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液体动压滑动轴承实验台设计-试验台【含全套CAD图纸】【答辩毕业资料】

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29放油杆.dwg---(点击预览)
28轴承顶板.dwg---(点击预览)
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26拉簧螺杆.dwg---(点击预览)
25球头螺钉.dwg---(点击预览)
24传感器支架.dwg---(点击预览)
23挂钩.dwg---(点击预览)
22压杆.dwg---(点击预览)
21角形杆.dwg---(点击预览)
20放油塞.dwg---(点击预览)
19主轴.dwg---(点击预览)
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17闷盖.dwg---(点击预览)
16轴瓦挡片.dwg---(点击预览)
15卸压螺钉.dwg---(点击预览)
13轴瓦.dwg---(点击预览)
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11-00螺杆组件.dwg---(点击预览)
10-06定位螺钉.dwg---(点击预览)
10-05缓冲垫片.dwg---(点击预览)
10-04外套.dwg---(点击预览)
10-03传感器下螺钉.dwg---(点击预览)
10-02压力传感器底座.dwg---(点击预览)
10-01托架.dwg---(点击预览)
10-00托架总成.dwg---(点击预览)
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07垫圈.dwg---(点击预览)
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摘 要
   滑动轴承是用来支撑轴及其它回转零件的一种重要部件,因其本身具有一些独特的优点:轴颈轴瓦间所特有的润滑油膜具有缓冲吸振作用,使用寿命长,结构紧凑,回转速度高等,这些优点使它在某些场合占有重要地位。因此滑动轴承在金属切削机床、内燃机、铁路机及车辆、轧钢机、雷达、卫星通信地面站及天文望远镜等方面的应用十分广泛。为了帮助大学学生更加深入、细致地了解和研究滑动轴承,各种滑动轴承实验台应运而生,但在实验的效率、效果方面都还有不足。现有的滑动轴承试验台不能满足我们需要的要求,因此,我们需要为了测试专门的改进。
   本论文主要对液体动压滑动轴承进行分析、设计,使得其能够更好的工作,测得各种实验数据。对电机、温度传感器、加热装置进行解析、选择,可以测量及仿真径向油膜压力分布、油膜温度变化、油槽温度变化等各种参数。在基于流体力润滑理论的基础上,以雷诺方程的建立和求解过程,揭示了影响油膜压力的因素和其变化规律。可以通过改变各种参数揭示影响油膜压力的因素及其变化规律,从而能够更加深刻的理解和掌握滑动轴承的原理。如此一来,不仅完成了滑动轴承实验,并且加深了对油膜承载机理的理解,同时还提高了对滑动轴承的设计能力。

关键词:液体动压滑动轴;油膜压力;油膜温度  



Abstract
   Sliding bearing is used to support shaft and other rotating parts is an important part,Because of its itself has some unique advantages:Between the journal bearing of lubricating oil film vibration cushioning、Long service life、Compact structure、Rotation speed is higher and so on,These advantages make it occupies an important position in some occasions.So the sliding bearing in the metal cutting machine tools, internal combustion engines, railway and vehicle, rolling mill, radar, satellite communication earth station and astronomical telescope are widely used, etc.In order to help college students more in-depth and meticulous understanding of and research on the sliding bearing, all kinds of sliding bearing experimental platform arises at the historic moment, but in the experimental efficiency, effect and inadequacy. Existing sliding bearing test rig can not meet the requirements of we need, therefore, we need to test the specific improvements.
   This thesis mainly analyze the fluid dynamic pressure sliding bearing, the design, make it can work better, measured a variety of experimental data.Motor, temperature sensors, heating device for parsing, choice, can be measured and simulation of radial oil film pressure distribution, oil film temperature, oil temperature and other parameters.Based on flow, on the basis of manual lubrication theory, with the establishment of the Reynolds equation and the solving process, reveals the factors that affect the oil film pressure and its change rule.Can by changing various parameters that influences factors of oil film pressure and variation law, to be able to more deeply understand and master the principle of sliding bearing.As a result, not only completed the sliding bearing experimental, and deepen the understanding of the mechanism of oil film bearing, also raised the design capability of sliding bearing.

