（机械设计及理论专业论文）滑动轴承承载能力的理论研究和实验分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在生产实践中，轴承的承载能力是滑动轴承设计的重点问题，对滑动轴承承载能 力的研究对于轴承技术的发展具有重要意义。通常影响滑动轴承承载能力的因素有很 多，如宽径比、偏心率、相对间隙等，而滑动轴承在不同工作载荷和转速的情况下， 油膜承载力也不尽相同。 本文应用数值计算方法以及编程语言，从理论计算和实验测试两个方面对滑动轴 承的承载能力展开研究。本文对雷诺方程进行无量纲简化，采用有限差分法和超松弛 迭代法以及数学软件m a t l a b 对简化后的雷诺方程编程求解，获得滑动轴承油膜压力 分布数值以及三维图形，并研究了轴承宽径比、偏心率对轴承油膜压力分布的影响规 律。本文利用z h s 2 0 滑动轴承实验台测得在不同工作载荷及转速下滑动轴承的油膜压 力分布，以及流体动力润滑特性相关曲线，展开对滑动轴承摩擦因数、摩擦状态转化 以及过渡转速的研究，并对理论计算以及实验台测试所得的轴承承载力进行比较，引 入端泄系数，对轴承运行的端泄量展开研究。本文通过对实验台测试功能的拓展，测 得不同相对间隙下轴承的油膜压力分布，分析相对间隙对轴承承载力的影响，并通过 计算得到使轴承获得最大承载力的相对间隙最佳值，对滑动轴承的设计和研究具有实 际指导意义。本文在最后对轴承承载力的理论计算和实验值计算进行可视化操作界面 设计，使轴承承载力的计算及其结果显示更为形象、简捷。 关键词：滑动轴承；理论计算；实验研究；m a t l a b ：相对间隙；可视化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ec a p a c i t yo fb e a r i n gi st h ek e yp o i n to fj o u r n a lb e a r i n g sd e s i g ni np r o d u c t i o n p r a c t i c e ，w h i c hi se x t r e m e l yi m p o r t a n tt ot h eb e a r i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t u s u a l l y , t h e r e a r em a n yf a c t o r si n f l u e n c et h ec a p a c i t yo fj o u r n a lb e a r i n g ，s u c ha st h ew i d eo fa x l eb u s h c o m p a r e dt od i a m e t e ro fa x l e ，e c c e n t r i c i t y , r e l a t i v eg a p ，a n dt h el u b r i c a n tf i l ms u p p o r t i n g c a p a c i t yi sa l s od i f f e r e n ti nt h ed i f f e r e n tw o r kl o a da n di nt h er o t a t i o n a ls p e e ds i t u a t i o n t h i sa r t i c l ea d o p t st h en u m e r i c a lc a l c u l u sm e t h o da n dt h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t o r e s e a r c ht h ec a p a c i t yo fj o u r n a lb e a r i n gt h r o u g ht h ew a yo ft h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d t h ee x p e r i m e n tv a l u e t h i sa r t i c l es i m p l i f i e st h er e y n o l d se q u a t i o ni n t od i m e n s i o n l e s sf o r m ， a n du s e st h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dt h eu l t r af l a c c i dr e p e t i t i v ep r o c e s sa sw e l la s m a t h e m a t i c ss o f l 、a r em a t l a bt o p r o g r a ma n ds o l v et h ed i m e n s i o n l e s sf o r m o ft h e r e y n o l d se q u a t i o n ，a n do b t a i n st h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nv a