滑動軸承實驗指導書(更新并附實驗報告)

1、滑動軸承實驗一、概述滑動軸承用于支承轉(zhuǎn)動零件，是一種在機械中被廣泛應用的重要零部件。根據(jù)軸承的工作原理，滑動軸承屬于滑動摩擦類型。滑動軸承中的潤滑油若能形成一定的油膜厚度而將作 相對轉(zhuǎn)動的軸承與軸頸表面分開，則運動副表面就不發(fā)生接觸，從而降低摩擦、減少磨損， 延長軸承的使用壽命。根據(jù)流體潤滑形成原理的不同，潤滑油膜分為流體靜壓潤滑 （外部供壓式）及流體動壓潤滑（內(nèi)部自生式），本章討論流體動壓軸承實驗。流體動壓潤滑軸承其工作原理是通過韌頸旋轉(zhuǎn)，借助流體粘性將潤滑油帶人軸頸與軸瓦配合表面的收斂楔形間隙內(nèi)，由于潤滑油由大端人口至小端出口的流動過程中必須滿足流體流動連續(xù)性條件，從而潤滑油在間隙內(nèi)就自然

2、形成周向油膜壓力（見圖1），在油膜壓力作用下，軸頸由圖1（a）所示的位置被推向圖 1（b）所示的位置。圖1動壓油膜的形成當動壓油膜的壓力 p在載荷F方向分力的合力與載荷 F平衡時，軸頸中心處于某一相 應穩(wěn)定的平衡位置 Oi, Oi位置的坐標為 Oi（e,）。其中e =OOi，稱為偏心距； 為偏位 角（軸承中心O與軸頸中心Oi連線與外載荷F作用線間的夾角）。隨著軸承載荷、轉(zhuǎn)速、潤滑油種類等參數(shù)的變化以及軸承幾何參數(shù)（如寬徑比、相對間隙）的不同.軸頸中心的位置也隨之發(fā)生變化。對處于工況參數(shù)隨時間變化下工作的非穩(wěn)態(tài) 滑動軸承，軸心的軌跡將形成一條軸心軌跡圖。為了保證形成完全的液體摩擦狀態(tài)，對于實際的

3、工程表面，最小油膜厚度必須滿足下列條件：hmin S RziRZ2式中，S為安全系數(shù)，通常取 S> 2; Rzi, RZ2分別為軸頸和鈾瓦孔表面粗糙度的十點高度。 滑動軸承實驗是分析滑動軸承承載機理的基本實驗，它是分析與研究軸承的潤滑特性以及進行滑動軸承創(chuàng)新性設計的重要實踐基礎。根據(jù)要求不同，滑動軸承實驗分為基本型、綜合設計型和研究創(chuàng)新型三種類型。二、實驗目的（1）掌握實驗裝置的結(jié)構原理，了解滑動軸承的潤滑方式、軸承實驗臺的加載方法以及軸 承實驗臺主軸的驅(qū)動方式及調(diào)速的原理。（2）掌握實驗臺所采用的測試用傳感器的工作原理。（3）通過實驗測試的周向油膜壓力分布及軸向油膜壓力分布，掌握滑動軸

4、承中流體動壓油 膜形成的機理及滑動軸承承載機理。（4）通過實驗掌握工況參數(shù)和軸承參數(shù)的變化對滑動軸承潤滑性能及承載能力的影響。三、實驗內(nèi)容對于基本型實驗，實驗內(nèi)容如下：（1） 軸承中間平面上周向油膜壓力分布曲線圖見圖2（a）和軸向油膜壓力分布曲線圖見圖 2（c）。（2） 周向油膜壓力分布曲線圖的承載分量的曲線圖見圖2（ b），求軸承的端泄影響系數(shù)K?？紤]有限寬軸承在寬度B方向的端泄對油膜承載量的影響，其影響系數(shù)K可由下式求出：F(2)PmBd式中，F(xiàn)為軸承外載荷，N; B為軸承有效工作寬度，mm； d為軸頸直徑，mm； pm為根據(jù)油膜壓力承載分量的曲線圖求出的動壓油膜的平均壓力，如圖2（b）所

