系數值。對它們分析如圖6 ：

∑F* r = N*L              （1）

∑F=f*F                   （2）

式中：∑F ——圓周上各切點摩擦力之和 ∑F=F1+F2+F3+F4+…
r ——圓周半徑
N ——壓力傳感器測得的力
L ——力臂
F ——外加載荷力
f ——摩擦系數

所以實測摩擦系數公式：
f=   液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖34)

              （1-5）

4、軸承實驗中其他重要參數
   在軸承實驗實驗中還有一些比較重要的參數概念，以下分別作一一介紹。
   ⑴ 軸承的平均壓力 p （單位：MPa）

        p= 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖29)

≤ [p]         （1-6）

式中：
    F ——外加載荷，N
    B ——軸承寬度，mm
    d ——軸徑直徑，mm
   [p]——軸瓦材料許用壓力，MPa ，其值可查

   ⑵ 軸承pv值（單位：MPa*m/s）
軸承的發熱量與其單位面積上的摩擦功耗fpv成正比（f是摩擦系數），限制pv值就是限制軸承的溫升。

       P v= 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖36)

≤ [pv]         （1-7）

   式中：
       v ——軸頸圓周速度，m/s
      [pv]——軸承材料pv許用值，MPa*m/s，其值可查

   ⑶ 最小油膜厚度
      hmin =   r* 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖38)

（1-8）
式中各參數說明見前。

四、實驗操作步驟
〈一〉系統聯接及啟動
1、連接RS232通訊線
在實驗臺及計算機電源關閉狀態下，將標準RS232通訊線分別接入計算機及ZCS-II型液體動壓軸承實驗臺RS232串行接口。
2、啟動機械教學綜合實驗系統
確認RS232串行通訊線正確聯接，開啟電腦，點擊“軸承實驗臺II”圖標進入液體動壓軸承實驗臺系統“油膜壓力分布實驗”主界面如圖7。
〈二〉油膜壓力測試實驗
滑動軸承實驗系統“油膜壓力分布實驗”主界面如圖7：

圖7 油膜壓力分析實驗主界面
1、系統復位
放松加載螺桿，確認載荷為空載，將電機調速電位器旋鈕逆時針旋到底即零轉速。順時針旋動軸瓦前上端的螺釘，將軸瓦頂起將油膜放凈，然后放松該螺釘，使軸瓦和軸充分接觸。
點擊“復位”鍵，計算機采集7路油膜壓力傳感器初始值，并將此值作為“零點”儲存。
2、油膜壓力測試
點擊“自動采集鍵”系統進入自動采集狀態，計算機實時采集7路壓力傳感器、實驗臺主軸轉速傳感器及工作載荷傳感器輸出電壓信號，進行“采樣-處理-顯示”。慢慢轉動電機調速電位器旋鈕啟動電機，使主軸轉速達到實驗預定值（一般n≤300vpm）。
旋動加載螺桿，觀察主界面中軸承載荷顯示值，當達到預定值（一般為1800N）后即可停止調整。
觀察7路油膜壓力顯示值，待壓力值基本穩定后點擊“提取數據鍵”，自動采集結束。主界面上即保存了相關實驗數據。
3、自動繪制滑動軸承油膜壓力分布曲線
點擊“實測曲線”鍵計算機自動繪制滑動軸承實測油膜壓力分布曲線。點擊
“理論曲線”鍵計算機顯示理論計算油膜壓力分布曲線。
4、手工繪制滑動軸承油膜壓力分布曲線
根據測出的油壓大小按一定比例手動繪制油壓分布曲線，如圖8所示。具體畫法是沿著圓周表面從左向右畫出角度分別為：24°，46°，68°，90°，112°，134°，156°等分,得出壓力傳感器1,2,3,4,5,6,7的位置,通過這些點與圓心連線,在它們的延長線上,將壓力傳感器測出的壓力值,按0.1MPa:5mm的比例畫出壓力向量1-1′，2-2′，…7-7′。實驗臺壓力傳感器顯示數值的單位是大氣壓（1大氣壓=1kgf/mm2），換算成國際單位值的壓力值（1kgf/mm2=0.1MPa）。經1′，2′…7′各點連成平滑曲線，這就是位于軸承寬度中部的油膜壓力在圓周方向的分布曲線。
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖39)

