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滑動軸承實驗臺使用說明書


本實驗臺用于液體動壓滑動軸承實驗,主要利用它來觀察滑動軸承的結構及油膜形成的過程,測量其徑向油膜壓力分布,通過測定可以繪制出摩擦特性曲線、徑向油膜壓力分布曲線和測定其承載量。
一、實驗臺結構簡介與工作原理
l. 本實驗臺主要結構圖1所示:  

圖1  滑動軸承實驗臺結構簡圖
1. 操縱面板    2. 電機     3. V帶     4. 軸向壓力傳感器(1只) 5.負載傳感器  6. 螺旋加載桿  7. 摩擦力傳感器  8. 徑向壓力傳感器(7只)9. 主軸瓦 10.機體 11. 主軸箱
2. 結構特點
該實驗臺主軸9由兩個高精度的深溝球軸承支承。
直流電機2通過V帶3驅動主軸9,主軸順時針旋轉,主軸上裝有精密加工制造的主軸瓦10,由裝在底座里的無級調速器實現主軸的無級變速,軸的轉速由裝在面板1上的左數碼管直接讀出。
主軸瓦外圓處被加載裝置(未畫)壓住,旋轉加載桿5即可對軸瓦加載,加載大小由負載傳感器測出,由面板上右數碼管顯示。
主軸瓦上裝有測力桿,通過摩擦力傳感器6可得出摩擦力值。
主軸瓦前端裝有1號—7號七只測徑向壓力傳感器7,傳感器的進油口在軸瓦的處。
在軸瓦全長的處裝有一個測軸向油壓的壓力傳感器。即第8號壓力傳感器,傳感器的進油口在軸瓦的處。
此外,還設置有轉速傳感器和油溫傳感器,共12個傳感器。
二、主要技術參數
試驗軸瓦   內徑  d=60mm
                 長度  B=120mm
                 表面粗糙度 1.6(舊標準Ñ7)
                 材料  ZCuSn5Pb5Zn5(即舊牌號ZQSn6-6-3)
加載范圍0—1000N(0~100kg×f)
負載傳感器精度0.01    量程0~10mm
壓力傳感器精度2.5%   量程0~0.6MPa
測力桿上測力點與軸承中心距離  L=120mm
測力計標定值  K=0.098N/格
電機功率  355W
調速范圍:2~400r/nim
試驗臺重量:52kg
該實驗臺的操作面板如圖2所示。

圖 2  實驗臺面板布置圖
三、電氣裝置技術性能
l. 直流電動機功率:355W
2. 測速部份:
a. 測速范圍:2 r/nim~400 r/nim
b. 測速精度:±1 r/nim
3. 加載部份:
a. 調整范圍:  O~1000N(0~100kg)
b. 傳感器精度:  ±0.2%(讀數)
4. 工作條件:   
a. 環境溫度:  -10℃~+50℃
b. 相對濕度:  ≤80%
c. 電源:~200V土10%  50Hz
d. 工作場所:無強烈電磁干擾和腐蝕氣體
四、使用步驟
1. 開機前的準備:     
a. 用汽油將油箱清理干凈,加入N68(40#)機油至圓形油標中線。
b. 面板上調速旋鈕逆時針旋到底(轉速最低),加載螺旋桿旋至與負載傳感器脫離接觸。
2. 通電后,面板上兩組數碼管亮(左—轉速,右—負載),調節調零旋鈕使負載數碼管清零。
3. 旋轉調速旋鈕,使電機在100~200 r/nim運行,此時油膜指示燈應熄滅。穩定運行3~4分鐘。
4. 即可按實驗指導書的要求操作。

五、注意事項    
1. 使用的機油必須通過過濾才能使用,使用過程中嚴禁灰塵及金屬屑混入油內。
2. 由于主軸和軸瓦加工精度高,配合間隙小,潤滑油進入軸和軸瓦間隙后,不易流失,在做摩擦系數測定時,負載傳感器的壓力不易回零,為了使其迅速回零。需人為把軸瓦抬起,使油流出。
3. 所加負載不允許超過1200N(即120kg),以免損壞負載傳感器元件。
4. 機油牌號的選擇可根據具體環境溫度,在20#~40#內選擇。   
5. 為防止主軸瓦在無油膜運行時燒壞,在面板上裝有油膜報警指示燈,正常工作時指示燈熄滅,嚴禁在指示燈亮時主軸高速運轉。
6. 實驗臺應在卸載下啟動或停止。
 

