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1、滑动轴承实验一、概述 滑动轴承用于支承转动零件，是一种在机械中被广泛应用的重要零部件。根据轴承的工 作原理，滑动轴承属于滑动摩擦类型。滑动轴承中的润滑油若能形成一定的油膜厚度而将作 相对转动的轴承与轴颈表面分开，则运动副表面就不发生接触，从而降低摩擦、减少磨损， 延长轴承的使用寿命。根据流体润滑形成原理的不同，润滑油膜分为流体静压润滑（外部供压式）及流体动压润 滑（内部自生式），本章讨论流体动压轴承实验。流体动压润滑轴承其工作原理是通过韧颈旋转，借助流体粘性将润滑油带人轴颈与轴瓦 配合表面的收敛楔形间隙内，由于润滑油由大端人口至小端出口的流动过程中必须满足流体 流动连续性条件，从而润滑油在间隙
2、内就自然形成周向油膜压力（见图 1），在油膜压力作用 下，轴颈由图l（a）所示的位置被推向图l（b）所示的位置。fa停才状娄时（b）丞转状裔时图 l 动压油膜的形成当动压油膜的压力p在载荷F方向分力的合力与载荷F平衡时，轴颈中心处于某一相 应稳定的平衡位置O, O位置的坐标为O（e, 0）。其中e =OO1，称为偏心距；0为偏位 角（轴承中心O与轴颈中心O连线与外载荷F作用线间的夹角）。随着轴承载荷、转速、润滑油种类等参数的变化以及轴承几何参数（如宽径比、相对间 隙）的不同轴颈中心的位置也随之发生变化。对处于工况参数随时间变化下工作的非稳态 滑动轴承，轴心的轨迹将形成一条轴心轨迹图。为了保证形
3、成完全的液体摩擦状态，对于实际的工程表面，最小油膜厚度必须满足下 列条件：h 二 S（R + R ）（1）minzlZ 2式中，S为安全系数，通常取S22； R, Rz2分别为轴颈和铀瓦孔表面粗糙度的十点高度。z1 Z2滑动轴承实验是分析滑动轴承承载机理的基本实验，它是分析与研究轴承的润滑特性以 及进行滑动轴承创新性设计的重要实践基础。根据要求不同，滑动轴承实验分为基本型、综合设计型和研究创新型三种类型。二、实验目的(1) 掌握实验装置的结构原理，了解滑动轴承的润滑方式、轴承实验台的加载方法以及轴 承实验台主轴的驱动方式及调速的原理。(2) 掌握实验台所采用的测试用传感器的工作原理。(3) 通
4、过实验测试的周向油膜压力分布及轴向油膜压力分布，掌握滑动轴承中流体动压油 膜形成的机理及滑动轴承承载机理。(4) 通过实验掌握工况参数和轴承参数的变化对滑动轴承润滑性能及承载能力的影响。三、实验内容对于基本型实验，实验内容如下：(1) 轴承中间平面上周向油膜压力分布曲线图见图2(a)和轴向油膜压力分布曲线图见图 2(c)。(2) 周向油膜压力分布曲线图的承载分量的曲线图见图 2(b) ，求轴承的端泄影响系数 K。考虑有限宽轴承在宽度B方向的端泄对油膜承载量的影响，其影响系数K可由下式求出：2)p Bdm式中，F为轴承外载荷，N； B为轴承有效工作宽度，mm； d为轴颈直径，mm； ”加为 根据
5、油膜压力承载分量的曲线图求出的动压油膜的平均压力，如图2(b)所示。图2(a)为实测上轴瓦上均布测点17位置处的油膜压力形成的周向油膜压力分布曲线； 图(b)为过这7个分点分别引垂线段11”、22”、77”，使之分别等于图(a)中的油膜 压力值的垂直分量后连成的光滑曲线，该曲线被称为动压油膜的承载分量曲线；图(c)为轴 向油膜压力分布曲线。根据承载分量曲线和直径所园成的图形面积等于平均压力pm与直径围成的矩形面积相等的 条件，通过数方格数的方法即可求出pm大小。再将求出的pm值代人式2即可求出K。01 2 3 4 5 6 78图 2 滑动轴承油膜压力分布曲线图四、实验装置实验装置采用西南交通大