l u ea n dt h et h r e ed i m e n s i o n a l g r a p ho f j o u r n a lb e a r i n gl u b r i c a n tf i l m ，a n da l s os t u d i e st h eb e a r i n gf i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n i n f l u e n c er u l eo ft h ew i d eo fa x l eb u s hc o m p a r e dt od i a m e t e ro fa x l ea n de c c e n t r i c i t y u n d e r t h ed i f f e r e n tw o r kl o a da n dt h er o t a t i o n a l s p e e d ，t h i sa r t i c l e u s e st h ej o u r n a lb e a r i n g l a b o r a t o r yb e n c hz h s 2 0t oo b t a i nt h ej o u r n a lb e a r i n g sl u b r i c a n tf i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n a n dt h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i cc o r r e l a t i o nc u r v e ，a n dr e s e a r c ht h ej o u r n a l b e a r i n gr u b b i n gf a c t o r , t h ef r i c t i o nc o n d i t i o nt r a n s f o r m a t i o na n dt h ee x c e s s i v er o t a t i o n a l s p e e d ，c o m p a r e st h eb e a r i n gs u p p o r t i n gc a p a c i t yo ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n dt h e e x p e r i m e n tv a l u e ，g i v e st h ec o e f f i c i e n to ft h el e a d i n g - i nt e r m i n a lr e l e a s e s ，s t u d i e st h e q u a n t i t yo fr e l e a s e sw h e nt h eb e a r i n gi sw o r k i n g t h r o u g ht od e v e l o pt h et e s tf u n c t i o no ft h e l a b o r a t o r yb e n c h ，t h i sa r t i c l eo b t a i n st h eb e a r i n g sl u b r i c a n tf i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nu n d e r d i f f e r e n tr e l a t i v eg a p ，a n da n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h er e l a t i v eg a pt ot h eb e a r i n gs u p p o r t i n g c a p a c i t y , a n do b t a i n st h er e l a t i v eg a pb e s tv a l u ew h i c hc a l l c a u s et h eb e a r i n gt og e tt h e g r e a t e s ts u p p o r t i n gc a p a c i t y a tl a s t ，t h i sa r t i c l ec a r r i e so nt h ev i s u a l i z a t i o no p e r a t i o nc o n t a c t s u r f a c ed e s i g nt ot h eb e a r i n gs u p p o r t i n gc a p a c i t yw h i c hc o n t a i n st h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n v a l u ea n dt h ea c t u a lc o m p u t a t i o nv a l u e ，a n dt h ec o n t a c ts u r f a c em a k e st h ec o m p u t a t i o na