液体动压轴承特性

 实验目的

1.    测出并绘制动压轴承油膜压力的周向分布曲线及轴向分布曲线，以验证其理论分布规律，并考察影响油膜压力分布的因素；

2.    计算实测“端泄”对轴承轴向压力分布的影响系数K值，看是否符合油膜压力沿轴向抛物线分布的规律；

3.    测定并绘制液体动压轴承摩擦特性曲线，并考察影响摩擦系数的因素。

12.2  实验设备和工具

1.    滑动轴承试验台；

2.    重锤式拉力计；

1.    数据处理及分析软件；

2.    计算机、打印机。

12.3  实验原理和方法

    液体动压轴承是利用轴颈本身在回转时产生的泵油作用，将润滑油带入摩擦表面之间，建立起压力油膜，将两个摩擦表面分离开来，形成液体摩擦，从而避免两个摩擦表面的直接接触和磨损。液体摩擦的特性决定于所使用的润滑油的粘度，而与两个摩擦表面的材料无关。液体润滑是一种较理想的润滑状态。

    根据雷诺方程可知油压的变化与润滑油的粘度、表面滑动速度及油膜厚度的变化有关。全部油膜压力的合力就是油膜的承载能力。在正常工作情况下，此承载力与外载荷相平衡。承载能力随粘度的增加而增大，并与轴颈的滑动速度成正比；轴承的压力分布如图12.1所示，在 段，油压将随x的增加而增大；而在 段，油压将随x的增加而减小。表明油膜呈收敛型油楔，而这正是油膜能够支承外载荷的条件。

        图12.1 轴承的压力分布图                图12.2 轴承特性值 与摩擦系数f的关系

    对于有限宽轴承，由于端泄的原因，使轴承两端压力为零，这将对轴承的承载能力有很大影响。端泄对油膜压力的轴向分布的影响系数K可由下式求得

式中：F为承载量(N)； 为轴承中间截面上的平均单位压力(MPa)；l为轴承的有效长度(mm)；d为轴承孔的直径(mm)。

    此外，轴承特性值 也是滑动轴承的重要参数之一，有下式给出

式中： 为润滑油的动力粘度 ，其值可由有关线图查得，亦可用粘度计实测；n为轴的转速(r/min)；p为轴承比压(N/mm2)， 。

    值与轴承摩擦系数f有如图12.2所示的关系。图中 为临界值（最小许用值）。当 时，轴承处于液体润滑状态。各类机械设备的 值可参阅有关书籍中的表列数据。在设计中为了安全，常取 。

    轴承试验台的总体结构如图12.3所示。图中1为试验轴承箱，由联轴器与变速箱7相联接。液压箱6装在试验台底座9的内部。调速电机控制器12可改变调速电机的输出转速，速度范围为120~1200r/min。轴承供油压力用减压阀3调节，并由压力表2指示。加载油腔压力用溢流阀4控制，并由压力表5指示。10为油泵电机开关，11为主电机开关。总开关在试验台的正面（图12.3左侧）。

        图12.3 轴承试验台的总体结构                图12.4 试验轴承箱的结构

    试验轴承箱的结构如图12.4所示，其中1为试验轴承，它空套在主轴2上。试验轴承内径 ，有效长度 。主轴由滚动轴承及支座3支承。在被试轴承的中间横截面上，即有效长度的1/2处，沿周向在 内开有7个测压孔，7只压力表（图12.4之7）分别与7个测压孔相接通。距中间横截面1/4处开有1个测压孔，压力表8与此测压孔相接通。此压力表读数与上述7只压力表中的第4只压力表读数均用于表示被测试轴承的轴向压力分布。固定于箱体上的盖板4上有加载油腔，其在水平面上的投影面积为 。轴承外圆左侧装有测量杆5，通过装于其端部的环6来测量摩擦力矩，环6与轴承中心相距150mm。轴承的下方有两个平衡锤9，用于轴承安装前的静平衡。