6、学研制的ZHS20系列滑动轴承综合实验台。该实验台主要由 主轴驱动系统、静压加载系统、轴承润滑系统、油膜压力测试系统、油温测试系统、摩擦观 察测试系统以及数据采集与处理系统等组成。1、主轴驱动系统及电机选择 实验台的主轴支承在实验台箱体上的一对滚动轴承上。该主轴的驱动电动机需满足无极 调速、低速大转矩及实验过程中能快速启停等要求。驱动电机主要有交流异步电动机、直流电动机、步进电机、交流（直流）伺服电动机等类 型。交流伺服电动机的工作原理与普通交流异步电动机相似，但交流伺服电动机的转子电阻 比异步电机的大得多，其转矩特性（转矩T与转差率S的关系）也因此较普通电机有很大区别 （见图 3）。它可使临
7、界转差率大于 1，这样不仅使转矩特性更接近于线性而且具有较大的目前，基于稀土木磁体的交流水磁伺服驱动系统，能提供最高水平的动态响应和扭矩密 度。所以用交流伺服驱动取替传 统交流调速、直流和步进调速驱动，以便使系统性能达到 一个全新的控制水平，从而获得更宽的调速范围和更大的低速扭矩。因此，本实验台选用了 交流伺服电动机，其优点归纳如下：（1）控制精度高。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证，因此交流伺服具有极高的控 制精度。（2）低频特性好。步进电机在低速时易出现低频振动现象；普通交流电机由变频器进行调速，在低频时的 力矩小；直流电机在低速的控制极不稳定。而交流伺服电机运转非常平稳
8、即使在低速时也 不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可以克服机械的刚性不足缺点，并且 系统内部具有频率解析功能（FFT）,可检测出机械的共振点，使于调整系统。（3）矩频特性好。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为1000r/min）以内，都能输出额定 转矩，在额定转速以上为恒功率输出。（4）过载能力强。交流伺服电机具有较强的过载能力。它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额 定转矩的 3 倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。（5）运行稳定。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构 造成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的
9、丢步或过冲现象，控制性能更为可靠。（6）响应速度快。交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速1000 rmin 仅需几毫秒，可 用于要求快速启停的控制场合。2、液压系统实验台的液压系统功能，是为实验轴承提供循环润滑系统提供压力供油。液压系统框 图如图 4 所示。为了保证液压加载系统的稳定性，该系统采用变频恒压的接制方式。变频恒压供油系统 主要由油泵、变频器、压力传感器组成，如图5 所示。通过压力传感器对加载系统的压力监 测，实时调节油泵电机的转速使电机油泵液压油路系统组成一个闭环控制系统。由于在 各种转速下形成的油膜压力和端泄情况有定的差别，通过变频恒压系统能真正地实现在各 种转速下
10、加载压力保持不变。若液压加载系统向固定于箱座上的加载盖板内的油腔输送的供油压力为p0时，载荷即施 加在轴瓦上，则轴承载荷为：F 二 9.81（p A + G ） N（3）00式中，P0为油腔供油压力，kgf/cm2； A为油腔在水平面上投影面积，A=60 cm2； Go为初始 载荷（包括轴瓦自重、压力变送器重量等），Go = 7. 5kgf。油泵电机油箱 过滤燈单向阀上轴瓦下轴瓦轴瓦祠滑调压陶液压加裁加载盖扳图 4 液压系统框图图 5 变频恒压控制原理框图3、油膜压力变送系统在轴瓦的上半部承载区轴承宽度的中间剖面上，沿周向均布钻有17共 7个小孔，分别 在小孔处安装压力变送器。当轴旋转到一定转