n d t h ed e m o n s t r a t i o no fr e s u l tm u c hv i v i d l y , s i m p l ya n dd i r e c t l y k e yw o r d ：j o u r n a lb e a r i n g ；f u n d a m e n t a lc a l c u l a t i o n ；e x p e r i m e n tr e s e a r c h ；m a t l a b ； r e l a t i v eg a p ；v i s u a l i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题来源 现代工业发展迅猛，旋转机械越来越趋于高速大功率，对轴承各方面的性能要求也 越来越高。滑动轴承作为回转轴支承部件，具有承载能力强、运行平稳、噪音较低、抗 震性好等诸多优点，故应用十分广泛n 1 。根据流体动压润滑理论，影响滑动轴承油膜压 力分布的参数主要有相对间隙、轴承宽颈比、径向载荷、润滑油的粘度和主轴转速等。 相对间隙作为影响滑动轴承的承载能力的主要因素之一，在不同工况下选择合适的相对 间隙，可以提高滑动轴承的承载能力，对滑动轴承的设计及使用具有重要意义。 近年来随着计算机技术的飞速发展，使得通过数值计算方法解决滑动轴承液体动力 润滑的方程式，成为可行的一种途径晗1 。应用有限差分法对滑动轴承的雷诺方程进行简 化并且进行数值计算口们，并且采用相关计算和绘图软件对滑动轴承油膜压力分布进行处 理和可视化，使滑动轴承油压分布更直接形象。本文针对滑动轴承液体动力润滑方程进 行了数值求解，并对滑动轴承的油膜压力和承载能力进行理论计算和实验测试，运用 m a t l a b 等相关软件对油膜压力三维分布进行编程可视化，得出相对间隙对承载性能影 响的曲线，得出相对间隙的最佳值，具有实用的理论价值和重要的工程指导意义。 1 2 国内外研究历史及现状 1 2 1 滑动轴承发展历史及研究概况 轴承作为机械中轴的支撑回转部件，在工程中广泛应用。作为世界四大文明古国之 一的中国也是最早发明和使用轴承的国家之一，根据古籍的记载，我国轴承的使用历史 可以追溯到商周时期。近代滑动轴承的流体润滑理论的研究始于十九世纪末喳1 ， 1 8 8 3 1 8 8 5 年b t o w e r 通过实验发现轴承油膜存在动压现象阳刀，随后0 r e n y o l d s 于1 8 8 6 年通过对实验结果的数值分析，从理论上分析了动压润滑的机理，并且推导出描述滑动 轴承油膜压力函数分布的微分方程( 即雷诺方程) ，从而奠定了滑动轴承流体润滑研究的 理论基础阳们。二战结束以来，由于数值计算的技术快速进步以及计算机的出现并迅猛发 展，轴承的流体润滑理论得到了空前的发展，包括解求出了有限宽径向轴承的油膜破裂 边界条件的数值解，并且开始研究动压润滑的稳定性以及非稳恒运转状态下的润滑性能 n 们。5 0 年代时，滑动轴承开始广泛采用液体静压润滑。到了6 0 年代，建立了弹流润滑 的理论，此时静压润滑技术和气体动压轴承也都快速发展，并且开始诸多因素如惯性、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 温度、非牛顿流体等对润滑性能的影响，至此流体力学润滑的理论研究己比较完备j 2 。 此外，流体动力润滑理论中还存在一些其它方程，如：润滑剂的状态方程( 粘度和 密度方程) 、表面的弹性方程、流动的连续性方程、能量方程等等。随着计算机技术的长 足发展，这些理论的建立与求解使得滑动轴承的研究取得了很多成果，但雷诺方程在各 种条件下的变形形式及其数值求解n3 1 制，在实际中的应用最为广泛。 1 2 2 滑动轴承实验台发展现状 近年来，越来越多的高校针对培养高素质创新型人才进行一系列的教学改革与实 践，形成了许多培养学生创新与实践能力、提高科学实验素质和工程实践能力的基础实 验教学体系。滑动轴承由于承载能力大、回转精度高n 5 1 等特点，被广泛应用于工程中， 也是机械设计等课程的重要组成部分。滑动轴承实验台就是运用相关技术手段，通 过对滑动轴承在运行过程中的数据实测，获取轴承承载能力及油膜压力曲线，使学生对 轴承油膜压力的分布、变化规律以及轴承参数( 如偏心率、宽颈比等) 的改变对其的影 响有进一步的理解和认知。滑动轴承实验台作为滑动轴承实验的必备设备，现已广泛应 用于各高校机械基础实验教学中。 目前国内有西南交通大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学等高校以及一些实验仪 器制造厂商从事滑动轴承实验台研发与制造，各高校与生产厂商根据不同时期制造、测 试等技术的发展，先后研制了多种型号与功能的滑动轴承实验台n 刚，下面仅就目前国内 高校普遍采用的主流滑动轴承实验台进行介绍： ( 1 ) h z s a i i i 液体滑动轴承实验台 ：一矿一 图1 1h z s a i i i 液体滑动轴承实验台 该实验台大多数工作情况是以滑动轴承定参数为前提条件，采用压力表测定轴承油 膜压力，人工读取轴承油膜的径向压力和轴向压力，而对于研究变参数情况下轴承油膜 压力的分布以及变参数对轴承油膜压力的影响，则很难实现。