5、示。圖2（a）為實測上軸瓦上均布測點17位置處的油膜壓力形成的周向油膜壓力分布曲線；圖（b）為過這7個分點分別引垂線段I 1”、2 2”、7 7”，使之分別等于圖（a）中的油膜 壓力值的垂直分量后連成的光滑曲線，該曲線被稱為動壓油膜的承載分量曲線；圖（c）為軸向油膜壓力分布曲線。根據(jù)承載分量曲線和直徑所園成的圖形面積等于平均壓力pm與直徑圍成的矩形面積相等的條件，通過數(shù)方格數(shù)的方法即可求出 pm大小。再將求出的 pm值代人式2即可求出K。圖2滑動軸承油膜壓力分布曲線圖四、實驗裝置實驗裝置采用西南交通大學研制的ZHS20系列滑動軸承綜合實驗臺。該實驗臺主要由主軸驅(qū)動系統(tǒng)、靜壓加載系統(tǒng)、軸承潤滑系

6、統(tǒng)、油膜壓力測試系統(tǒng)、油溫測試系統(tǒng)、摩擦觀 察測試系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成。1、主軸驅(qū)動系統(tǒng)及電機選擇實驗臺的主軸支承在實驗臺箱體上的一對滾動軸承上。該主軸的驅(qū)動電動機需滿足無極調(diào)速、低速大轉(zhuǎn)矩及實驗過程中能快速啟停等要求。驅(qū)動電機主要有交流異步電動機、直流電動機、步進電機、交流（直流）伺服電動機等類型。交流伺服電動機的工作原理與普通交流異步電動機相似，但交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻比異步電機的大得多， 其轉(zhuǎn)矩特性（轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率S的關系）也因此較普通電機有很大區(qū)別 （見圖3）。它可使臨界轉(zhuǎn)差率大于1,這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性更接近于線性而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩，因此，伺服電機具有起動快、靈敏度高

7、的特點。目前，基于稀土木磁體的交流水磁伺服驅(qū)動系統(tǒng)，能提供最高水平的動態(tài)響應和扭矩密度。所以用交流伺服驅(qū)動取替?zhèn)鹘y(tǒng)交流調(diào)速、直流和步進調(diào)速驅(qū)動，以便使系統(tǒng)性能達到一個全新的控制水平，從而獲得更寬的調(diào)速范圍和更大的低速扭矩。因此，本實驗臺選用了交流伺服電動機，其優(yōu)點歸納如下：（1）控制精度高。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，因此交流伺服具有極高的控制精度。（2）低頻特性好。步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象； 普通交流電機由變頻器進行調(diào)速， 在低頻時的 力矩?。恢绷麟姍C在低速的控制極不穩(wěn)定。 而交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn). 即使在低速時也 不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振

8、抑制功能， 可以克服機械的剛性不足缺點， 并且 系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析功能 （FFT），可檢測出機械的共振點，使于調(diào)整系統(tǒng)。（3）矩頻特性好。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為1000r/min）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。（4）過載能力強。交流伺服電機具有較強的過載能力。它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。（5）運行穩(wěn)疋。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構造成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖現(xiàn)象，控制性能更為可靠。（6）響應速度快。交流伺

9、服系統(tǒng)的加速性能較好，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速1000 r/min僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。2、液壓系統(tǒng)實驗臺的液壓系統(tǒng)功能， 一是為實驗軸承提供循環(huán)潤滑系統(tǒng)提供壓力供油。液壓系統(tǒng)框圖如圖4所示。為了保證液壓加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)采用變頻恒壓的接制方式。變頻恒壓供油系統(tǒng)主要由油泵、變頻器、壓力傳感器組成，如圖5所示。通過壓力傳感器對加載系統(tǒng)的壓力監(jiān)測，實時調(diào)節(jié)油泵電機的轉(zhuǎn)速使電機一油泵一液壓油路系統(tǒng)組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于在各種轉(zhuǎn)速下形成的油膜壓力和端泄情況有一定的差別，通過變頻恒壓系統(tǒng)能真正地實現(xiàn)在各種轉(zhuǎn)速下加載壓力保持不變。若液壓加載系統(tǒng)向固定于箱座上的加載蓋板內(nèi)的油腔輸

10、送的供油壓力為po時，載荷即施加在軸瓦上，則軸承載荷為：(3)A=60 cm2; Go 為初始F 9.81 Po A GoN式中，Po為油腔供油壓力，kgf/cm2; A為油腔在水平面上投影面積， 載荷（包括軸瓦自重、壓力變送器重量等），Go= 7. 5kgf。ft圖4液壓系統(tǒng)框圖圖5變頻恒壓控制原理框圖3、油膜壓力變送系統(tǒng)在軸瓦的上半部承載區(qū)軸承寬度的中間剖面上，沿周向均布鉆有17共7個小孔，分別在小孔處安裝壓力變送器。當軸旋轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速后，在軸承內(nèi)形成動壓油膜，通過壓力變送 器測出油膜壓力值，并在計算機上顯示周向油膜壓力分布曲線(見圖2)。在軸瓦的有效寬度月的I/4處，安裝軸向油膜壓力變送

