液体动压滑动轴承油膜压力分布和摩擦特性曲线

机械设计基础（Ⅲ）实验报告 班级姓名液体动压滑动轴承油膜压力分布和摩擦特性曲线 学号一、 概述液体动压滑动轴承的工作原理是通过轴颈的旋转将润滑油带入摩擦表面，由于油的粘性（粘度）作用，当达到足够高的旋转速度时油就被挤入轴与轴瓦配合面间的楔形间隙内而形成流体动压效应，在承载区内的油层中产生压力，当压力的大小能平衡外载荷时，轴与轴瓦之间形成了稳定的油膜，这时轴的中心对轴瓦中心处于偏心位置，轴与轴瓦间的摩擦是处于完全液体摩擦润滑状态，其油膜形成过程及油膜压力分布如图6-1所示。

图6-1 建立液体动压润滑的过程及油膜压力分布图滑动轴承的摩擦系数f 是重要的设计参数之一，它的大小与润滑油的粘度η(Pa.s)、轴的转速n(r/min)和轴承压强p(Mpa)有关，令pnηλ=式中，λ——轴承摩擦特性系数。

图6-2 轴承摩擦特性曲线观察滑动轴承形成液体摩擦润滑过程中摩擦系数变化的情况，f-λ关系曲线如图6-2所示，曲线上有摩擦系数最低点，相应于这点的轴承摩擦特性系数λkp称为临界特性数。

在λkp以右，轴承建立液体摩擦润滑，在λkp以左，轴承为非液体摩擦润滑，滑动表面之间有金属接触，因此摩擦系数f 随λ减小而急剧增大，不同的轴颈和轴承材料、加工情况、轴承相对间隙等，λkp也随之不同。

本实验的目的是：了解轴承油膜承载现象及其参数对轴承性能的影响；掌握油膜压力、摩擦系数的测试及数据处理方法。

二、 实验要求1、在轴承载荷F=188kgf 时，测定轴承周向油膜压力和轴向油膜压力，用坐标纸绘制出周向和轴向油膜压力分布曲线，并求出轴承的实际承载量。

在轴承载荷F=128kgf 时，测定轴承周向油膜压力和轴向油膜压力，用计算机进行数据处理，得出周向和轴向油膜压力分布曲线及轴承的承载量。

2、测定轴承压力、轴转速、润滑油粘度与摩擦系数之间的关系，用计算机进行数据处理，得出轴承f-λ曲线。

三、 实验设备及原理本实验使用 HZS-1型液体动压轴承实验台，它由传动装置、加载装置、摩擦系数测量装置、油膜压力测量装置和被试验轴承和轴等所组成。

1、传动装置：如图6-3所示，被试验的轴承2和轴1支承于滚动轴承3上，由调速电机7通过三角带6及变速箱5带动轴1旋转并可获得不同的转速。

图6-4为试验台的总体布置图。

图6-3 轴承试验台传动示意图 图6-4 试验台总体外观图1— 轴；2—试验轴承；3—滚动轴承；4—联轴器； 1—试验轴承箱；2—供油压力表；3—减压阀； 5—变速箱；6—三角带传动装置；7—调速电机 4—加载油腔压力表；5—溢流阀；6—油箱；7—总开关；8—变速箱；9—带传动；10—转速表；11—转速调节旋钮；12—油泵开关；13—主电机开关；14—调速电机；15—转速控制开关2、加载装置：如图6-5所示，图中4为静压加载板，它位于被测轴承上部，并固定在箱体上，当输入压力油至加载板的油腔内时，轴承即获得载荷，此载荷是施加在轴承壳体上的，轴承载荷为)(81.900G A p F +=, N (6-1)式中 0p —加载板供油腔供油压强（kgf/cm 2）;A —加载板油腔的投影面积，A=60 cm 2；G 0—轴承自重，G 0=8 kgf （包括压力表及平衡重）。