该实验台由人工读取实验 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 数据，而轴承的径向油膜压力分布曲线和轴向油膜压力分布曲线也需要人工绘制，这不 仅需要人力，耗费时间，而且容易产生较大的误差，并且该试验台很难反映滑动轴承的 各项参数对轴承压力分布的影响。 ( 2 ) z h s 2 0 系列滑动轴承综合实验台7 1 图1 2z h s 2 0 系列滑动轴承综合实验台 图1 - 3 实验台计算机绘制的曲线 该实验台在径向滑动轴承承载区内，沿周向方向安装7 个压力传感器，轴向方向安 装3 个压力传感器，并配以温度传感器，对油膜压力分布的相关实验数据进行采集，通 过a d 转换器，以r s 4 8 5 总线方式传送到计算机上，通过软件对实测数据进行计算处理， 然后在屏幕上显示实验数据和油膜压力分布曲线，并由打印机打印输出实验结果等 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 课题研究方案及技术路线 ( 1 ) 通过对二维雷诺方程进行简化，并且采用有限差分法和超松弛迭代法，借助大 型数学软件m a t l a b 对简化的雷诺方程进行编程求解，利用数值解分析绘制油膜压力 分布曲线( 三维) 以及其他各项性能，并与相关经典结论进行比较分析，从而深化该领 域的理论研究： ( 2 ) 以z h s 2 0 滑动轴承综合实验台为实验测试基础，测出不同压力、速度和相对间 隙下滑动轴承的油膜压力值，对实验值进行数值拟合，通过编程绘制出油膜压力的分布 曲线( 三维) ，并计算轴承实际承载能力，以实验实测数据为依据基础研究轴承压力分布 沿轴向和周向实际分布规律； ( 3 ) 从改变轴承参数宽径比、偏心率入手，理论研究了不同宽径比、偏心率对无量 纲承载力的影响并得到相关曲线。利用实验台测得的流体动力润滑特性曲线，展开滑动 轴承摩擦因数、摩擦状态转化、摩擦因数最小值的转折点及其所对应的过渡转速的研究； ( 4 ) 对轴承承载能力的理论值与实验值进行比较，引入端泄系数，从而得到轴承运 行时不同转速和加载压力条件下，滑动轴承润滑油的端泄量的变化规律； ( 5 ) 利用实验台测得不同相对间隙下，滑动轴承油膜承载力，并且利用m a t l a b 软 件的绘图功能，绘出相对间隙t 对承载性能影响的曲线，进一步得到轴承相对间隙对最 小油膜厚度的影响曲线，从而得出了相关的实验结论，对滑动轴承的设计具有指导意义； ( 6 ) 采用数学软件m a t l a b 的g u i 模块，对滑动轴承的油膜压力的三维分布进行 可视化编程，实现了油膜压力曲线的三维分布可视化，通过改变不同参数，使油膜压力 曲线的变化显示的更方便直接。 1 4 研究意义 本论文借助编程语言对雷诺方程进行数值求解，计算轴承的承载能力，绘制油膜压 力的三维分布曲线，直观形象地显示了油膜压力的变化趋势，使轴承承载能力的理论研 究更为深入。 对实验数据进行数值拟合，并将理论计算和实验台测试的滑动轴承油膜压力和承载 能力分析比较，得出不同参数条件改变时，轴承油膜压力的变化规律，并且通过相对间 隙缈对承载性能影响的曲线，求出相对间隙最佳值，从而得出了相关的实验结论， 对轴承的设计具有一定的工程指导意义。 利用软件编程实现对滑动轴承油膜压力三维分布进行可视化，通过改变理论计算的 参数，以及实验台可调轴承参数，更形象方便地显示了滑动轴承油膜压力曲线的变化规 律，有助于学生更好地学习并深化理解轴承承载能力的变化规律，提高学生对滑动轴承 的设计能力和实践动手能力，具有实际教学意义和实用价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ii|皇一 1 5 本章小结 本章通过对滑动轴承国内外研究和现状，以及轴承实验台发展的分析，提出目前虽 然对滑动轴承领域有完备的理论和深入的研究，但研究手段和研究思路还是存在着一定 的局限性。以此对理论进行推导，建立算法并编程，对实验数据进行分析研究，进而分 析和研究变参数对滑动轴承性能的影响，并对轴承承载能力参数可视化，对滑动轴承的 设计与应用，具有较大的实际和理论指导意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章滑动轴承承载能力理论研究 滑动轴承承载能力的理论数值分布，可由雷诺方程计算得到n 朗。本章将通过对雷诺 方程的无量纲简化“9 】，采用有限差分法和超松弛迭代法对无量纲雷诺方程进行离散并迭 代推导汹2 1 嘲，再利用数学软件m a t l a b 对离散后的雷诺方程进行编程求解州，获得 滑动轴承油膜压力的理论计算数值以及三维分布曲线。 雷诺方程作为液体动压润滑的基本方程之一，可根据流体力学的基本原理或 n a v i e r - - s t o k e s 方程推导出n 3 拍矧，而本文对轴承承载能力的研究计算，主要采用流体力 学的基本原理推导的二维雷诺方程1 ： 未( 等罢) + 未( 等警) = 6 v 芸 ( 2 式中： h 油膜厚度o ，7 流体粘度o p 油膜压力5 1 ，移动速度o x ，z 三维坐标。 式( 2 1 ) 适用于稳定运转的向心滑动轴承1 ，也是本文研究轴承承载能力需要推导 计算的基本方程。 2 1 雷诺方程的求解 2 1 1 雷诺方程的无量纲化 本文采用应用较为广泛的二维雷诺方程( 式2 1 ) ，作为滑动轴承承载能力理论研究 的基础。