ZCS液体动压轴承实验指导书M.docx
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ZCS液体动压轴承实验指导书M
液体动压轴承实验
一、实验目的
该实验台用于机械设计中液体动压滑动轴承实验。
主要利用它来观察滑动轴承的结构、测量其径向油膜压力分布、测定其摩擦特征曲线。
1、观察滑动轴承的动压油膜形成过程与现象。
2、通过实验，绘出滑动轴承的特性曲线。
3、了解摩擦系数、转速等数据的测量方法。
4、通过实验数据处理，绘制出滑动轴承径向油膜压力分布曲线与承载量曲线。
二、实验系统组成
（一）实验系统组成
图1滑动轴承实验系统框图
轴承实验系统框图如图1所示，它由以下设备组成：
1、ZCS—I液体动压轴承实验台——轴承实验台的机械结构
2、油压表——共7个，用于测量轴瓦上径向油膜压力分布值
3、工作载荷传感器——为应变力传感器、测量外加载荷值
4、摩擦力矩传感器——为应变力传感器、测量在油膜粘力作用下轴与轴瓦间产生的磨擦力矩
5、转速传感器——为霍尔磁电式传感器、测量主轴转速
6、XC—I液体动压轴承实验仪——以单片微机为主体、完成对工作载荷传感器，磨擦力矩传感器及转速传感器信号采集，处理并将处理结果由LED数码管显示出来。
（二）轴承实验台结构特点
实验台结构如图2所示
该试验台主轴7由两高精度的单列向心球轴承支承。
直流电机1通过三角带2传动主轴7,主轴顺时针转动.主轴上装有精密加工的轴瓦5由装在底座上的无级调速器12实现主轴的无级变速，轴的转速由装在实验台上的霍尔转速传感器测出并显示。
主轴瓦5外圆被加载装置（末画）压住，旋转加载杆即可方便地对轴瓦加载，加载力大小由工作载荷传感器6测出，由测试仪面板上显示。
主轴瓦上还装有测力杆L，在主轴回转过程中，主轴与主轴瓦之间的磨擦力矩由磨擦力矩传感器测出，并在测试仪面板上显示，由此算出磨擦系数。
主轴瓦前端装有7只测径向压力的油压表4，油的进口在轴瓦的1/2处。
由油压表可读出轴与轴瓦之间径向平面内相应点的油膜压力，由此可绘制出径向油膜压力分布曲线。
图2实验台结构示意图
1、直流电机2、三角带
3、磨擦力矩传感器4、油压表
5、轴瓦6、工作载荷传感器7、主轴9、油槽
10、底座12、调速旋钮
（三）液体动压轴承实验仪
XC-I液体动压轴承实验仪
摩擦力矩（Nm）
转速（r/m）
工作载荷（N）
清零
电源
5
图3轴承实验仪正面图
1、转速显示2、工作载荷显示3、摩擦力矩显示
4、摩擦力矩清零5、电源开关
图4轴承实验仪背面图
1、电源座2、摩擦力矩传感器输入接口3、工作载荷传感器输入接口4、转速传感器输入接口
5、工作载荷传感器清零按钮
如图所示，实验仪操作部分主要集中在仪器正面的面板上，在实验仪的后面板上设有磨擦力矩输入接口，载荷力输入接口，转速传感器输入接口等。
实验仪箱体内附设有单片机，承担检测，数据处理，信息记忆，自动数字显示等功能。
三、实验原理及测试内容
1、实验原理
滑动轴承形成动压润滑油膜的过程如图5（a）所示。
当轴静止时，轴承孔与轴颈直接接触，如图5（a）所示。
径向间隙△使轴颈与轴承的配合面之间形成楔形间隙，其间充满润滑油。
由于润滑油具有粘性而附着于零件表面的特性，因而当轴颈回转时，依靠附着在轴颈上的油层带动润滑油挤入楔形间隙。
因为通过楔形间隙的润滑油质量不变（流体连续运动原理），而楔形中的间隙截面逐渐变小，润滑油分子间相互挤压，从而油层中必然产生流体动压力，它力图挤开配合面，达到支承外载荷的目的。
当各种参数协调时，液体动压力能保证轴的中心与轴瓦中心有一偏心距e。
最小油膜厚度nmin存在于轴颈与轴承孔的中心连线上。
液体动压力的分布如图5（c）所示。
图5液体动压润滑膜形成的过程
液体动压润滑能否建立，通常用f-λ曲线来判别。
图6中f为轴颈与轴承之间的摩擦系数，λ为轴承特性系数，它与轴的转速n，润滑油动力粘度η、润滑油压强p之间的关系为：
λ为=ηn/p
式中，n为轴颈转速；η为润滑油动力粘度；p为单位面积载荷。
Fr
即式中，p=l1d；Nmm2。
Fr是轴承承受的径向载荷；d是轴承的孔径，本实验中，d=70mm；l1是轴承有效工作长度，对本实验轴承，取l1=125mm。
如图6，当轴颈开始转动时，速度极低，这时轴颈和轴承主要是金属相接触，产生的摩擦为金属间的直接摩擦，摩擦阻力最大。
随着转速的增大，轴颈表面的圆周速度增大，带入油楔内的油量也逐渐加多，则金属接触面被润滑油分隔开的面积也逐渐加大，因而摩擦阻力也就逐渐减小。