    箱体左侧安装了一只重锤式拉力计，其结构如图12.5所示。工作时吊钩1受力后，带动圆盘2与大齿轮6作回转，使小齿轮4及指针5转动，转动的角度数即表示拉力大小，由指针在表的刻度盘3上指示读数，重锤7与大齿轮同轴转动，从而改变力矩，与外加拉力矩相平衡。

    主轴转速的变化除调节电机转速外，还可改变变速箱速比。当手柄倒向左方时，速比25/60的齿轮对工作，连同带传动速比(1:2.5)，得主轴转速为电机转速的1/6；当手柄倒向右方时，速比60/25的齿轮对工作，主轴转速与电机转速相同。因此，主轴转速范围是20~1200r/min。

12.4  实验步骤和要求

    1. 油膜压力分布的测定

(1)       开启油泵电机，使油泵工作。

(2)       调节溢流阀，使加载油腔压力在0.1Mpa(相当于1kgf/cm²)以下。

(3)       调节电机转速在最低速，并将变速手柄置于低速档。然后开启主电机，调节转速，使指针读数在100~200r/min之间。再将变速手柄置于高速档，调节主轴转速到800r/min左右。

(4)       施加载荷。调节溢流阀使加载油压达到 ，即载荷

               （80N为轴承自重）

(5)       在8只压力表示值达到稳定后，依次记录其读数。第1只到第7只压力表的读数用于作油膜的周向压力分布图；第4只和第8只压力表的读数用于作油膜的轴向压力分布图，分别示例如图12.6(a)及(b)。在图(a)中，图上方各射线 的长短表示各向压力的大小；图下方表示从各向压力求得的平均压力 值。求平均压力的方法是：将1~7各点位置投影到一水平线上，记为 ，将 的长度分别移到此水平线垂直方向上，即图中的 ，将 依次连成光滑曲线。曲线与水平线围成的面积（用坐标纸数小方格的方法或用求积仪求得）除以00线长，即得 。图(b)中两个点 可以看成对于中间剖面对称，均用第8只压力表的读数。中间压力用第4只压力表的读数。轴承两端压力均为零，5个端点连成光滑曲线。

        图12.5 重锤式拉力计                  图12.6 压力分布图及平均压力的求法

(6)       将数据输入计算机，打印出轴承油膜沿周向7各点的压力及平均压力，作出油膜压力周向分布曲线；输入第4只和第8只压力表读数，打印出轴承油膜沿轴向各点的压力，作出油膜压力轴向分布曲线，与理论的抛物线分布规律作比较。

(7)       计算端泄对油膜压力轴向分布的影响系数K。按油膜压力轴向分布的规律，K值应近似等于0.7。可将实测值与此值作比较分布。

    2.  摩擦特性曲线的测定

(1)       调节加载压力至 ，即 。

(2)       调节转速至800r/min。

(3)       移开测力杆的限位吊钩，将拉力计吊钩接于测力杆端部的吊环上。读出拉力计读数并记录。

(4)       依次调节转速至600、400、300、200、100、50及20r/min，每一种转速下均在拉力计上读出相应的读数，并记录。

(5)       测定加载油腔的回油温度作为进油温度t_进的数值。

(6)       将数据输入计算机，计算出各种转速下的轴承特性值 和摩擦系数 ，打印数值并绘制轴承的摩擦特性曲线。

(7)       改变载荷，将加载油腔压力调节到0.2Mpa，重复上述第(2)~(6)步，比较并分析两次 曲线的重合情况（由于 仅与 有关，在不同载荷下的 曲线应该一致）。

(8)       卸去载荷，断电关机。

12.5  思考题与实验报告

1. 思考题

(1)    为什么油膜压力分布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)    哪些因素会引起摩擦系数的测定误差？

2. 实验报告基本内容

(1) 填写完成下表内容

实验12：液体动压轴承特性实验报告