在对雷诺方程进行分析计算时啪卿，通过引入无量纲参数对方程进行化简，从 而减少方程中的参数，使方程的形式更为紧凑、简练，便于对轴承承载力的分析以及运 用相关语言的编程计算口幻。 首先对式( 2 1 ) 的参数进行无量纲化，令 x = ，妒 ( 2 2 ) 其中矽= x ，o 9 2 刀，取向心轴承中轴的半径，作为x 坐标的相对单位，矽为 x 的无量纲量； z = 刎2 ( 2 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 式中a = 2 口，一1 旯1 ，取轴承宽度b 的一半作为相对单位； h = 艿日 ( 2 - 4 ) 式中h = 万油膜厚度h 因其级数量远小于x 和z 方向尺寸的数量级，而与半径间 隙万同级，故选艿为其相对单位啪姗； p=ppo ( 2 5 ) 式中尸= p i p o ，先选定一个未定值作为油膜压力p 的无量纲数，将以上无量纲数矽、 允、h 、p 代入二维雷诺方程式( 2 1 ) 求偏导并化简得到 品( h 3 芸) + b ) 2 击( 日3 等) = 等等 c 2 石， 取p o = 6 v , 7 万2 ，代入式( 2 1 5 ) 中可得 专( 日3 警) + 日) 2 刍( 日3 蔷) = 券 c 2 州 式( 2 7 ) 为二维雷诺方程的无量纲形式。由于引入无量纲参数凡= 6 v r l 8 2 ，使得 轴承的转速、相对粘度等的参数的影响变成为计算承载能力的系数，而轴承无量纲油膜 承载力的数值大小及分布，仅受d l 和这两个参数的影响，而d l 的倒数即为轴承的 宽径比曰d ，滑动轴承的宽径比占d 和偏心率对轴承承载能力的影响，将会在本文的 第四章中进行分析研究。 2 1 2 确定边界条件 雷诺方程的数学模型建立以后，还需要引入合理的边界条件泓3 。滑动轴承理论计算 时有全索默菲尔德边界条件、半索默菲尔德边界条件、雷诺边界条件、质量守恒边界条 件等理论，本文通过对比分析，采用雷诺边界条件进行相关的轴承承载力的计算。 采用雷诺条件进行编程迭代计算，可使油膜破裂边近似的位置，逐渐逼近应有的自 然破裂边界，其边界条件可写为： 缈= o ，p = ；驴= 仍，p = 只，笔= o ( 2 8 ) 式中，当o 缈 纪时尸= 尸( 驴) ，当仍 缈 l 时，成为超松弛迭代法。对于取不同的倒值， 松弛法的收敛速度则不同，当然c o 的取值也不是越大越好，取值太大容易引起迭代过程 不收敛，本文迭代过程中取1 c o = o 0 0 1 循环条件即收敛条件； f o r = 2 ：n轴瓦轴向网格； f o ri = 2 ：m轴瓦周向网格： a ( j ，i ) = p ( j ，i ) ；引入中间存储矩阵变量； 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 f ( j ，i ) = h i ( j ，i ) p ( j ，i + 1 ) + h 2 ( j ，i ) 木p ( j + l ，i ) + h 3 ( j ，i ) 木p ( j ，i 一1 ) + h 4 ( j ，i ) 牛p ( j 一1 ，i ) - h 5 ( j ，i ) ； p ( j ，i ) = ( 1 一w ) 木a ( j ，i ) + w 掌f 0 ，i ) ； 逐点松弛迭代，其中w 为迭代因子，可以由人为输入； i f p ( j ，i ) 0 p ( j ，i ) = o 避免油膜压力出现负值，一旦压力值计算为负值，则取o 代替； e n d e n d e n d e n d 通过编译的程序可以得出，当迭代计算停止时( 即达到收敛精度) ，滑动轴承油膜 压力分布的三维曲线如图2 3 所示。 轴晕油腋压_ j 2 3 本章小结 轴向 00 周向 图2 3 编程所得轴承油膜压力分布曲线三维包络图 本章通过对推导的雷诺方程进行无量纲化，将其化成紧凑形式，并利用差分法对雷 诺方程的无量纲形式进行离散化，并且化简成线性非齐次代数方程组，通过引用数值分 析方程组求解的理论( 即超松弛迭代法) 对滑动轴承油膜压力分布迭代计算，最后利用 软件开发工具，对简化的方程及算法进行程序语言设计，并最终求解出滑动轴承油膜压 力分布数值以及三维曲线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章滑动轴承承载能力实验与数据处理 本文第二章主要针对应用广泛的二维雷诺方程进行推导并简化计算，通过数学软件 m 棚a b 进行编程求解，最后求出滑动轴承油膜压力分布数值并且绘制三维包络图形。 然而，由前述内容可知，在诸多假设的前提下，仅仅从理论上对滑动轴承承载能力求解 与分析，并不能够很真实准确的解释轴承工作能力及其变化及影响，不具有普遍实用性。 因此，对承载能力的研究还需要从工程实践方面入手，需要通过相关的实验数据的分析， 对滑动轴承的承载能力进行更加深入的研究，揭示轴承各个参数对轴承油膜压力影响的 变化规律。 由本文第一章的1 2 2 节可知，在目前国内高校采用的主流滑动轴承实验台中，西南 交通大学自主研发并广泛应用于各大高校的实验教学和科研工作的滑动轴承实验台，是 最先进的并且唯一具有科研精度的滑动轴承实验装置。本论文对滑动轴承进行的相关实 验数据测试，均为采用西南交通大学研制的z h s 2 0 系列滑动轴承综合实验台进行的。 