当速度增加到一定大小之后，已能带入足够把金属接触面分开的油量，油层内的压力已建立到能支承轴颈上外载荷程度，轴承就开始按照液体摩擦状态工作。
此时，由于轴承内的摩擦阻力仅为液体的内阻力，故摩擦系数达到最小值，如图6摩擦特性曲线上A点。
当轴颈转速进一步加大时，轴颈表面的速度亦进一步增大，使油层间的相对速度增大，故液体的内摩擦也就增大，轴承的摩擦系数也随之上升。
图6摩擦特性曲线（Stribeck曲线）
特性曲线上的A点是轴承由混合润滑向流体润滑转变的临界点。
此点的摩擦系数最小，此点相对应的轴承特性系数称为临界特性系数，以λ。
表示。
A点之右，即λ＞λ。
区域为流体润滑状态；A点之左，即λ＜λ。
区域称为边界润滑状态。
根据不同条件所测得的f和λ之值，我们就可以作出f-λ曲线，用以判别轴承的润滑状态，能否实现在流体润滑状态下工作。
2、油膜压力测试实验
（1）理论计算压力
图7为轴承工作时轴颈的位置。
根据流体动力润滑的雷诺方程，从油膜起始角
1到任意角
的压力为：
P
=6η
（1-1）
式中：
P
——任意位置的压力单位：
Pa
η——油膜粘度
ω——主轴转速单位：
rad/s
——相对间隙
=
其中D为轴承孔直径，d为轴径直径
——油压任意角单位：
度
0——最大压力处极角单位：
度
1——油膜起始角单位：
度
——偏心率=
=
其中e为偏心距
在雷诺公式中，油膜起始角
1、最大压力处极角
0由实验台实验测试得到。
另一变化参数：
偏心率
的变化情况，它由查表得到。
具体方法如下：
对有限宽轴承，油膜的总承载能力为：
F=
（1-2）
式中：
F——承载能力，即外加载荷单位：
N
B——轴承宽度单位：
mm
Cp——承载量系数，见表1
图7径向滑动轴承的油压分布
由公式（1-2）可推出：
Cp=
（1-3）
由公式（1-3）计算得承载量系数Cp后再查表可得到在不同转速、不同外加载荷下的偏心率情况。
注：
若所查的参数系数超出了表中所列的，可用插入值法进行推算。
（2）实际测量压力
如前图2所示，启动电机，控制主轴转速，并施加一定工作载荷，运转一定时间后轴承中形成压力油膜。
图中代号F1，F2，F3，F4，F5，F6，F7七个油压表，用于测量并显示轴瓦表面每隔22度角处的七点油膜压力值。
根据测出的各实际压力值，按一定比例绘制出油压分布曲线作出油膜实际压力分布曲线与理论分布曲线，比较两者间的差异。
3、摩擦特性实验
（1）理论摩擦系数
理论摩擦系数公式：
f=
+0.55
（1-4）
式中：
f——摩擦系数
p——轴承平均压力，p=
单位：
Pa
ε——随轴承宽径比而变化的系数，对于B/d<1的轴承，ε=（d/B）1.5；
当B/d≥1时，ε=1；
图8轴径圆周表面摩擦力分析
——相对间隙
=
由公式（1-4）可知理论摩擦系数f的大小与油膜粘度η、转速ω和平均压力p（也即外加载荷F）有关。
在使用同一种润滑油的前提下，粘度η的变化与油膜温度有关，由于不是在长时间工作的情况下，油膜温度变化不大，因此在本实验系统中暂时不考虑粘度因素。
（2）测量摩擦系数
如图2所示，在轴瓦中心引出一测力杆压在力传感器2，用以测量轴承工作时的摩擦力矩，进而换算得摩擦系数值。
对它们分析如图8：
∑F*r=N*L
（1）
∑F=f*F
（2）
式中：
∑F——圆周上各切点摩擦力之和∑F=F1+F2+F3+F4+…
r——圆周半径
N——压力传感器测得的力
L——力臂
F——外加载荷力
f——摩擦系数
所以实测摩擦系数公式：
f=
（1-5）
4、轴承实验中其他重要参数
在轴承实验实验中还有一些比较重要的参数概念，以下分别作一一介绍。
（1）轴承的平均压力p（单位：
MPa）
p=
≤[p]（1-6）
式中：
F——外加载荷，N
B——轴承宽度，mm
d——轴径直径，mm
[p]——轴瓦材料许用压力，MPa，其值可查
（2）轴承pv值（单位：
MPa*m/s）
轴承的发热量与其单位面积上的摩擦功耗fpv成正比（f是摩擦系数），限制pv值就是限制轴承的温升。
Pv=
=
≤[pv]（1-7）
式中：
v——轴颈圆周速度，m/s
[pv]——轴承材料pv许用值，MPa*m/s，其值可查
⑶最小油膜厚度
hmin=r*
（1-8）
式中各参数说明见前。
四、实验操作步骤
1、系统联接及接通电源
轴承实验台在接通电源前，应先将电机调速旋扭逆时针转至“0速”位置。