11、器8,測出位置8處的油膜壓力P8,根據(jù)軸向油膜壓力分布對稱原理，可以測得袖向油膜壓力分布曲線見圖2(c)。本實驗臺采用壓阻式壓力變送器，它由壓力敏感部件與壓力變送器部件組成。(1 )壓力敏感部件。擴散硅壓阻式壓力傳感器的工作原理：以擴散硅材料制成的膜片作為彈性敏感元件，其硅晶片上通過微機加工工藝構成一個惠斯通電橋、如圖2 6所示，圖中I表示恒流源，R表示電橋阻值，Vs表示激勵電壓，Vo表示電橋輸出電壓。當有外部壓力作用時，膜片發(fā)生 彈性變形，膜片的一部分受壓縮，另一部分則受拉伸。兩個電阻位于膜片的壓縮區(qū)，另兩個 位于拉伸區(qū)，并聯(lián)成惠斯通全橋形式，以使輸出信號最大。圖6惠斯通電橋(2 )壓力變送

12、器部件(性能參數(shù)見表1)。因壓力傳感器是一個在硅晶片上通過加工工藝構成的一個惠斯通電橋，該電橋橋阻的變化與作用在其上的外部作用力大小成正比例關系。為了將電阻變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號，給電橋提供最大2mADC的恒流源，用于激勵壓力傳感器工作。信號放大和轉(zhuǎn)換處理電路將惠斯 通電橋產(chǎn)生的電壓信號線性放大處理后，將其轉(zhuǎn)換為420mADC工業(yè)標準信號變送輸出構成壓力變送器。其主要性能特點如下。 穩(wěn)定性高。每年漂移優(yōu)于0.2%滿量程。 溫度系數(shù)小。由于在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品精密地校準及補償，使其溫度誤差極小。 適應性強。產(chǎn)品量程寬，過程連接形式、制造材料、結(jié)構具有多樣化特征，因而可適 應工業(yè)測量中的各種場合及不同

13、的介質(zhì)。 安裝維護方便。產(chǎn)品可任意安裝在各測量點而不影響其性能。表1壓力變送器的性能參數(shù)表t社1.2200%供電電壓24 VDCP 苑SJ 電灑 i 12-3A VDC琳出酋號420niADC （二戟制）棘A#.4度范國匸咋涓聲范園4、油溫測試系統(tǒng)在軸承的人口處和出口處分別安裝溫度傳感器各一只，分別采集軸承入口處的潤滑油油溫tl和出口處的油溫t2,則可得到潤滑油的平均溫度tmtm=(tl + t2)/2, 般情況下tm不大于75C。5、滑動軸承控制系統(tǒng)實驗臺的8個油膜壓力傳感器、液壓加載傳感器、測摩擦因數(shù)用的拉壓負荷傳感器以及 油溫傳感器采集的測試數(shù)據(jù)通過 A/D轉(zhuǎn)換器，以RS485總線方式傳

14、送到計算機的實驗數(shù)據(jù) 采集及處理軟件系統(tǒng)，交接在屏幕上顯示出來，或由打印機訂印輸出實驗結(jié)果。主軸電機的轉(zhuǎn)速大小通過計算機進行設置，設置值通過E5485總線送到伺服電機驅(qū)動器,由伺服電機驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)速。油壓加載系統(tǒng)的壓力是內(nèi)實驗人員在電腦上設置加載壓力po與液壓加載壓力傳感器的反饋值進行比較，再通過 PID調(diào)節(jié)運算，將動態(tài)地改變變頻器的輸出頻率，使其液壓加載 壓力保持恒定。實驗臺的控制原理框圖如圖7所示。五、實驗裝置的操作步驟及方法(1) 網(wǎng)上預習“滑動軸承實驗”課件。(2) 觀察實驗臺的各部分結(jié)構、檢查油路及電路是否可靠連接。(3) 用手轉(zhuǎn)動軸瓦，使其擺功靈活、無阻滯現(xiàn)象。(4) 根據(jù)實