3 1 滑动轴承实验台简介 西南交通大学研制的z h s 2 0 系列滑动轴承综合实验台，是具有真实工程背景的教学 与科研兼用的新型滑动轴承综合实验装置。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、摩擦因数测试系统以及数据采 集与处理系统等组成n 刀，实验台的系统工作原理如图3 1 所示。 莨机 揪打健感器l k 力f 搏j l ： s 加载心力f 冬醛器 拉力j h 力他! 瞳l 器 进油泓瞍他醛器 m 湖龇悭f 巷器 l 芯4 8 5 ，2 置 图3 - 1z i - i s 2 0 系列滑动轴承综合实验台系统工作原理【4 2 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 该实验台在径向滑动轴承承载区安装有多个压力传感器，利用传感器对油膜压力进 行实验数据采集，通过a d 转换器将数据传送到计算机上，然后在屏幕上显示实验数据 和描绘油膜压力分布曲线，传感器采集的数据信号传输和处理过程如图3 2 所示。 i 踟f q 潮1h 鲍j i 灯 佟咎器l 粥阳渊1 帷j i 力 技感嚣7 牟翊州羽 t t t , x ”力 传感器8 a f d 转掀 及 蹙逆 5 4 s 慧线 ；4 8 5 忍3 2 转拽嚣 l q 2 3 2 总线 纠杰l ： 图3 - 2 采集的数据传输和处理【4 刁 同已有的传统实验台相比，新型z h s 2 0 系列滑动轴承综合实验台具有以下优点： ( 1 ) 滑动轴承实验数据采集，是在滑动轴承工作状态保持稳定时进行测试的，这就 需要实验台的主轴驱动电机能够保证运行的稳定性。由于滑动轴承摩擦状态研究的实验 手段之一是通过调整主轴的转速来实现的，这就要求实验台所采用的电机具有较宽的调 速范围，对主轴转速的调节也需要较高的控制精度，并且在一定的工况下能够保持转速 恒定。另外，在滑动轴承低转速时，需要电机提供较高的转矩n ； 基于以上的综合考虑，z h s 2 0 系列滑动轴承综合实验台的采用交流伺服电机对主轴 进行驱动，该电机具有运行稳定可靠，控制精度高，低频时力矩小且运转平稳，较好的 矩频特性，较强的速度过载和转矩过载能力，响应速度快，应用简单方便等诸多优点； ( 2 ) 该实验台的液压系统采用变频恒压的控制方式，一方面为滑动轴承运行时提供 润滑油循环润滑，并且提供压力供油用于轴承运转时的静压加载；另一方面通过这种控 制控制方式，能够实现滑动轴承在不同转速下的加载压力不变，从而保证了液压加载系 统的稳定性： ( 3 ) 该实验台所采用的压力变送器具有稳定性高，温度系数小，适应性强，安装维 护方便等优点； ( 4 ) 该实验台通过安装温度传感器，对滑动轴承运行时润滑油油温进行测试，为滑 动轴承承载能力的研究提供了有力的实验条件支撑。 3 2 实验数据采集 z h s 2 0 滑动轴承实验台的软件系统具有强大的数据处理及绘图功能，采用“组态王 6 5 软件进行系统及界面设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 i _ 3 2 1 径向滑动轴承油膜压力分布曲线实验 滑动轴承实验台的实验操作系统界面如图3 3 所示。 瞄墨鞠鞠霸嘲霸黼嘲豳嘲滕。矗， 霸猎膏霜_鞠1 图3 3z h s 2 0 滑动轴承实验台实验系统界面 进入实验操作系统以后，点击实验管理菜单( 如图3 _ 4 所示) ，进入实验管理子界 面( 如图3 5 所示) ： ( a ) 图3 - 5 实验系统的实验管理菜单( a ) 和实验管理子界面( b ) 在实验管理子界面相关信息输入完后，点击实验分类菜单，出现如图3 - 6 的菜单所 示的三个实验项目：径向滑动轴承油膜压力分布曲线实验、流体动力润滑特性曲线一 ( 纠) 实验和流体动力润滑特性曲线二( p 手刀) 实验。 善一 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 卜l 实验警理 i 麦骏分受 图3 5 实验系统的实验分类菜单 径向滑动轴承油膜压力分布曲线实验属于基本型实验，该实验主要研究的内容是当 轴承匀速稳定运行的工况下，利用均匀分布在轴承周向及轴向压力传感器，对轴承的周 向油膜压力和轴向油膜压力进行测试并绘制，揭示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，并且研究在工况参数的改变( 液压加载压力的变化) 和轴承参数 的变化( 主轴转速的变化) 时，滑动轴承润滑性能及承载能力的变化规律。点击实验分 类菜单进入径向滑动轴承油膜压力分布曲线实验界面，其界面的组成如图3 - 6 所示。 图3 _ 6 径向滑动轴承油膜压力分布曲线实验界面分布 如图3 - 6 所示，该实验界面主要由参数控制和图形绘制两部分组成，参数控制主要 是在滑动轴承实验时的静压加载压力主轴转速进行控制( 如图3 7 所示) ，根据实验的不 同要求，压力和转速的值可由实验人员手动输入。图形绘制部分主要包括绘制周向油膜 压力、绘制油膜压力承载、绘制轴向油膜压力和压力数据实时显示区几个部分。