圖8 徑向壓力分布與承載量曲線
為了確定軸承的承載量，用pisinφi(1，2，…7)求出壓力分布向量1-1′，
2-2′，…7-7′在載荷方向上（y軸）的投影值。然后，將pisinφi這些平行與y軸的向量移到直徑0-8上，為清楚起見，將直徑0-8平移到圖4的下面部分，在直徑0-8″上先畫出圓周表面上壓力傳感器油孔位置的投影點1′，2′，…7′。然后通過這些點畫出上述相應的各點壓力在載荷方向上的分布量，即1″，2″，…7″點位置，將各點平滑地連接起來，所形成的曲線即為在載荷方向上的壓力分布。在直徑0′-8′上作一矩形，采用方格坐標紙，使其面積與曲線包圍的面積相等，則該矩形的邊長Pav即為軸承中該截面上的油膜中平均徑向壓力。
滑動軸承處于流體摩擦（液體摩擦）狀態工作時，其油膜承載量與外載荷相平衡，軸承內油膜的承載量可用下式求出：

Fr = W =φψPavBd （3-6-9）
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖40)

（3-6-10）

式中，W——軸承內油膜承載能力；
      Fr——外加徑向載荷；
      ψ——軸承端泄對其承載能力的影響系數；
      Pav——軸承的徑向平均單位壓力；
      B——軸瓦長度；
      D——軸瓦內徑。
潤滑油的端泄對軸承內的壓力分布及軸承的承載能力影響較大，通過實驗可以觀察其影響，具體方法如下。
將由實驗測得的每只壓力傳感器的壓力值代入下式，可求出在軸瓦中心截面上的平均單位壓力：
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖41)

(3-6-11)
軸承端泄對軸承承載能力的影響系數,由公式(3-6-11)求得

〈三〉摩擦特性測試實驗
滑動軸承的摩擦特性曲線見圖4。參數η為潤滑油的動力粘度，潤滑油的粘度受到壓力與溫度的影響，由于實驗過程時間短，潤滑油的溫度變化不大；潤滑油的壓力一般低于20MPa，因此可以認為潤滑油的動力粘度是一個近似常數。根據查表可得N46號機械油在20°C時的動力粘度為0.34Pa·s。n為軸的轉速，是一個實驗中可調節的參數。軸承中的平均比壓可用下式計算：
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖42)

（3-6-12）
在實驗中，通過調節軸的轉速n或外加軸承徑向載荷Fr，從而改變ηn/p，將各種轉速n及載荷Fr所對應的摩擦力矩測出由1-5求得出摩擦系數f并畫出f-n及f-Fr曲線。