将磨擦力矩传感器信号输出线，转速传感器信号输出线分别接入实验器对应接口。
松开实验台上的螺旋加载杆，打开实验台及实验仪的电源开关接通电源。
2、载荷及磨擦力矩调零
保持电机不转，松开实验台上螺旋加载杆，在载荷传感器不受力
的状态下按一下实验仪后板上的“复位”按钮5。
此时单片机系统采样载荷传感器，并将此值作为“零点”保存，实验台面板上工作载荷显示为“0”。
按一下实验仪面板上的“清零”键，可完成对磨擦力矩清零,此时实验仪面板上磨擦力矩显示窗口显示为“0”。
3、记录各压力表压力值
（1）在松开螺旋加载杆的状态下，启动电机并慢慢将主轴转速调
整到300转/分左右。
（2）慢慢转动螺旋加载杆，同时观察实验仪面板上的工作载荷显
示窗口，一般应加至1800N左右。
（3）待各压力表的压力值稳定后，由左至右依次记录各压力表的
压力值。
4、摩擦系数f测量
当实验台运行平稳，待各压力表的压力值稳定后，从实验仪面板磨擦力矩显示窗口中读取磨擦力矩值，按前述摩擦特性实验原理，计算得到摩擦系数f。
5、关机
待实验数据记录完毕后，先松开螺旋加载杆，并旋动调整电位器使电机转速为零，关闭实验台及实验仪电源。
6、绘制径向油膜压力分布曲线与承载曲线
根据测出的各压力值按一定比例绘制出油压分布曲线与承载曲线，如图七的
上图所示。
此图的具体画法是：
沿着圆周表面从左到右画出角度分别为30、50、70、90、110、130、150等分别得出油孔点1、2、3、4、5、6、7的位置。
通过这些点与圆心O连线，在各连线的延长线上将压力表（比例：
0.1MP=5mm）测出的压力值画出压力线1—1’,2—2’，3—3’，……，7—7’。
将1’,2’,3’，……，7’各点连成光滑曲线，此曲线就是所测轴承的一个径向截面的油膜径向压力分布曲线。
为了确定轴承的承载量，用Pisinφi（I=1、2、…、7）求得向量1—1’,2
—2’，3—3’，……，7—7’在载荷方向（即y轴的投影值。
角度φi与sinφi的数值见下表）
φi
30
50
70
90
110
130
150
sinφi
0.500
0.7660
0.9397
1.00
0.9397
0.7660
0.5000
然后将Pisinφi这些平行于y轴的向量移到直径0—8上。
为清楚起见，
将直径0—8平移到（图七）的下部，在直径0—8上先画出轴承表面上油孔位置的投影点1、2…8，然后通过这些点画出上述相应的各点压力在载荷方向的分量，即1〃、2〃…7〃等点，将各点平滑连接起来，所形成的曲线即为在载荷方向的压力分布。
图9
7、注意事项
在开机做实验之前必须首先完成以下几点操作，否则容易影响设备的使用寿命和精度。
（1）在启动电机转动之前请确认载荷为空，即要求先启动电机再加载。
（2）在一次实验结束后马上又要重新开始实验时请顺时针旋动轴瓦上端的螺钉，顶起轴瓦将油膜先放干净，同时在软件中要重新复位（这很重要！
），这样确保下次实验数据准确。
（3）由于油膜形成需要一小段时间，所以在开机实验或在变化载荷或转速后请待其稳定后（一般等待5～10s即可）再采集数据。
（4）在长期使用过程中请确保实验油的足量、清洁；油量不足或不干净都会影响实验数据的精度，并会造成油压传感器堵塞等问题。
五、思考题
1、为什么油膜压力曲线会随转速的改变而改变？
2、为什么摩擦系数会随转速的改变而改变？
3、哪些因素会引起滑动轴承摩擦系数测定的误差？
六、实验报告
专业班级-------------姓名-------------
指导老师--------------日期--------------
〈一〉实验目的
〈二〉实验机构及测试原理图
〈三〉实验步骤
〈四〉数据和曲线
1、实验数据记录
滑动轴承压力分布
载荷
转速
压力表号
1
2
3
4
5
6
7
8
Fr1
n1
n2
Fr2
n1
n2
滑动轴承摩擦系数（转速固定，载荷变化）
转速n=（r/min）
载荷（N）
摩擦力矩（Nm）
摩擦系数f
ηn/D
1
2
3
4
5
6
7
8
滑动轴承摩擦系数（载荷固定，转速变化）
载荷F=（N）
转速（r/min）
摩擦力矩（Nm）
摩擦系数f
ηn/D
1
2
3
4
5
6
7
8
2、实验结果曲线
油膜径向压力分布与承载量曲线
滑动轴承摩擦特性曲线（载荷固定，转速变化）
滑动轴承摩擦特性曲线（转速固定，载荷变化）
〈五〉实验结果分析
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