滑動軸承實驗指導書
一、實驗目的
1. 觀察徑向滑動軸承液體動壓潤滑油膜的形成過程和現象。
2. 觀察載荷和轉速改變時徑向油膜壓力的變化情況。
3. 觀察徑向滑動軸承油膜的軸向壓力分布情況。
4. 測定和繪制徑向滑動軸承徑向油膜壓力曲線,求軸承的承載能力。
5. 了解徑向滑動軸承的摩擦系數f的測量方法和摩擦特性曲線λ的繪制方法。
二、實驗臺的構造與工作原理
實驗臺的構造如圖1所示。
1. 實驗臺的傳動裝置
由直流電動機1通過V帶2驅動主軸9沿順時針(面對實驗臺面板)方向轉動,由無級調速器實現無級調速。本實驗臺主軸的轉速范圍為2~400 r/nim,主軸的轉速由數碼管直接讀出。

圖1 滑動軸承實驗臺構造示意圖
1. 直流電動機   2. V帶   3. 負載傳感器   4. 螺旋加載桿5. 彈簧片  6. 摩擦力傳感器  7. 壓力傳感器(徑向7只,軸向一只)8. 主軸瓦    9—主軸   10—主軸箱
2. 軸與軸瓦間的油膜壓力測量裝置
軸的材料為45號鋼,經表現淬火、磨光,由滾動軸承支承在箱體10上,軸的下半部浸泡在潤滑油中,本實驗臺采用的潤滑油的牌號為N68(即舊牌號的40號機械油),該油在20℃時的動力粘度為0.34Pa·S。主軸瓦8的材料為鑄錫鉛青銅。牌號為ZCuSnPb5Zn5(即舊牌號ZQSn6-6-3)。在軸瓦的一個徑向平面內沿圓周鉆有7個小孔,每個小孔沿圓周相隔20°,每個小孔聯接一個壓力傳感器7,用來測量該徑向平面內相應點的油膜壓力,由此可繪制出徑向油膜壓力分布曲線。沿軸瓦的一個軸向剖面裝有兩個壓力傳感器(即4號和8號壓力傳感器)。用來觀察有限長滑動軸承沿軸向的油膜壓力情況。
3. 加載裝置
油膜的徑向壓力分布曲線是在一定的載荷和一定的轉速下繪制的。當載荷改變或軸的轉速改變時所測出的壓力值是不同的,所繪出的壓力分布曲線的形狀也是不同的。轉速的改變方法如前所述。本實驗臺采用螺旋加載,轉動螺桿即可改變載荷的大小,所加載荷之值通過傳感器數字顯示,直接在實驗臺的操縱板上讀出。
4. 摩擦系數f測量裝置
徑向滑動軸承的摩擦系數f隨軸承的特性系數λ=值的改變而改變 (m─油的動力粘度,n─軸的轉速,p—壓力,p= W─軸上的載荷,W =軸瓦自重+外加載荷。本機軸瓦自重為40N,B─軸瓦的寬度,d─軸的直徑。本實驗臺B=120mm,d=60mm),如圖2所示。

圖2  f l線圖
 
在邊界摩擦時,fλ的增大而變化很小,進入混合摩擦后,λ的改變引起f的急劇變化,在剛形成液體摩擦時f達到最小值,此后,隨λ的增大油膜厚度亦隨之增大,因而f亦有所增大。
摩擦系數f之值可通過公式得到。
f
y    -相對間隙
x -隨軸承長徑比而變化的系數,對于l/d<1的軸承,x =;
l/d >=1時,x =1。
5. 摩擦狀態指示裝置
指示裝置的原理如圖3所示。當軸不轉動時,可看到燈泡很亮;當軸在很低的轉速下轉動時,軸將潤滑油帶入軸和軸瓦之間收斂性間隙內,但由于此時的油膜很薄,軸與軸瓦之間部分微觀不平度的凸峰處仍在接觸,故燈忽亮忽暗;當軸的轉速達到一定值時,軸與軸瓦之間形成的壓力油膜厚度完全遮蓋兩表面之間微觀不平度的凸峰高度,油膜完全將軸與軸瓦隔開,燈泡就不亮了。

