径向滑动轴承实验研究

1、上海大学 硕士学位论文径向滑动轴承实验研究 姓名：谢明春 申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论 指导教师：王小静 20210201卜海大学硕：学位论文 摘 要 为了验证径向滑动轴承的性能是否和设计相吻合，从轴承结构和润滑状况着手，改良其性能，节能降耗，本文对大型径向滑动轴承进行了真实工况下的实验研究。 在国内外径向滑动轴承试验台研究的根底上，作者设计研制了一套大型径向滑动轴承实验装置。该装置使用液压加载，加载范围大、调节方便。驱动系统选用了大功率变频器加变频电机的方案，实现了主轴转速的精确控制。该装置可方便地改变实验轴承的工况和轴瓦参数进行实验，因此可以在该装置上进行各种轴承类型的比照实验研

2、究。设计了基于微机的数据采集卡组建的信号采集硬件系统，使用软件平台开发了基于虚拟仪器技术的径向滑动轴承的数据采集软件系统，实现了实验数据的实时显示和多通道连续采集。 在该实验装置上对实际应用中的径向滑动轴承进行了原型实验研究。重点分析了剖分式椭圆瓦径向滑动轴承在不同工况下的性能变化，得到了一些有意义的结果：油膜温度随转速和载荷的增加而增加，因此在高速和重载工况下要重视轴瓦的散热；油膜压力随主轴转速的增加而升高，随着载荷的增大而升高。油膜厚度随转速的增加而增加，随载荷的增大而减小，载荷过大可能造成油膜破裂而损坏轴瓦。 关键词：径向滑动轴承椭圆瓦实验研究一：海大学硕上学位论文 认 ， 曲 ： ，

3、， ， ： 卜海大学硕二学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何奉献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：迎鲴盔日期：型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保存论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或局部内容。 保密的论文在解密后应遵守此规定 烨 日期：哆、莎上海大学硕士学位论文 第一章绪论引言 流体动压径向滑动轴承具有承载能力大、功耗小、耐冲击、抗振性

4、好、运转精度高等突出的优点。所以，在高速、低速以及高速精密的旋转机械中应用十分普遍，而且成为旋转机械的重要部件。比方在汽轮机组、舰船主动力机组、石油钻井机械、轧机及各类大型机床中都有广泛的应用，而且成为这类机械的关键部件之一。在这些机器中，径向滑动轴承的性能优劣直接影响或决定了整台机器的性能和效率。比方在汽轮发电机组中，性能优良的滑动轴承可以减少停机检修的次数，烧瓦的可能性也低得多口。 本论文即以径向动压滑动轴承为研究对象建立能初步模拟实际工况的实验台对动压径向滑动轴承进行实验研究。 目前，国内各大高校用于测量流体动压滑动轴承压力分布、温度分布和位移的实验台已有不少，但它们大多数是在定参数条件

5、下工作，无法考察变参数对轴承油膜压力的影响情况。通过实验，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。 轴承根本参数轴径的长径比、半径间隙、偏心距和轴承包角等的变化，对轴承的静动态特性会产生很大的影响口。另外，实际工作中的滑动轴承，由于加工、安装误差等因数，其工况条件与理论分析时所考虑的理想工况有很大差距，这种情况下，轴承的一些性能参数会发生变化。 因为小型实验台与实际工况相差较大。本试验设计的是中型径向滑动轴承实验台。这样与轴承实际应用有较大的可比性。国内外径向滑动轴承实验研究概况 经验说明，轴承装机实验存在周期长、费用大、再现性较差，以及难以进行承载极

6、限能力的考核等缺乏之处，因此，国内外学者和专业生产企业均致力开展动载轴的专用实验台和实验技术，并已先后开发了动载液压轴承试验机、离心加载轴承试验机等。其中，液压动载实验台具有振动和噪音小，加：海大学硕：学位论文载过程易于调节和自动控制，以及加载特性更接近于曲轴轴承的载荷特性，更倍受人们的关注。 随着汽轮机组向大型化、高速化开展，支撑轴承的尺寸也越来越大。因此需要对大型滑动轴承在一般工况下的静、动态性能有充分的了解。东方汽轮机厂制造了国内最大，直径的全尺寸轴承静特性实验台。为了研究各种不同形式轴承对汽轮机稳定性的影响，西安交通大学晴翎马滑理论及轴承研究所的姜歌东和东方电机厂的胡虹在原有实验台上增