Key words: Liquid dynamic pressure sliding bearing; The oil film pressure;The oil film temperature

目  录
摘  要 III
Abstract IV
第一章 绪论 6
1.1 国内外研究现状和发展趋势 1
1.1.1 液体动压滑动轴承试验台国内外研究现状 1
1.1.2 液体动压滑动轴承试验台发展趋势 2
1.2 液体动压滑动轴承试验台的研究目的和意义 2
1.3 课题研究的主要内容 2
第2章 液体动压滑动轴承的理论基础 4
2.1 滑动轴承 4
2.1.1 滑动轴承的主要类型和结构 4
2.2 液体动压润滑的基本原理和基本关系 5
2.2.1 液体动压油膜的形成原理 5
2.2.2 液体动压润滑的基本方程 6
2.2.3 油楔承载机理 8
2.3  径向滑动轴承液体动压基本原理 9
2.3.1  径向滑动轴承液体动压润滑的建立过程 9
2.3.2 径向滑动轴承的主要几何关系和承载能力 10
2.3.3  径向滑动轴承的参数选择 11
第3章 液体动压滑动轴承油膜特性分析 13
3.1 径向滑动轴承油膜压力分布的理论基础 13
3.1.1液体动压润滑的基本方程 13
3.1.2 雷诺方程的简化 13
3.1.3 雷诺方程的无量纲形式 14
3.1.4 雷诺方程的无量边界条件 15
3.1.5 开设油槽时油膜压力的计算 16
第4章 液体动压滑动轴承试验台的实现 17
4.1 试验台的简介 17

       4.1.1 液体动压滑动轴承试验台的结构简图 17
4.1.2  关于电机的选择 18
4.1.3  关于热敏电阻传感器的选择 20
4.1.4  关于加热装置的选择 22
4.2 液体摩擦径向滑动轴承的计算 25
4.2.1 主要技术指标 25
4.2.2 选择轴承材料和结构 25
4.2.3 润滑剂和润滑方法的选择 26
4.2.4 承载能力计算 26
4.2.5  层流校核 27
4.2.6 流量计算 27
4.2.7 功耗计算 28
4.2.8 热平衡计算 28
4.2.9 安全度计算 29
4.3 滑动轴承内轴瓦、油温、油压的关系 29
第五章 总结 33
参考文献 34
致 谢 35


第一章 绪论
   滑动轴承是用来支撑轴及其它回转零件的一种重要部件,因其本身具有一些独特的优点:轴颈轴瓦间所特有的润滑油膜具有缓冲吸振作用,使用寿命长,结构紧凑,回转速度高等,这些优点使它在某些场合占有重要地位。因此滑动轴承在金属切削机床、内燃机、铁路机及车辆、轧钢机、雷达、卫星通信地面站及天文望远镜等方面的应用十分广泛 。为了帮助大学学生更加深入、细致地了解和研究滑动轴承,各种滑动轴承实验台应运而生,但在实验的效率、效果方面都还有不足。


内容简介:
浙江理工大学题目: 液体动压滑动轴承实验台 姓名与学号: 丁建峰 B09300407指导老师: 唐浙东年级与专业: 09级机械设计制造及其自动化学院: 机械与自动控制学院毕业论文(设计)诚信保证书我已经按照毕业论文(设计)指导老师的要求,熟悉和理解了我校关于“二级学院全日制学生毕业论文(设计)规范化规定”文件的精神和有关要求,愿意在毕业论文(设计)中诚实守信,绝不抄袭、剽窃他人论文、设计及其他智力成果,引用材料注明出处,参考书目附在论文(设计)篇尾。如有违反愿意接受相应处理。 保证人: 二一三 年 五 月1摘 要 滑动轴承是用来支撑轴及其它回转零件的一种重要部件,因其本身具有一些独特的优点:轴颈轴瓦间所特有的润滑油膜具有缓冲吸振作用,使用寿命长,结构紧凑,回转速度高等,这些优点使它在某些场合占有重要地位。因此滑动轴承在金属切削机床、内燃机、铁路机及车辆、轧钢机、雷达、卫星通信地面站及天文望远镜等方面的应用十分广泛。为了帮助大学学生更加深入、细致地了解和研究滑动轴承,各种滑动轴承实验台应运而生,但在实验的效率、效果方面都还有不足。现有的滑动轴承试验台不能满足我们需要的要求,因此,我们需要为了测试专门的改进。 本论文主要对液体动压滑动轴承进行分析、设计,使得其能够更好的工作,测得各种实验数据。对电机、温度传感器、加热装置进行解析、选择,可以测量及仿真径向油膜压力分布、油膜温度变化、油槽温度变化等各种参数。在基于流体力润滑理论的基础上,以雷诺方程的建立和求解过程,揭示了影响油膜压力的因素和其变化规律。可以通过改变各种参数揭示影响油膜压力的因素及其变化规律,从而能够更加深刻的理解和掌握滑动轴承的原理。如此一来,不仅完成了滑动轴承实验,并且加深了对油膜承载机理的理解,同时还提高了对滑动轴承的设计能力。关键词:液体动压滑动轴;油膜压力;油膜温度 Abstract Sliding bearing is used to support shaft and other rotating parts is an important part,Because of its itself has some unique advantages:Between the journal bearing of lubricating oil film vibration cushioning、Long service life、Compact structure、Rotation speed is higher and so on,These advantages make it occupies an important position in some occasions.So the sliding bearing in