本文主 要是在静压加载压力p 为o 0 8 m p a 、0 i o m p a 、0 1 2 m p a ，以及主轴不同转速( o - 6 0 0 r m i n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 下，对滑动轴承油膜压力进行测试，图3 8 为静压加载压力0 0 8 m p a 、主轴转速5 0 0 r m i n 的测试结果。 毫 图3 7 静压加载压力和主轴转速可人为输入 舟_ 囊：- p - j唠冉辛，j d0 b 5 0 0 m 1 。】m m mm i - - - l i ei ，l 。一1 1 1e n 雹辞翻鞋压i ，1 谛布曲蛀 o p i t 、：c 箍。jj 0 15 螂h 尊工1r i m , , f 。， 7 j一日曲压力：o 2 7 - ? | ? 。、。 纱、? _ 曹i ；成垴基垦力5 ：o 3 5 h r 、毳 o 3 3 螂- 。i ，o 3 l i p , , ， 一、 问 问处量压，j r 。n 3 5u p m 、一 一一 卜 一。，丌丁 i 本论文作者通过该实验所测得的实验数据及其处理与分析研究，将在第四章中介绍 及讨论，而通过由实验数据计算而得出的滑动轴承的承载油膜压力分布则在3 3 节给出。 3 2 2 流体动力润滑特性曲线实验 流体动力润滑特性曲线一 实验：主要研究的内容是在静压加载压力p 不变的 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 情况下，实验台的主轴转速由刀= 0 过渡到高速运转，测出摩擦因数厂和轴承无量纲特性 参数五的曲线图，观察轴与轴承之间由低转速下混合摩擦状态逐渐过渡到液体摩擦状态 的变化规律。点击实验分类菜单进入流体动力润滑特性曲线一( 似) 实验界面，其界面 的组成如图3 - 9 所示。 图3 - 9 流体动力润滑特性曲线实验界面分布 如图3 - 9 所示，该实验界面主要由参数控制与测试和曲线绘制两部分组成，参数控 制主要是针对实验时对静压加载压力和主轴转速进行输入控制，另外在实验过程中摩擦 因数和无量纲特性参数五以及拉力传感器数值实时给出；曲线绘制部分主要是针对静 压加载压力不变时，随着主轴转速的增加，绘制摩擦因数和无量纲特性参数名关系的 曲线图。而本文主要测试的是在静压加载压力p 为o 1 0 m p a ，主轴转速变化为o - 6 0 0 r m i n 时，摩擦状态曲线图。图3 - 1 0 为该实验的测试结果。 m 1 1 ! 一： 1 t 一、圳1 4 0i ， f 节量， h 一 - “- 止_ _ j _ ik 臼l t t - j o ， - 1 1 e 1 1 柚 一 i 曲j c “j nl ” 一。 11 p0 7 i2 ，j f ?v “jy 。副 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 流体动力润滑特性曲线二( p - f - n ) 实验：主要研究的内容是在工作载荷p 变化，并 且主轴转速变化时，测试并绘制出向曲线，给出最小摩擦因数转折点位置，数值及其 变化规律，进一步揭示滑动轴承摩擦状态的转化规律进而验证了s t r i b e c k 理论。该实验 界面同流体动力润滑特性曲线一实验相似，只是增加了静压加载p 值的三个选项( 分别 为0 0 8 m p a 、0 1 0 m p a 、0 1 2 m p a ) 。本文主要测试的是在静压加载压力p 变化时，随着 主轴转速的变化，f - n 的三条曲线图。图3 1 l 为该实验的测试结果。 图3 1 1 流体动力润滑特性曲线( p - f - n ) 实验结果 本论文作者通过该实验所测得的实验数据及其处理与分析研究，以及摩擦因数厂在 参数改变时变化规律的研究，将在第四章中进行介绍及讨论。 3 3 实验数据处理 3 3 1 实验数据的曲线拟合 由本章3 2 1 节可知，利用z h s 2 0 系列滑动轴承综合实验台可以对轴承进行承载压 力实验实测并且获得实验数值。而对于径向滑动轴承油膜压力分布曲线实验，所测出的 实验数值则是由安装在轴瓦上固定位置的压力传感器测出，而由于有限的定点测试( 传 感器沿周向7 个，沿轴向3 个) ，所得的实验数据并不能完全说明轴承承载能力的变化规 律，故对于进一步研究轴承的真实承载能力数值及其三维分布规律，则需要引入数学方 法对实验数据进行处理。 滑动轴承承载能力的三维曲线主要是沿周向和轴向分布，故对实验数据的处理首先 从油膜压力沿轴向分布的曲线入手，安装于轴瓦上的压力传感器沿周向分布如图3 1 2 所 示，根据已经测得的七点实验数据，要想得到其曲线分布，则需要用多项式来逼近，使 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 得该多项式尽可能接近实验数据，这就是曲线拟合的基本思想。利用曲线拟合方法可以 得出滑动轴承油膜压力沿周向的分布曲线及其函数。而滑动轴承油膜压力沿轴向( 即轴 瓦宽度方向) 的分布则近似于一条抛物线。 腰力测墩点4 脉乃测 球力测i 畎点 球力洲试点7 点3 试点2 测试点1 图3 1 2 滑动轴承沿周向油膜压力测试点分布 根据上述数学思想及方法，利用数学软件m a t l a b 进行编程计算，可以得到滑动 轴承油膜压力的三维分布( 如图3 1 3 所示) 以及承载能力值。