7、加激振器和测量仪器，以增加动特性测试功能。并将测量结果与理论计算作了比拟，并讨论了可能产生误差的各种原因。 在石油钻井中，滑动轴承牙轮钻头的应用日益增多，但轴承的工作环境却相当恶劣。为了提高钻头滑动轴承的工作寿命，并为这类轴承的设计提供科学依据，针对其实际应用工况，年清华大学的邵天敏呻设计制造了一种型滑动轴承实验台。该实验台可以进行滑动轴承摩擦扭矩、摩擦系数、磨损和轴承温升的测量，也可以进行其他类型的低速、重载径向滑动轴承的实验。利用该实验台在、和的种载荷条件下，对牙轮钻头镶嵌铜合金的滑动轴承进行了台架试验研究，着重考察了铜合金镶嵌区尺寸之大小对轴承摩擦磨损性能的影响。 年上海大学孙美丽针对全

8、轴承的定常和非定常工作情况，设计制造了一台对中旋转、不对中旋转及混合型旋转的轴承实验台，并在此实验台上进行了这三种旋转类型的轴承内油膜分布实验研究。该实验台具有可以调节静偏心量和动偏心量及轴颈在轴承中位置的机构，因此可以观察到不同静、动载荷搭配情?鱿轮岢杏湍屏训那榭觥檬笛樘缁畲笞伲玻埃埃埃颍穑恚芯恐惺褂弥本盯伲担梗埃埃恚砗廷伲担梗保埃恚砹街种峋薄?西安交通大学阳于年设计制造了液压加载流体动压滑动轴承用于径向滑动轴承的静特性研究。该实验台主轴转速可在至无级调整，实验轴承内径。该实验台专门设计了平移机构来实现传感器对整个轴承宽度的压力测量。实验选用宽径比、三种规格来测量宽径比对油膜压力分布的影响。

9、液压加载力可在至间调整，从而到达变载荷下的测量。选取相对间隙分别为、和的三种轴瓦来研究相对间隙对压力分布的影响。上海大学硕士学位论文 年西安交通大学的姜歌东和徐华阳在实验台上对汽轮机组中的两种支承轴承上瓦开槽圆轴承和上瓦开槽椭圆轴承按比例缩小模型进行了实验研究，测试了不同工况下这两种轴承的动、静特性。通过与理论计算值的比拟，进一步证实了实验结果和理论计算的一致性，为研究不同结构径向滑动轴承对汽轮机组稳定性的影响提供了根底。 年上海大学们设计制作了一套较为完善的多因素固液界面滑移特性实验装置，可用于进行不同场压力、不同转速、间隙等条件下的滑移特性试验。应用这套试验装置对金属材料及材料的边界滑移特

10、性进行了多组比照试验。该装置使用杠杆加载机构对轴承加径向载荷，因此加载范围仅为。载荷最小变化量。调速系统使用变频器加变频电机的方案，但频率变化最小值为血，电机转速最小改变值为，曲，本质上仍属于有级调速。 哈尔滨工业大学门为了实现滑动轴承动压油膜承载力曲线和摩擦特性曲线的测量和描绘，于年设计了新型滑动轴承实验台。通过计算机软件编程控制轴承加载力的大小，加载力在内可调，可调最小量；计算机控制直流电机的调速，转速内可调。采用 语言，在中编制数据采集、电机控制动态连接库程序，在中用该程序以实现滑动轴承实验台的计算机数据采集和控制。该实验台的创新之处在于使用步进电机和杠杆组合机构实现了连续可调加载，但仍

11、存在所加载荷不大的缺点。 为了开发大型贯流式水轮发电机组径向轴承，年东方电机股份在实验台上采用的模型轴承对可倾瓦块原型轴承进行了模拟实验，最高比压为，最高线速度为。实验台由直流电机驱动，波纹管加载，可进行转速、载荷 的轴承实验。在三种安装间隙下，进行了变转速、变比压、变进油温度及变进油压力实验，测得了该轴承在各种工况下稳态时油膜厚度、瓦温度、损耗、流量等，得到了该型轴承最正确性能范围。 太原科技大学于年研制出大型轧机油膜轴承实验台，通过使用：的变速器，主轴最大转速达至，液压缸加载，最大加载能力。其加载液压缸设计成可移动的形式，因此实验轴承既可安装在中间，也可上海大学硕士学位论文安装成悬臂形式。