the metal cutting machine tools, internal combustion engines, railway and vehicle, rolling mill, radar, satellite communication earth station and astronomical telescope are widely used, etc.In order to help college students more in-depth and meticulous understanding of and research on the sliding bearing, all kinds of sliding bearing experimental platform arises at the historic moment, but in the experimental efficiency, effect and inadequacy. Existing sliding bearing test rig can not meet the requirements of we need, therefore, we need to test the specific improvements. This thesis mainly analyze the fluid dynamic pressure sliding bearing, the design, make it can work better, measured a variety of experimental data.Motor, temperature sensors, heating device for parsing, choice, can be measured and simulation of radial oil film pressure distribution, oil film temperature, oil temperature and other parameters.Based on flow, on the basis of manual lubrication theory, with the establishment of the Reynolds equation and the solving process, reveals the factors that affect the oil film pressure and its change rule.Can by changing various parameters that influences factors of oil film pressure and variation law, to be able to more deeply understand and master the principle of sliding bearing.As a result, not only completed the sliding bearing experimental, and deepen the understanding of the mechanism of oil film bearing, also raised the design capability of sliding bearing.Key words: Liquid dynamic pressure sliding bearing; The oil film pressure;The oil film temperature III目 录摘 要IIIAbstractIV第一章 绪论61.1 国内外研究现状和发展趋势11.1.1 液体动压滑动轴承试验台国内外研究现状11.1.2 液体动压滑动轴承试验台发展趋势21.2 液体动压滑动轴承试验台的研究目的和意义21.3 课题研究的主要内容2第2章 液体动压滑动轴承的理论基础42.1 滑动轴承42.1.1 滑动轴承的主要类型和结构42.2 液体动压润滑的基本原理和基本关系52.2.1 液体动压油膜的形成原理52.2.2 液体动压润滑的基本方程62.2.3 油楔承载机理82.3 径向滑动轴承液体动压基本原理92.3.1 径向滑动轴承液体动压润滑的建立过程92.3.2 径向滑动轴承的主要几何关系和承载能力102.3.3 径向滑动轴承的参数选择11第3章 液体动压滑动轴承油膜特性分析133.1 径向滑动轴承油膜压力分布的理论基础133.1.1液体动压润滑的基本方程133.1.2 雷诺方程的简化133.1.3 雷诺方程的无量纲形式143.1.4 雷诺方程的无量边界条件153.1.5 开设油槽时油膜压力的计算16第4章 液体动压滑动轴承试验台的实现174.1 试验台的简介17 4.1.1 液体动压滑动轴承试验台的结构简图174.1.2 关于电机的选择184.1.3 关于热敏电阻传感器的选择204.1.4 关于加热装置的选择224.2 液体摩擦径向滑动轴承的计算254.2.1 主要技术指标254.2.2 选择轴承材料和结构254.2.3 润滑剂和润滑方法的选择264.2.4 承载能力计算264.2.5 层流校核274.2.6 流量计算274.2.7 功耗计算284.2.8 热平衡计算284.2.9 安全度计算294.3 滑动轴承内轴瓦、油温、油压的关系29第五章 总结33参考文献34致 谢355浙江理工大学本科毕业设计(论文)第一章 绪论 滑动轴承是用来支撑轴及其它回转零件的一种重要部件,因其本身具有一些独特的优点:轴颈轴瓦间所特有的润滑油膜具有缓冲吸振作用,使用寿命长,结构紧凑,回转速度高等,这些优点使它在某些场合占有重要地位。