图6-5 静压加载装置 图6-6 轴承油膜压力测量装置1—轴；2—轴承；3—测力杠杆； 1—压力表（七个，120°内周向分布）； 4—加载板；5—拉力测力计； 2—压力表（一个，轴向B/4处）； 6—平衡重；7—卡板 3—主轴；4—试验轴承3、摩擦系数测量装置：摩擦系数是通过测量轴承摩擦力矩而得到的，图6-5中测力杆3是与轴承2联接为一体的，当轴旋转后，作用在轴承上的摩擦力矩是通过测力杆由测力计5平衡的，因此QL dfF =⨯2(6-2)式中 f----轴承摩擦系数；L----测力杆力臂距离，L=150㎜； d----轴颈直径，d=60㎜； F----轴承载荷，NQ----测力计力的读数，gf,(克力)。

将L 、d 之数值带入式（6-2），并化简得FQf 049.0= (6-3) 4、油膜压力测量装置：与图6-1不同的是承载区是在轴承上半部，为了测量油膜压力，在轴承上半部中间即轴承有效宽度B/2处（图6-6）的剖面上沿圆周120°内钻有七个均匀分布的小孔，并联接七只压力表（测周向压力），在轴承轴向有效宽度B/4处也钻有一个小孔，并联接一只压力表（可测轴向压力）。

这样通过压力表可以读出相应位置的油膜压力值，从而得到轴承的周向和轴向压力分布曲线。

使用计算机辅助实验时，试验轴承小孔上安装有电阻式压力传感器，油膜压力信号经由传感器将压力值转换为电信号，并经放大及A/D 转换，输入计算机后进行数据处理并打印全部实验结果。

5、试验机的主要参数及性能试验轴承： 直径d=60㎜；有效宽度B=60㎜； 材料ZQSn6-6-3；表面粗糙度Ra 0.8µm(▽7) 相对间隙：=ϕ 1.17‰（直径间隙△=0.07㎜）； 润滑油：10号机械油；加载范围：0-300kgf(调节溢流阀实现无级可调)；调速范围；20-1200r/min(低速档20-200 r/min ，高速档120-1200 r/min)。

四、 实验方法及步骤1、油膜压力分布的测定：先用卡板7（图6-5）卡住测力杆3，以免拉力测力计损坏，开启油泵，调节溢流阀，使轴承供油压力约在0.5-1 kgf/㎝2内，将变速箱变速手柄放在低速档上，调速旋钮旋至低速位置，开启调速电机及转速控制开关，指示红灯亮，转动调速旋钮，使转速读数在100-200 r/min 之间，再将变速手柄扳到高速档，逐渐调高转速至600 r/min ，调节溢流阀手柄，将加载供油压力调到规定的数值，例如0p =3 kgf/㎝2（轴承载荷 F=188 kgf ），运转几分钟待各压力表数值稳定后自左至右依次记录七只压力表及轴向B/4处压力表读数。

重新调节加载供油压力0p =2kgf/㎝2（轴承载荷F=128 kgf ），待稳定后记录各压力表数值于表6-1中。

使用计算机辅助实验时，可将一种载荷下（例如F=188 kgf ）的压力数据通过传感器直接输入计算机进行测试和数据处理。

2、摩擦系数及特性系数λ的测定特性系数λ的获得主要是测定η、p 、及n 各项参数。

粘度η主要根据轴承平均工作温度m t 来决定。

压力p 可根据轴承载荷确定，本实验轴承载荷可保持不变，转速n 则可用转速计测得。

或从试验台上的转速表上读得。

实验时，使加载供油压力0p =3kgf/㎝2保持不变，将卡板7打开，使测力杆3可以自由转动，依次将主轴转速调至600、500、400、300、200、100、50、30 r/min …等（临界值附近可依具体情况选择），记录各转速时的拉力计读数，并相应测定轴承进油温度t 1(与静压加载板油温相同)，根据t 1与轴承平均工作温度 t m 关系公式（6-4），可相应计算得到t m 值，再根据粘温曲线（图6-7）可查得润滑油粘度η值，将各数据记录于表6-2中。