以下给出实验数据处理的 部分程序( 绘制油膜压力最大值所在的行和列的曲线，即油膜压力的轴向和周向分布曲 线的程序) ： 【z d l l l 】呵r 姒( d ) ； 求矩阵a ( 油膜压力分布矩阵) 每一列的最大值并放在向量i 中，j 向量记录每个 最大值所在的行号； 【m m 皿】= 锄a x ( z d ) ； 求向量i 中的最大值并将其值付给m ，1 1 记录最大值对应的行号； z d z = d ( h h ( n n ) , r m ) ； 铡( n ) 行，n 列为最大值位置； z d h h = 1 1 1 l ( n n ) ； z d l h = n n ； 一 z d l - - 1 ：6 1 ； 存储最大值所在的列； f o r i = l ：1 8 1 ； z d h ( i ) = d ( h h ( n n ) ，i ) ； e n d ； a x e s ( h a n d l e s a x e s 2 ) ； p l o t ( z d h ) ； 绘制轴承油膜压力周向曲线( 最大值所在列) ： 【z d ，h h - - - m a x ( d ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 j 求矩阵a ( 油膜压力分布矩阵) 每- y u 的最大值并放在向量i 中，j 向量记录每个 最大值所在的行号； 【m l nn n = r n a x ( z d ) ； 求向量i 中的最大值并将其值付给m ，n 记录最大值对应的行号； z d z = d ( h h ( r m ) ，皿) ； 喇( n ) 行，n 列为最大值位置； z d h h = h h ( n n ) ； z d l h - - - - r m ； z d l = i ：6 1 ： 存储最大值所在的列 z d h = i ：1 8 1 ； 存储最大值所在的行 f o ri = l ：6 1 z d l ( i ) = d ( i ，衄) ； e n d ； a x e s ( h a n d l e s a x e s 3 ) ； p l o t ( z d l ) ； 绘制轴承油膜压力轴向曲线( 最大值所在行) 。 3 3 2 数据拟合结果 上一小节中，主要运用数值分析方法对实验所测的数据进行曲线拟合，现利用数学 软件m a t l a b 对其进行编程计算，从而得到滑动轴承油膜压力的三维分布数值矩阵。 图3 1 3 绘制了工作载荷0 1 0 m p a 、主轴转速6 0 0 r m i n 时，编程所得的油膜压力三维分布 曲线( 其中，压力传感器1 7 号所测的油膜压力值分别为0 0 7 m p a 、0 1 8 m p a 、0 2 4 m p a 、 0 3lm p a 、0 4 0 m p a 、0 3 8 m p a 、0 2 7 m p a ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 i i l 1 d i ”w 工”lz 1 - l * s k t o pi i “竹眦， l j 出d 童k 、= 、，即 i 彳- 巴口日b 四 图3 13 实验数据曲线拟合j 舌的油膜压力三维分布曲线 由图3 1 3 可以看出，滑动轴承油膜压力的分布趋势与理论计算比较吻合( 与图2 4 相比较) ，为了更具体的观察研究油膜压力的分布情况，通过编程得到了滑动轴承油膜压 力的轴向和周向分布曲线，如图3 1 4 所示。 ( a )( b ) 图3 1 4 实验数据曲线拟合后的油膜压力的周向( a ) 和轴向( b ) 分布曲线 图3 1 4 所示的是滑动轴承油膜压力分布数值矩阵中，以油膜压力最大值所在列的数 值绘制的轴承油膜压力周向分布曲线，和以油膜压力最大值所在行的数值绘制的轴承油 膜压力轴向分布曲线。图3 1 4 可以看出，滑动轴承沿周向的分布曲线随着横坐标值( 即 沿上轴瓦周向分布如图3 1 2 所示) 的增大而增大，达到最大值后油膜压力值迅速下降： 而滑动轴承沿轴向的分布曲线则近似于一条抛物线，在轴瓦宽度方向的中间( 即b 2 ) 处达到最大值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 3 4 本章小结 本章主要利用西南交通大学自主研发的z h s 2 0 系列滑动轴承综合实验台，对滑动轴 承在不同工作载荷和转速的工况下的油膜压力及其流体动力润滑特性的( 似) 曲线和 ( p 手万) 曲线进行测试，得到滑动轴承摩擦状态随着载荷及转速的改变而变化的规律。 最后对实验测试得到的油膜压力数据，引入曲线拟合的数学方法，利用m a t l a b 进行 程序语言设计与编程计算，最终得到滑动轴承油膜压力分布数值并绘出其三维图形。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第4 章滑动轴承承载能力分析与研究 通过第二章对雷诺方程的推导简化并编程计算，得到了滑动轴承油膜压力分布的理 论数值，第三章利用z h s 2 0 滑动轴承实验台，测出了滑动轴承在不同工作载荷和转速的 工况下的油膜压力数值，以及流体动力润滑特性曲线等，并对所测得的油膜压力数值运 用数学方法编程计算，得到其三维分布值。本章主要研究理论计算时，滑动轴承宽径比 b d 、偏心率等参数对滑动轴承承载能力分布的影响，并且根据通过滑动轴承实验台测 得