因此滑动轴承在金属切削机床、内燃机、铁路机及车辆、轧钢机、雷达、卫星通信地面站及天文望远镜等方面的应用十分广泛 。为了帮助大学学生更加深入、细致地了解和研究滑动轴承,各种滑动轴承实验台应运而生,但在实验的效率、效果方面都还有不足。1.1 国内外研究现状和发展趋势1.1.1 液体动压滑动轴承实验台国内外研究现状 早在1989年,东南大学机械学研究室已经设计研制成静压和动静压轴承实验台 ,它可以进行静压和动静压滑动轴承的静动特性实验。 1995年,上海机械电子工程学院为研究滑动轴承静态和动态油膜气穴分布,设计并开发了360。动、静载荷滑动轴承油膜分布实验台 。 2001年,广东工业大学为了对轴承进行系统的理论与实验研究,设计并研制了YZ-1型轴承试验台。 2002年,湖南长庆科教仪器厂研制了HS-A型滑动轴承实验台。HS-A型滑动轴承实验台主要用于教学实验。它可以帮助学生观察滑动轴承的结构及油膜形成的过程,测量其径向油膜压力分布,通过测定可以绘制出摩擦特性曲线、径向油膜压力分布曲线和测定其承载量。后湖南长庆科教仪器厂又研制了HS-B型滑动轴承实验台。此外上海同育教学仪器设备有限公司研制了TYK-I液体动压轴承实验台。该实验台的实验功能有观察滑动轴承的动压油膜形成过程与现象;使用压力表测量轴承径向及轴向压力分布值;使用摩擦力传感器进行实时采样并显示轴承摩擦力矩值;采用力及转速传感器,测量轴承工作载荷及主轴转速;实验台工作载荷、摩擦力矩及主轴转速传感器信号接入实验台所配的测试仪,由单片微机控制实时采样、分析、并显示;通过抄录测试仪及压力表所显示实验数据,手动绘制出滑动轴承径向油膜压力分布曲线与承载量曲线及摩擦特性曲线。1.1.2 液体动压滑动轴承实验台发展趋势 随着计算机技术的发展与应用,滑动轴承实验台从手动实验,手工绘制实验曲线,填写实验表格的阶段向实验信息采样、过程控制、数据处理方面智能化发展,计算机辅助教学、计算机仿真等先进教学手段与技术也开始应用于实践教学环节10 。1.2 液体动压滑动轴承实验台的研究目的和意义 目前的滑动轴承实验台普遍存在功能单一、测试数据精度低、实验数据稳定性差等问题。但计算机技术的发展与应用,使教与学的形式与内容发生了变化,也改变了实验教学的模式,使实现教学改革成为可能。将计算机辅助教学、计算机仿真等先进教学手段与技术应用于实践教学环节,科学地应用新技术,充分发挥高科技的特长,使实验室在现代化管理体制下高效运行,成为了一个新课题。本课题的研究意义在于:用现代化的技术手段改造原有教学实验设备,提高实验台测试度、实验数据的可靠性及实验性能,满足教学要求。同时也可以验证实际轴承的性能是否和设计的性能相吻合;检验轴承的设计、制造和装配是否合理。新型实验台开发完成后,可向全国高等工科院校相关专业实验室推广使用。1.3 课题研究的主要内容 本课题重点完成实验台传动电机及调速方法选择、相应传感器的选择,其主要内容有:1)了解液体动压滑动轴承实验台研制研究目的。理解液体动压滑动轴承结构及 其特点。确定完整实验系统总体方案。2)相关测试用传感器型号、电机选定。3)进行油温测试,对油膜进行加热,测得油温与压力的关系 (这是以前所不具有的,是本试验台最大的创新)4) 对油膜形成过程进行三维仿真。第2章 液体动压滑动轴承的理论基础2.1 滑动轴承 根据轴承中摩擦性质的不同,可把轴承分为滑动摩擦轴承(简称滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)两大类。滑动轴承本身具有的一些独特有点,使得它在某些不能、不便或使用滚动轴承没有优势的场合占有重要地位。因此,滑动轴承在轧钢机、汽轮机、内燃机、铁路机车及车辆、金属切削机床、航空发电机附件、雷达、卫星通信地面站、天文望远镜以及各种仪表中应用颇为广泛。2.1.1 滑动轴承的主要类型和结构 按受载荷方向不同,滑动轴承可分为径向滑动轴承和止推滑动轴承1。 1.径向滑动轴承 径向滑动轴承用于承受径向载荷。图2-1所示为整体式径向滑动轴承,图2-2所示为对开式径向滑动轴承。对开式滑动轴承拆装方便,轴瓦磨损后可方便更换及调整间隙,因而应用广泛。 2.止推式滑动轴承 止推式滑动轴承由轴承座和止推轴颈组成。常用的结构形式有空心式、单环式和多环式。 图2-1 整体式径向滑动轴承图2-2 对开式径向滑动轴承2.2 液体动压润滑的基本原理和基本关系2.2.1 液体动压油膜的形成原理图2-3 动压油膜形成原理图 液体动压油膜形成原理是利用摩擦副表面的相对运动,将液体带进摩擦表面之间,形成压力油膜,将摩擦表面隔开,如图2-3所示。两个互相倾斜的平板,在它们之间充满具有一定粘度的液体。当AB以速度V向左移动,而CD保持静止时,液体在此楔形间隙中作层流流动。当各层流的速度分布规律为直线时,由于进口间隙大于出口间隙,则进口流量必大于出口流量;但液体是不可压缩的,因此,在楔形间隙内形成油压,迫使大口的进油速度减小,小口的出油速度增大,从而使流经各截面的流体流量相等。同时,楔形油膜产生的内压将与外载荷相平衡。2.2.2 液体动压润滑的基本方程 雷诺方程是液体动压润滑基本方程,是研究流体动力润滑的基础。它是根据粘性流体动力学基本方程出发,作了一些假设条件后简化得的。图2-4 被油膜隔开的两平板的相对运动情况如图2-4所示,两平板被润滑油隔开,设板A沿x轴方向以速度v移动,另一板B静止。