圖3 滑膜顯示裝置電路圖
三、實驗方法與步驟
1. 準備工作
在彈簧片5的端部安裝摩擦力傳感器6,使其觸頭具有一定的壓力值 (見圖1)。
2. 測取繪制徑向油膜壓力分布曲線與承載曲線圖。
1)啟動電機,將軸的轉速逐漸調整到一定值(可取300~350 r/nim 左右),注意觀察從軸開始運轉至300 r/nim時燈泡亮度的變化情況,待燈泡完全熄滅,此時已處于完全液體潤滑狀態;

圖4   油壓分布曲線(上)油膜承載曲線(下)
2)用加載裝置分幾次加載(但不超過1000N即100kg×f,出廠是700N)。
3)待各壓力傳感器的壓力值穩定
后,由左至右依次記錄各壓力傳感器
的壓力值(在操控面板上依次按【測點選擇】按鈕,在面板上【序號】窗口中依次顯示各壓力傳感器的序號,在【軸瓦】窗口中、【外加負荷】窗口中依次顯示相對應的值); 
4)卸載、關機;
5)根據測出的各壓力傳感器的壓力值按一定比例繪制出油壓分布曲線,如圖4的上圖所示。此圖的具體畫法是:沿著圓周表面從左到右畫出角度分別為30°、50°、70°、90°、110°、130°、150°分別得出油孔點l、2、3、4、5、6、7的位置。通過這些點與圓心O連線,在各連線的延長線上,據壓力傳感器測出的壓力值(比例:0.1MP=5mm)畫出壓力線l-l'  、2-2'  、3-3' ……7-7' 。將1'、2' ……7'各點連成光滑曲線,此曲線就是所測軸承的一個徑向截面的油膜徑向壓力分布曲線。
為了確定軸承的承載量,用Pisinφi(i=1,2……7)求得向量1—1'、2—2'、3—3'……7—7'在載荷方向(即y軸)的投影值。角度φi與sinφi的數值見下表:
φ 30° 50° 70° 90° 110° 130° 150°
sinφi 0.5000 0.7660 0.9397 1.0000 0.9397 0.7660 0.5000
然后將Pisinφi這些平行于y軸的向量移到直徑0—8上。為清楚起見,將直徑0—8平移到圖4的下部,在直徑0″—8″上先畫出軸承表面上的油孔位置的投影點1″、″……8″,然后通過這些點畫出上述相應的各點壓力在載荷方向的分量,即1″′、2″′……7″′等點,將各點平滑連接起來,所形成的曲線即為在載荷方向的壓力分布。
用數格法計算曲線所圍的面積,以0"—8"為底邊做一個矩形,使其面積與曲線所包圍的面積相等,那么,矩形的高P平均乘以軸瓦寬度B再乘以軸的直徑d便是該軸承油膜的承載量。但考慮端部泄漏造成的壓力損失,故油膜承載量為:
qP平均 · B · d · δ
式中,P平均:徑向單位平均壓力
B:軸瓦寬度120mm
d:軸的直徑60mm
δ:湍泄系數,取0.7。
3. 測量摩擦系數f與繪制摩擦特性曲線
1)  啟動電機,逐漸使電機升速,在轉速達到250-350轉時,旋動螺桿,逐漸加載到700N(70kg×f),穩定轉速后減速。
2)  依次記錄轉速350-2轉/分(350、250、150、80、20、2),負載為70kg×f時的摩擦力,也可適當增加測量點。
3)  卸載,減速,停機。
4)  根據記錄的轉速和摩擦力的值計算整理f值,按一定比例繪制摩擦特性曲線如圖2所示。

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