数据测试完毕，应注意先卸载，并降低转速，然后停车。

3、轴承平均工作温度m t 及粘度η的确定由于测定轴承的工作温度比较困难，因此采用测定轴承入口油温t 1方法，然后由发热条件，根据实验得出的经验公式计算出轴承平均工作温度m t 。

185.032.9t t m += (6-4) 式（6-6）适用条件为轴承采用10号机械油润滑.实际测量t 1是测量静压加载板油腔温度，因它与试验轴承是使用同一油路，其油温与轴承入口油温相同。

根据轴承平均工作温度m t ，可由图6-7粘温曲线查得轴承的工作粘度η值。

油膜压力分布、f-λ曲线等各项实验结果记录表格见表6-1、6-2。

.图6-7 10号机械油粘度温度关系曲线五．数据处理图6-8 周向油膜压力分布曲线 图6-10 轴承摩擦特性曲线1、绘制周向、轴向油膜压力分布曲线并计算实际承载量。

将轴承孔按1：1比例绘制在16开坐标纸上，并将七个测压孔位置 1、2、……7相应标出（1～7之间每个间隔20°，1和7与水平中心线各成30°角）。

通过各点沿半径延长方向按一定比例尺（建议取1㎝=2 kgf/㎝2）标出所测得的相应压力表读数，将各压力向量末端连成一光滑曲线，即得轴承中间剖面油膜压力分布曲线。

曲线起末两点由曲线光滑连接定出。

（图6-8）。

由油膜压力分布曲线可求得轴承中间剖面上的平均单位压力，将圆周上各点0，1，2……7，8投影到一水平直线上（图6-8下部），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′联接成一光滑曲线，用数方格方法或用求积仪近似求出此曲线所围的面积，然后取m p 使其0′8′所围矩形面积与所求得的面积相等，此m p 值即为轴承中间剖面上的平均单位压力（应按原比例尺换算出压力值）。

轴承端泄对油膜压力在宽度方向的影响系数BdP Fk m（6-5） 式中 F —轴承载荷，N ；m p —轴承中间剖面上的平均压力，Mpa ； B —轴承有效宽度，㎜； d —轴承孔直径， ㎜。

一般认为轴向油压近似二次抛物线规律分布，k ≈0.67,将求得的k 值与此值加以比较分析。

用坐标纸绘制轴向油膜压力分布曲线，画一水平线取长度为B=60㎜,在中点的垂线上按前比例尺标出该点的压力为P 4(端点为4′)，在距两端B/4=15㎜处沿垂线方向各标出压力P 8（即压力表8的读数），由对称关系，轴承轴向压力各点依次为0，8′，4′，8′，0五点可连成一光滑曲线，如果轴向压力符合抛物线分布规律，根据理论分析，则max 843p p ≈，其中4max p p =，将实测之8p 与443p 进行分析比较。

2、绘制轴承摩擦特性曲线根据实测及记录的数据，f 值可由式（6-3）算出，λ值为p n /ηλ= （6-6） 式中 η—润滑油动力粘度,Pa ·s,由轴承平均工作温度t m 查出； n —轴的转速，r/min; p —轴承压强，dBFp =, MPa. 五、 计算机辅助实验本实验台与计算机联接，在滑动轴承周向、轴向承载区安装压力传感器，经电压放大器，A/D 转换装置，采集有关油膜压力分布的实验数据，输送到计算机中。

对于滑动轴承摩擦特性实验的数据，采用“人机对话”方式输入实验数据。

然后，利用微机进行计算，数据处理，包括在屏幕上显示实验曲线、用打印机打印实验报告等。

实验装置的方框图如下图所示：实验基本原理为：当试验轴承形成液体动压后，油膜压力通过压力传感器转换成电压（mv ）输出，再经滑动轴承数据采集仪（采集仪通过电压放大装置将电压放大，并将放大后的电压信号通过A/D 转换板进行模/数转换），转换后的信号存入计算机中。