再假定油在两平板间沿z轴方向没有流动(可视此运动副在z轴方向的尺寸为无限大)。现从层流运动的油膜中取一微单元体进行分析。 由图可见,作用在此微单元体右面和左面的压力分别为p及,作用在单元体上下两面的切应力分别为及。根据x方向的平衡条件,得整理后得 (2-1)根据牛顿粘性流体摩擦定律,将式(2-1)对求导数,得,代入式(2-1)得 (2-2)该式表示了压力沿轴方向的变化与速度沿轴方向的变化关系。 下面进一步介绍流体动力润滑理论的基础方程。 1.油层的速度分布 2.将式(2-2)改写成 (2-3)对积分后得 (2-3) (2-4)根据边界条件决定积分常数及C2:当=0时,;=(为相应于所取单元体处的油膜厚度)时,=0,则得;代入式(2-4)后,即得 (2-5) 由上式可见,油层的速度v由两部分组成:式中前一项表示速度呈线性分布,这就是直接由剪切流引起的;后一项表示速度呈抛物线分布,这是由层流沿方向的变化所产生的压力流所引起的。 2.润滑油流量 当无侧泄时,润滑油在单位时间内流经任意截面上单位宽度面积的流量为 (2-6)将式(2-6)代入式(2-7)并积分后,得 (2-7) 设在处的油膜厚度为h0,在该截面处的流量为 (2-8)当润滑油连续流动时,各截面的流量相等,由此得整理后得 (2-9)2.2.3 油楔承载机理 由式可看出油压的变化与润滑油的粘度、表面滑动速度和油膜厚度的变化有关,利用该式可求出油膜中个点的压力,全部油膜压力之和即为油膜的承载能力。 油膜必须呈收敛楔形,才能使油楔内各处油压都大于入口处和出口处的压力,产生正压力以支承外载。 所以形成液体动力润滑(即形成动压油膜)的必要条件是: 1)相对运动两表面必须形成一个收敛楔形; 2)被油膜分开的两表面必须有一定的相对滑动速度,其运动方向必须使润滑从大口流进,小口流出; 3) 润滑油必须有一定的粘度,供油要充分。2.3 径向滑动轴承液体动压基本原理2.3.1 径向滑动轴承液体动压润滑的建立过程 径向滑动轴承的轴颈与轴承孔间必须流油间隙。滑动轴承形成动压润滑油膜的过程如图2-5(a)所示。当轴静止时,轴承孔与轴颈直接接触,如图2-5(b)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2-5(c)所示。 静止时 n=0 启动时 形成动压油膜图2-5径向滑动轴承形成流体动力润滑的过程 径向滑动轴承液体动压润滑油膜形成过程经历启动、不稳定运转、稳定运转三个阶段。 1.启动时(n0) 刚开始启动时,由于速度低,轴颈与轴瓦金属直接接触,在摩擦力作用下轴颈沿轴瓦内壁向右上方爬行。(由图2-5(a)(c) 2.不稳定运转阶段 随着n增大,从油楔大口带入小口的油逐渐增多,形成压力油膜,把轴颈浮起推向左上方。(由图2-5(b)(c) 3.稳定运转阶段 逐渐增大的油膜压力的垂直分量与外载荷F相等时,轴颈稳定在某一位置上运转。n越高,轴颈中心稳定位置愈靠近轴孔中心。但两中心永远不能重合,因为当两心重合时,油楔消失,不满足液体动压润滑油膜形成的第一个条件,油膜将失去承载能力。(如图2-5(c)2.3.2 径向滑动轴承的主要几何关系和承载能力图2-6 径向滑动轴承的集合参数和油压分布 径向滑动轴承的几何关系,如图2-6所示。 基本参数:O轴颈中心,O1轴承中心,起始位置F与重合,轴颈直径,轴承孔直径D 根据以上基本参数可以直接计算出: 直径间隙: 半径间隙: 相对间隙: 偏心距: 偏心率: 以为级轴,对应油膜厚度为,为处油膜厚度,为处的压力角,为压力油膜起始角和终止角,其大小与轴承包角有关。 在中,根据余弦定律可得 略去高阶微量,再引入半径间隙,并两端开方得 整理得任意位置时油膜厚度为 压力最大处时油膜厚度 当时,油膜最小厚度2.3.3 径向滑动轴承的参数选择 影响滑动轴承油膜压力的因素很多,根据液体动压润滑理论,影响压力分布的参数主要有轴承宽径比、相对间隙、油槽开设形式、径向载荷、润滑油的粘度、主轴转速等。 1.宽径比 轴瓦宽度与轴颈直径之比成为宽径比。小时,轴承轴向尺寸减小,P增大,运转平稳,端泄量增大,摩擦功耗减小,轴承承载能力减小。高速重载轴承温升温,应取小量;低速重载轴承为提高支承刚性,应取大值;高速轻载轴承为提高支承刚性,应取小值。 2.相对间隙 改变轴承的相对间隙并不影响轴承的总体尺寸,但对轴承的静动态特性影响很大。若想改变,只有通过改变轴与轴承的配合公差来实现。一般可根据轴承所受载荷和轴颈速度选取。速度高时,值应取大一些,可减少发热;载荷大时,值应取小一些,可以提高承载能力。配合间隙是静压和动压轴承装配、调整中最重要的一个环节,过大的间隙会降低承载能力和刚度,而过小的间隙可能引起温升过高,一般按经验关系式估算:(其中是轴颈圆周线速度,单位),最后在综合考虑轴承材料、工作状态等因素来决定。 3.轴承的平均比压 P较大,有利于提高轴承平稳性,减小轴承的尺寸;但P过大,油膜变薄,对轴承制造安装精度要求提高,轴承工作表面易破坏。 4.轴承的转速 转速是影响滑动轴承油膜压力分别的参数之一。 5.粘度 润滑油的粘度是建立流体润滑的关键,它对轴承承载能力、功率损失和轴承的温升起着不可忽视的作用。粘度是通过选择润滑油来选定。当转速高、压力小时,应选粘度低的油;反之,当转速低、压力大时,应选粘度较高的油,这样就尽可能的减小实验误差,得到较为准确的油膜压力分布图。第3章 液体动压滑动轴承油膜特性分析3.1 径向滑动轴承油膜压力分布的理论基础3.1.1液体动压润滑的基本方程 从数学的观点来看,各种流体润滑计算的基本内容就是对动压润滑的基本方程雷诺方程的应用与求解。