1、載荷固定，改變轉速
（1）確定實驗模式
打開軸承實驗主界面，點擊“摩擦特性實驗”進入摩擦特性實驗主界面如圖9所示。

圖9 滑動軸承摩擦特性實驗主界面

點擊圖9中“實測實驗”及“載荷固定”模式設定鍵，進入“載荷固定”實驗模式。
（2）系統復位
放松加載螺桿，確認載荷為空載，將電機調速電位器旋鈕逆時針旋到底即零轉速。順時針旋動軸瓦前上端的螺釘，將軸瓦頂起將油膜放凈，然后放松該螺釘，使軸瓦和軸充分接觸。點擊“復位”鍵，計算機采集摩擦力矩傳感器當前輸出值，并將此值作為“零點”保存。
（3）數據采集
系統復位后，在轉速為零狀態下點擊“數據采集”鍵，慢慢旋轉實驗臺加載螺桿，觀察數據采集顯示窗口，設定載荷為100-200N。慢慢轉動電機調速電位器旋鈕并觀察數據采集窗口，此時軸瓦與軸處于邊界潤滑狀態，摩擦力矩會出現較大增加值，由于邊界潤滑狀態不會非常穩定，應及時點擊“數據保存”鍵將這些數據保存（一般2～3個點即可）。
隨著主軸轉速增加機油將進入軸與軸瓦之間進入混合摩擦。此時ηn/p的改變引起摩擦系數f的急劇變化，在剛形成液體摩擦時，摩擦系數f達到最小值。
繼續增加主軸轉速進入液體摩擦階段，隨著ηn/p的增大即n增加，油膜厚度及摩擦系數f也成線形增加，保存8個左右采樣點即完成數據采集。點擊“結束采集”鍵完成數據采集。
（4）繪制測試曲線
點擊“實測曲線”計算機根據所測數據自動顯示f-n曲線。也可由學生抄錄測試數據手工描繪實驗曲線。點擊“理論曲線”計算機按理論計算公式計算并顯示f-n曲線。
按“打印”功能鏈，可將所測試數據及曲線自動打印輸出。
2、轉速固定    改變載荷
（1）確定實驗模式
操作同載荷固定改變轉速模式確定一節，并在圖9中設定為“轉速固定”實驗模式。
（2）系統復位
    同上節操作
（3）數據采集
點擊“數據采集”鍵，在軸承徑向載荷為零狀態下，慢慢轉動調速電位器旋鈕，觀察數據采集顯示窗口，設定轉速為某一確定值，例如200rpm，點擊“數據保存”鍵得到第一組數據。
點擊“數據采集”鍵，慢慢旋轉加載螺桿并觀察采集顯示窗口。當載荷達到
預定值時點擊“數據保存”得到第二組數據。
反復進行上述操作，直至采集8組左右數據，點擊“結束采集”鍵，完成數據采集。
（4）繪制測試曲線
方法同上節，可顯示或打印輸出實測f-F曲線及理論f-F曲線。同樣也可由學生手工繪制。

〈四〉注意事項
在開機做實驗之前必須首先完成以下幾點操作，否則容易影響設備的使用壽命和精度。
（1）在啟動電機轉動之前請確認載荷為空，即要求先啟動電機再加載。
（2）在一次實驗結束后馬上又要重新開始實驗時請順時針旋動軸瓦上端的螺
釘，頂起軸瓦將油膜先放干凈，同時在軟件中要重新復位（這很重要！），這樣確保下次實驗數據準確。
（3）由于油膜形成需要一小段時間，所以在開機實驗或在變化載荷或轉速后請待其穩定后（一般等待5～10s即可）再采集數據。
（4）在長期使用過程中請確保實驗油的足量、清潔；油量不足或不干凈都會影響實驗數據的精度，并會造成油壓傳感器堵塞等問題。

五、附錄
附錄1、軸承實驗臺軟件說明
本軟件界面有兩個主窗體：
主窗體1：油膜壓力仿真與測試    （見附圖 1）
主窗體2：摩擦特性仿真與測試    （見附圖 2）
注：圖中數據僅為參考值，不代表實驗數據

（附圖1）

（附圖2）

附錄2、有限寬軸承的承載量系數CP表
液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖43)

六、思考題
1、為什么油膜壓力曲線會隨轉速的改變而改變？
2、為什么摩擦系數會隨轉速的改變而改變？
3、哪些因素會引起滑動軸承摩擦系數測定的誤差？

七、實驗報告

專業班級------------- 姓名-------------
指導老師-------------- 日期--------------

〈一〉實驗目的

〈二〉實驗機構及測試原理圖

〈三〉實驗步驟

〈四〉數據和曲線
1、實驗數據記錄
/> 液體動壓滑動軸承實驗指導書(圖44)

2、實驗結果曲線
油膜徑向壓力分布與承載量曲線
滑動軸承摩擦特性曲線（載荷固定，轉速變化）
滑動軸承摩擦特性曲線（轉速固定，載荷變化）

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液體動壓滑動軸承實驗指導書