15、驗六操縱面板(見圖8),按圖示按鈕功能使總電源， 油壓系統(tǒng)及主軸系統(tǒng)處于接 通位置，這時系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。說明：無論做何種實驗，均應先啟動液壓系統(tǒng)電機，后啟動主軸驅(qū)動電機(伺服電機)在實驗過程中，如遇電機轉(zhuǎn)速突然下降或者出現(xiàn)不正常的噪音和振動時，必須卸載或緊急停車，以防電機突然轉(zhuǎn)速過高，燒壞電機、電器及其它意外事故的發(fā)生。 (5 )進入滑動軸承實驗計算機軟件系統(tǒng)。 啟動界面。運行“開始菜單 程序組態(tài)王 組態(tài)王6.51 ”，彈出“組態(tài)王工程管理器”窗口，點 擊“運行”工具按鈕，彈出“提示”對話框，選擇“忽略”按鈕，進入滑動軸承實驗軟件界 面，如圖9所示。圖7控制原理框圖 點擊實驗管理菜單的“實驗

16、管理”進入實驗管理系統(tǒng)。實驗人員自行輸入“實驗時間”，“實驗記錄號”，“實驗分組號”，“實驗人員”，“實驗指 導老師”等，點擊【返回】。 點擊實驗分類菜單，將會顯示出可供選擇的“徑向滑動軸承油膜壓力分布曲線”菜 單，開始實驗(見圖11)。7個油膜壓力等。該界面顯示有：主軸的轉(zhuǎn)速，油壓以及周向的 點擊"靜壓加載”數(shù)字框，彈出鍵盤，設置加載壓力（建議用po=O.1-O.15MPa ） 點擊【油泵控制】菜單，選擇"啟動”，啟動油壓系統(tǒng)。 油壓升起后，點擊“當前轉(zhuǎn)速”數(shù)字框，設置主軸轉(zhuǎn)速（建議用n=200-500r/min ）。設置主軸轉(zhuǎn)速時請先設置為 50 r/min ,運轉(zhuǎn)穩(wěn)定

17、后，再逐步按照100 r/min、150 r/min、200 r/min 逐步增加到需要設置的主軸轉(zhuǎn)速。 觀察油膜周向和軸向的分布曲線，如果曲線模糊，點擊“穩(wěn)定取值”按鈕，同時觀察右邊的油膜壓力數(shù)值顯示窗口的8個點的油膜壓力值。 曲線穩(wěn)定后，點擊暫停采樣,在點擊打印當前窗口。 實驗完成后，根據(jù)周向油膜壓力曲線圖，求出油膜平均壓力Pm值，并計算K值。急停O3 &古佻嘉攏0屯浜IS羊町電銀擅示町電驥屣卵丨此槻耙監(jiān)奧至的蝕置.擺通畏負電源；汕壓系班啟常按尙2用于倉拙廟壓搖紈電機;施壓崇統(tǒng)睜止鐵鈕3用于停止油壓系統(tǒng)起機：主軸系蜿雇動按聽用于直動嚅職電機（主軸鬼詁電機h主軸殺蜿停比按釈5用于靜止

18、劎JK電柄.f隸停境相6左應念情況下'壓下此故til可切斷靈金韓燒的電璟*快箭頭方向捷特后，我顯弾起即可裁愛供電圖8實驗臺操縱面板布置圖* -J圖9系統(tǒng)首界面圖10進入實驗管理系統(tǒng)0. 33NPanthMFiJN自竝總壓力貯MT | MFaHf *圖11軸承油膜壓力分布曲線停止運行系統(tǒng)時，務必先關閉主軸驅(qū)動電機（按“軸停止”鍵），等主軸驅(qū)動電機停止轉(zhuǎn)動后再卸載軸承靜壓載荷（調(diào)“靜壓載荷”鍵），最后關閉液壓系統(tǒng)電機，以減輕軸瓦磨損。停止主軸：點擊“軸停止”。停止油壓系統(tǒng)：選擇油泵控制菜單下的“停止”即可。六、思考題1、哪些因素影響液體動壓軸承的承載能力及其動壓油膜的形成？2、當載荷增加或轉(zhuǎn)速升高時，油膜壓力分布曲線有什么變化？3、 軸向壓力分布曲線與軸承寬徑比B/d之間有什么關系？當 B/d > 4及B/d < 1/4兩種情況 下，它們的軸向油膜壓力分布有何明顯差異？求解流體動力潤滑雷諾方程的簡化方程時又有何不同？深圳大學實驗報告課程名稱：機械設計實驗名稱：滑動軸承實驗學 院：機電與控制工程學院專 業(yè)：機械設計制造及其自動化指導教師：報告人：學號：第組班 級：實驗時間：實驗報告提交時間：教務處制、實驗目的、實驗原理三、實驗裝置結(jié)構簡圖四、實驗步驟五、實驗