从十九世纪起,人们开始对液体动压现象的研究以来,液体动压油膜产生机理现在已经趋于成熟,现代液体润滑理论已经得到长足的发展2。3.1.2 雷诺方程的简化 雷诺方程为各量都是变量的三维非线性偏微分方程,对它进行积分求解并非易事。解析法求解存在很多困难,因而需要采取一系列的简化。 根据不同的工作状况,可以采用不同的形式简化。通常的径向滑动轴承设计采用不可压缩的等粘度润滑计算,进行一系列的假设,即假定润滑油具有相同的粘度,流体的密度为常数,同时认为间隙只是的函数而不考虑误差和轴的弯曲变形,可以得出在稳定载荷作用下的流体动压润滑二维雷诺方程为 对于普通径向动压滑动轴承,式中: 油膜厚度,为偏心率,R,r分别为轴承、轴颈半径,为所求油膜厚度到轴承与轴颈连线的角度;为流体粘度;为油膜压力;为轴颈圆周速度;为轴颈中心运动的径向速度;,分别为轴颈方向和轴线方向的坐标。 上式方程右边第一项为楔形间隙所引起的楔形项,第二项为由轴承中液体法向相对运动所引起的挤压效应项,一般后一项是可以忽略。这种忽略是有根据的,因为在稳定匀速的情况下,切向速度一般均不随的变化而变化,故伸张可不考虑;另外,当压力不是很高时,楔形项是主要的,也可忽略挤压效应项。于是方程就变成: (3-1)式(4-1)是最常见的计算有限长向心动压轴承的二维雷诺方程。3.1.3 雷诺方程的无量纲形式 对动压滑动轴承进行分析计算,常以无量纲的形式进行。这样,一方面可将问题归纳成最紧凑的形式,突出各有关因素的作用,并且使处理的变量的数值尽可能地不致大到天文数字或小到微乎其微,以便于用于计算机运算。并且,分析所得结果,可直接以无量纲形式推广应用到相似的轴承问题当中3。 以径向滑动轴承为例,先将雷诺方程中的自变量(和)用无量纲坐标表示。是无量纲量,它是用作为“相对单位”来度量值的结果,即转换来的,所以就是坐标的无量纲值。相似的,对于轴向坐标,选取轴承宽度的一半作为相对单位,则方向的无量纲坐标就是:。对于方程中之变系数(膜厚),因其级数量远小于和方向尺寸的数量级,而与半径间隙占同级,故选为其相对单位,于是无量纲膜厚为:。P是未知变量,选定某一特征值作为其相对单位,假设用某一未知变量。表示,则无量纲压力为。是经过计算和对公式形式的简化最终确定的,。 将这些无量纲量代入(4-1)中,最终得到雷诺方程的无量纲形式: (3-2)式中: ,其中成为偏心率 ,的区间是02 ,如果坐标原点放在宽度中央,则的区间是-113.1.4 雷诺方程的无量边界条件图3-1 压力分布的边界条件 在稳定工况下,要求解承受载荷轴承的微分方程,必须先确定边界条件。这些条件规定了压力分布的边界,称为压力分布边界条件。对于径向滑动轴承其边界条件如图4-1所示: 1.沿轴向 ; 2. 沿周向 (1) 全索默菲尔德(sommerfeld)边界条件 全索默菲尔德边界认为油压在收敛区为正值,在发散区为负值,压力曲线连续,并对处成反对称。具体边界条件或P=0;处P=0。该边界条件与实际相差很大,通常不采用。 (2) 半索默菲尔德条件 通常轴承只能承受正压而不能承受负压,因为负压下油膜会破裂,故半索默菲尔德边界只应计算收敛区正压的承载能力,而不应考虑发散区负压的影响。具体的边界条件为:处P=0;处P=0,。该边界使液体流动呈不连续态势,故将产生计算误差,这是其不足之处。但因其计算相对简单,常备使用。 (3) 雷诺(Reynolds) 雷诺边界以油膜区内液体流动的连续性为出发点,理论上更加严密,结果也相对正确,只是计算难度更大。具体的边界条件为: 压力起点:; 压力终点:; 雷诺在1886年就提出液体连续流动和不能承受明显的负压的两个物理条件,压力的终点位于最小润滑间隙之后。经过许多科学家的理论研究以及令人信服的实验结果表明:雷诺边界条件是符合实际油膜压力分布状况的。尽管对于某些实验的结果还有一定的误差,但比较另外两种边界条件更准确。在实际计算过程中,多数采用雷诺边界条件。 本文在计算雷诺方程时的边界条件就是采用了雷诺边界条件。实现雷诺边界条件常用的最有效且简单的方法是:在用差分法计算油膜压力时,每行上均由起始边向终点边方向逐点计算,如算出某点压力为负,既取为零。此点位置即可作为改行上油膜自然破裂边的近似位置。该点以后各点压力均取为零,而不再按雷诺方程计算。每次迭代均按此处理,则破裂边近似位置会逐渐逼近应有的自然破裂边界。3.1.5 开设油槽时油膜压力的计算 无油槽轴承计算中油膜压力分布主要取决于轴颈的偏心率;而在开设油槽轴承中,压力分布还与轴心相对油槽位置,油槽的开设形状有关,需要综合考虑的因素更加复杂9。 当油槽开设方式比较简单时,我们可以根据以下两条计算法则来进行计算: 1)开设轴向油槽时油膜压力的计算 这类轴承由一系列同心的部分轴承做成,而这些部分轴承则由供给润滑剂的轴向沟槽所分割。将每一瓦块上所产生的力矢量相加,即可得到这类轴承的解。 2)开设周向油槽时油膜压力的计算 因为周向沟槽实质上将轴承变成B/d值减小的两个或更多个轴承,而这些轴承的解则可以从普通的圆柱轴承的结果中获得。第4章 液体动压滑动轴承实验台的实现4.1 实验台的结构4.1.1 液体动压滑动轴承实验台的结构简图1-电 机 2-皮 带 3-摩擦力传感器 4-压力传感器:测量轴承表面油膜压力,共7个F1 F7, 5-轴 瓦 6-加载传感器:测量外加载荷值 7-主 轴 8-温度测试仪 9-油 槽 10-底 座 11-面 板 12-调速旋钮:控制电机转速 13-温度传感器 14-加热装置 图4-1 滑动轴承部分简图由电机1通过皮带2带动主轴顺时针旋转,由无级调速器实现无级调速,主轴的转速由装在面板11上的数码管直接读出。