11、速后，在轴承内形成动压油膜，通过压力变送 器测出油膜压力值，并在计算机上显示周向油膜压力分布曲线（见图 2）。在轴瓦的有效宽度 月的1/4处，安装轴向油膜压力变送器8,测出位置8处的油膜压力p8,根据轴向油膜压 力分布对称原理，可以测得袖向油膜压力分布曲线见图 2（c）。本实验台采用压阻式压力变送器，它由压力敏感部件与压力变送器部件组成。 （1）压力敏感部件。扩散硅压阻式压力传感器的工作原理：以扩散硅材料制成的膜片作为弹性敏感元件，其 硅晶片上通过微机加工工艺构成一个惠斯通电桥、如图 26 所示，图中 I 表示恒流源， R 表示电桥阻值，V表示激励电压，Vo表示电桥输出电压。当有外部压力作用时
12、，膜片发生S弹性变形，膜片的一部分受压缩，另一部分则受拉伸。两个电阻位于膜片的压缩区，另两个图 6 惠斯通电桥（2）压力变送器部件（性能参数见表 1）。因压力传感器是一个在硅晶片上通过加工工艺构成的一个惠斯通电桥，该电桥桥阻的变 化与作用在其上的外部作用力大小成正比例关系。为了将电阻变化量转换为电压信号，给电 桥提供最大2mADC的恒流源，用于激励压力传感器工作。信号放大和转换处理电路将惠斯 通电桥产生的电压信号线性放大处理后，将其转换为420mADC工业标准信号变送输出构 成压力变送器。其主要性能特点如下。 稳定性高。每年漂移优于0.2%满量程。 温度系数小。由于在生产过程中对产品精密地校准
13、及补偿，使其温度误差极小。 适应性强。产品量程宽，过程连接形式、制造材料、结构具有多样化特征，因而可适 应工业测量中的各种场合及不同的介质。 安装维护方便。产品可任意安装在各测量点而不影响其性能。表 1 压力变送器的性能参数表0 1.2 MPa允许过載200%供电电压24VDC,范围电源：1230 V DC输出信号4 一 20 mA DC（二换制）M度0.5%补偿温度范團工作温度范團-lo+sor4、油温测试系统 在轴承的人口处和出口处分别安装温度传感器各一只，分别采集轴承入口处的润滑油油温t1和出口处的油温t2,则可得到润滑油的平均温度t tm=（t1+t2）/2，一般情况下t不大于12m
14、12m75 C。5、滑动轴承控制系统实验台的 8 个油膜压力传感器、液压加载传感器、测摩擦因数用的拉压负荷传感器以及 油温传感器采集的测试数据通过A/D转换器，以RS485总线方式传送到计算机的实验数据 采集及处理软件系统，交接在屏幕上显示出来，或由打印机订印输出实验结果。主轴电机的转速大小通过计算机进行设置，设置值通过 E5485 总线送到伺服电机驱动 器,由伺服电机驱动器控制电机的转速。油压加载系统的压力是内实验人员在电脑上设置加载压力po与液压加载压力传感器的 反馈值进行比较，再通过 PID 调节运算，将动态地改变变频器的输出频率，使其液压加载 压力保持恒定。实验台的控制原理框图如图7所
15、示。五、实验装置的操作步骤及方法（1）网上预习“滑动轴承实验”课件。（2）观察实验台的各部分结构、检查油路及电路是否可靠连接。（3）用手转动轴瓦，使其摆功灵活、无阻滞现象。（4）根据实验六操纵面板（见图 8），按图示按钮功能使总电源，油压系统及主轴系统处于接 通位置，这时系统进入工作状态。说明：无论做何种实验，均应先启动液压系统电机，后启动主轴驱动电机（伺服电机）。 在实验过程中，如遇电机转速突然下降或者出现不正常的噪音和振动时，必须卸载或紧急停车，以防电机突然转速过高，烧坏电机、电器及其它意外事故的发生。（5）进入滑动轴承实验计算机软件系统。启动界面。运行“开始菜单程序组态王 6.51组态王 6.51”，弹出“组态王工程管理器”窗口，点 击“运行”工具按钮，弹出“提示”对话框，选择“忽略”按钮，进入滑动轴承实验软件界 面，如图 9 所示。实验人员自行输入“实验时间”，“实验记录号”，“实验分组号”，“实验人员”，“实验指导老师”等，点击【返回】。点击实验分类菜单，将会显示出可供选择的“径向滑动轴承油膜压力分布曲线”菜