油膜的径向压力分布曲线是在一定的载荷和一定的转速下绘制的。当载荷改变或轴的转速改变时所测出的压力值是不同的,所绘出的压力分布曲线也是不同的。转速的改变方法如前所述。本实验台采用螺旋加载,转动螺杆即可改变载荷的大小,所以载荷之值通过传感器数字显示,直接在实验台的操纵板上读出。径向滑动轴承的摩擦系数f随轴承的特性系数= n/p值的改变而改变(油的动力粘度,轴的转速,压力,轴上的载荷,=轴瓦自重+外加载荷。本实验台轴瓦自重为40N,轴瓦的宽度,轴的直径。)在边界摩擦时,随的变大而变化很小,进入混合摩擦后,的改变引起的急剧变化,在刚形成液体摩擦是达到最小值,此后,随的增大油膜厚度也随之增大,因而也有所增大。摩擦系数之值为F=(2/30)(n/p)+0.55 (4-1)式中,相对间隔;随轴承长径比而变化的系数,对于1/d1的轴承,=1.5;1/d1时,=1.在轴承上半部中间即轴承有效宽度B/2处的剖面上沿圆周120内钻有七个均匀分布的小孔,每个小孔联接一个压力传感器(测周向压力),在轴承周向有效宽度B/4处也钻有一个小孔,并连接一只压力传感器(测周向压力)。从而可绘出轴承的周向和轴向压力分布曲线。 实验台启动后,主轴7在油槽9中转动,在油膜粘力作用下通过摩擦力传感器3测出主轴旋转时受到的摩擦力矩;当润滑油充满整个轴瓦内壁后轴瓦上的7个压力传感器可分别测出分布在其上的油膜压力值;待稳定工作后由温度传感器t1测出入油口的油温,t2测出出油口的油温。 在此基础上,另外添加了几个热敏电阻温度传感器跟加热装置,这样可以更加好的完成这个实验台。热敏电阻温度传感器可以分别测出油槽内油的温度和油膜温度,而加热装置可以对油槽内的油加热,从而通过改变油的温度来得到不同的油膜压力分别曲线。4.1.2 关于电机的选择 直流电机是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能8。 交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展,交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比,由于没有换向器(见直流电机的换向),因此结构简单,制造方便,比较牢固,容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机的功率覆盖范围很大,从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。 1.直流电机电源难找,需要专门的整流设备。同时,成本也高,控制稍微复杂。而交流电机电源方便,成本也低。因此在选择上用了交流电机。 图4-2 直流电机(左) 交流电机(右) 2.在交流电机中,我们则选用了三相异步电动机。相比较而言,三相异步电动机所需设备少,启动方式简单,成本更低。在三相电机中,YD(IP44)电机体积小、机身轻,便于安装跟试验台相连接。此电机可作一般用途的驱动源,即用于驱动对起性能、调速性能及转差率无特殊要求的机器和设备;亦可用灰尘较多、水土飞溅的场所。这些性能恰好都满足我们试验台的要求。图4-3 Y801-2电动机型号Y801-2额定功率(KW)0.7额定转矩2.2转速(r/min)2830额定电压(V)380最低环境温度()-25额定频率(Hz)504.1.3 关于热敏电阻传感器的选择 热敏电阻是用半导体材料,大多为负温度系数,即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变,因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性极差,并且与生存工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。 热敏电阻还有其自身的测量技巧。它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于空间要求的应用是有利的,但必须注意防止自热误差。热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度, 有较好的精度,但它比热偶贵, 可测温度范围也小于热偶。一种常用热敏电阻在25时的阻值为5k,每1的温度改变造成200的电阻变化。注意10的引线电阻仅造成可忽略的 0.05误差6。 热敏电阻体积小是优点,它能很快稳定,不会造成热负载。功率等于电流平方与电阻的积,因此要使用小的电流。 在传感器的选择上,鉴于油膜温度在0100之间,在此工作温度范内的传感器首先看准直接输出数字型的笔形。如图图4-4 笔形温度传感器然而,这种传感器只能测得表面,无法深入到内部。 在排除了上面这种只能测外表温度的传感器后,将目光瞄准了可以测得内部温度的传感器,同时也要可以简便安装。因此,在众多的传感器中,找到了一种刚好合适,同时也比较经济的一种。如图3-5是否提供加工定制是品牌kontan型号KT-C种类温度材料金属材料物理性质绝缘体制作工艺集成输出信号数字型防护等级0线性度0(%F.S.)迟滞0(%F.S.)重复性0(%F.S.)灵敏度5S漂移0.1分辨率1度图4-5 热敏电阻温度传感器(中山市东风镇康腾电子厂) 下图为温度传感器在试验台中的安装位置。图4-6 温度传感器在实验台上的装配位置 这2个温度传感器的位置刚好可以测得油槽内的油温和油膜温度,并且把信号传输出来。4.1.4 关于加热装置的选择 在众多的加热器中,陶瓷加热器具有安装灵便、耐高温、传热快、绝缘良好、制作不受型号和规格大小的限制等优点。陶瓷加热器是用不锈钢皮做外壳,内有较高绝缘耐火程度的陶瓷内穿上电阻丝,再用机械绞制成型,接通电源,即可使用。升温快30秒可达500度 ,热效率90%以上是PTC发热器的1.5倍 ,功率可从50W-2000W任意 ,电源从12V-380V任意 ,形状不受外型限制(可以定做)。 陶瓷加热器是一种高效热分布均匀的加热器,热导性极佳的金属合金,确保热面温度均匀,消除了设备的热点及冷点。具有长寿命、保温性能好、机械性能强、耐腐蚀、抗磁场等优点。 一种是将合金丝浇铸在石英玻璃为原材料的半导体中。具有耐高温(可达1200度)、防腐、美观耐磨的特点。广泛应用于高温采暖炉、半导体工程、玻璃、陶瓷及电线工程中。 陶瓷加热器产品结构:陶瓷加热器是用不锈钢皮做外壳,内有较高绝缘耐火程度的陶瓷内穿上电阻丝,再用机械绞制成型,接通电源,即可使用。采用陶瓷加热器加热,不发红光,不燃烧,升温快,不怕水及酸碱。热效率可达90%以上,是PTC加热器的1.5倍,它是传统电热丝加热器的2倍,可以节约30%能源及电费支出。同时,启动时无突波电流,温度保持恒温。也不怕水及酸碱,适合恶劣环境使用。 如图3-6为普通的电阻加热器。图4-7 电阻加热器 如图3-7为一般的陶瓷加热片。图4-8 陶瓷加热片 而在考虑了价格、加热速度等因素后,选定了上海井森电工器材有限公司的一款陶瓷加热器。实物如下图图4-9 陶瓷加热器是否提供加工定制是品牌康慧电热型号sgdr-08材质99氧化铝常温电阻0.4-1000最大电压3.7-220厚度1.0-2.0主要用途加热产品认证环保认证适用范围设备、机械、美发产品性能指标:1、材料:基板为白色氧化铝,含量不低于95%;引线为0.5070mm镍丝。2、外形尺寸:可按照客户的要求开发制作 常规尺寸:长度70mm 宽度7、10、15、20mm 厚度1.3mm3、尺寸公差:长度1.00mm 宽度0.50mm 厚度0.20mm4、外观质量:外观整洁,无锈蚀、无污染、无断裂。5、机械特性:常温湾曲强度大于310MPa,高温弯曲强度大于260MPa(220)6、高温特性:温升速率:10秒内可达200,稳定最高温度可达6008007、电特性:工作电压55V、110V、220V(一般情况下不允许空烧) 下图为加热陶瓷片在试验台中的安装位置图4-10 加热陶瓷器在实验台中的装配位置 把加热陶瓷片放在这里刚好可以对油槽内的又进行加热,因此可以得到油膜温度跟压力的关系。4.2 液体摩擦径向滑动轴承的计算 已知:轴承载荷F=50000N,d=100mm,轴转速n=960r/min,试选择轴承材料并进行液体动力润滑设计。4.2.1 主要技术指标 原始数据:轴向载荷F=50KN 轴承直径:d=100mm 轴转速: n=960r/min 4.2.2 选择轴承材料和结构 1. 选择轴承结构为剖分式,由水平剖分面单侧供油,轴承包角=180。 2. 选择轴承宽径比,根据机床轴承常用的宽径比范围4,去宽径比B/d=1.5。 3. 计算轴承宽度 B/d=1.5 因此B=150mm。 4. 计算轴颈圆周速度 5. 计算轴承压力和值 选择轴瓦材料,查机械设计手册,选定轴承材料为ZcuPb30。4.2.3 润滑剂和润滑方法的选择 1.选定润滑油牌号 查机械设计手册6,选择机械油 AN32 2.选定平均油温 现查平均油温 3. 下油的润滑粘度:查机械设计手册知11 4. 油的动力粘度,取, 得 5.润滑方法的选择 当k3050时,用油环、飞溅润滑,故选用飞溅润滑 粘度对轴承的承载能力、功耗和轴承温升都有不可护士的影响。轴承工作时,油膜各处温度是不同的,通常认为轴承温度等于油膜的平均温度。平均温度的计算是否准确,将直接影响到润滑油粘度的大小。平均温度过低,则油的粘度较大,算出的承载能力偏高;反之,则承载能力偏低。设计时,可先假定轴承平均温度,初选粘度,进行初步设计计算。最后再通过热平衡计算来验算轴承的入口温度是否在标准之间,否则应重新选择粘度再做计算。4.2.4 承载能力计算 1.计算相对间隙 取 2. 计算轴转速 3. 索氏数 4. 选择偏心率 查机械设计手册得4.2.5 层流校核 1.半径间隙计算 2.计算临界雷诺数 3.计算轴承雷诺数 则12.561306,故满足层流条件4.2.6 流量计算 1. 选取流量系数:查机械设计手册, 2. 轴承润滑油的体积流量4.2.7 功耗计算 1. 选取摩擦特性系数:查机械设计手册,得: 2. 计算摩擦系数 3. 计算摩擦功耗4.2.8 热平衡计算 1.热温升计算 得: 其中:Cp是润滑油的定压比热容,常取 为轴承表面传热系数,。依轴承结构、轴承尺寸、通风条件而定,则取。2.计算进油温度 3.计算出油温度 由上所知:均符合要求。此时表示轴承热平衡易于建立,轴承的承载能力尚未用尽。 (此外要说明的是,轴承的热平衡计算中的润滑油流量仅考虑了速度供油量,即由旋转轴颈从油槽代入轴承间隙的油量,忽略了油泵供油时,油被输入轴承间隙时的压力供油量,这将影响轴承温升计算的精确性。因此,这适用于一般用途的液体动压润滑径向轴承的热平衡计算,对于重要的液体动压轴承计算暂不做处理。)4.2.9 安全度计算 1.最小油膜厚度 2.轴颈表面粗糙度: 3.轴瓦表面粗糙度: 4.安全度计算: S是考虑到表面几何形状不准确和零件变形而保留的安全度,一般取S2。 所以:S=3.752,保证动力润滑。4.3 滑动轴承内轴瓦、油温、油压的关系 润滑油的油温高低决定了运动粘度的变化趋势,油温升高,油的粘度值
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