12、该实验台可以进行油膜轴承、滚动轴承、油膜滚动复合轴承等多种轴承的实验研究。具有超高压顶起装置，实验轴承启动时，可使用超高压油 项起轴承，可以进行动静压油膜轴承的研究。 年哈尔滨第七三研究所设计了大型径向和推力滑动轴承实验台。该实验台采用了径向试验轴承和推力试验轴承组合形式，为卧式结构。在实验时只需更换试验组建和实验的主轴，就可以进行不同工程的实验。即当实验推力轴承时，使用推力实验轴承组建与带推力盘的试验主轴；当实验径向轴承时，改用径向实验轴承组件和径向试验主轴。两种实验共用一个驱动电机、增速齿轮箱、联轴器和润滑供油系统。实验台主要由本体局部、液压转动与供油系统、数据检测与处理系统、电力拖动与电

13、气空载系统等局部组成。实验台采用静压加载，油泵额定压力为，额定流量为，活塞直径为 ，径向实验轴承为倒置式，实验轴承最大直径为，最大宽度为。实验轴承低压供油，供油压力最高，最大流量为。 澳洲电力基金会出资在澳大利亚大学鄙机械工程系建立了一个汽轮机滑动轴承实验台。实验台可装两大型动压轴承和一个静压轴承，与国际上现流行的单轴承实验台相比， 俩支承的实验台更接近于轴承的实际工作状态。本论文的研究内容 在研究流体动压滑动轴承时，对于各种润滑问题所作的物理上和数学上的假设和近似，使得计算的压力和温度分布仍旧不能完全反映实际情况，甚至出现很大偏差。所以，对压力和温度分布进行实验测量在润滑理论的研究中处于重要

14、地位剐。 本论文从实验台的总体方案确实定入手，进行实验台的结构设计，各系统的构建，并在实验台制造、装配完成后进行椭圆轴瓦实验研究。主要工作和步骤包括： 对实验台进行方案构思和系统设计，确定其性能指标，按功能需求确定每一子系统的设计方案。 在方案设计的根底上，采用和对实验台的机械结构局部进上海大学硕士学位论文行工程图纸设计和绘制。 实验台动静压供油系统的设计。 实验台数据采集系统的设计。 指导实验台的加工、装配，参与试验台各系统的调试。 在实验台上进行各种工况下的比照实验研究。设计程序采集实验数据，并利用、等工程软件对测试数据进行分析处理，最后得出比照结果。上海大学硕上学位论文 第二章径向滑动轴

15、承实验台的结构设计径向滑动轴承工作过程 流体动压径向滑动轴承是润滑理论的一个重要应用场合。在流体动压径向滑动轴承和轴颈之间，存在一定的配合间隙，当轴颈在轴承中转动时，相当于具有一个曲线形的间隙，因轴颈有一定的转向，此曲线形的间隙在中心连线的一侧形成收敛间隙，在另一侧形成发散间隙。随着轴颈转速的提高，带进收敛间隙的油量增多，动压油膜逐渐形成，收敛间隙产生的流体动压力也逐渐增大，当丰轴转速到达某一数值时，流体动压力将轴颈抬起，油膜把轴颈和轴瓦完全隔开，根据油楔承载原理，油膜压力的合力与外载荷相平衡 。 动压油膜承载原理如图所示。由于轴承工作时只有连心线一边能形成收敛油膜，所以压力分布不可能包围整个

16、轴颈，每个偏心矩 的长度即是偏心矩都反映了一定的油楔形状，它决定油楔中的压力分布，也决定压力的合力和方向，换言之，每一个合力都有和它对应的偏位角和偏心矩。偏心矩越大，最小油膜厚度。；。越小，承载能力也越大引。 图动压油膜承载原理图卜海大学硕士学位论文 由流体动压润滑理论，滑动轴承中产生流体动压力所应具备的根本条件为：，。，表示轴颈和轴瓦间必须充满具有一定粘度的润滑油：指轴瓦和轴颈两外表必须具有一定的相对运动速度：。是油膜厚度，不为零意味着要有收敛间隙存在，当。时，油层中无压力变化，也就无流体动压力产生。实验径向滑动轴承参数设计 在相似理论的根底上，根据实际轴承设计制造模型实验台，进行试验。 动

17、压轴承的相似理论主要指力学相似，即在模型轴承内的润滑油流动状况、流动所具有的各种性质诸如油膜压力、流量、油膜厚度、油膜温度等等都具有相似性。力学相似，包括几何相似、运动相似和动力相似三个内容和具有相同的边界条件和起始条件。 动压轴承的相似准那么： 几何相似 南日嚣等鲁日箸嚣 长径比相同，轴瓦包角相同，油槽长度和宽度成比例。 运动相似 两轴承间隙各对应点的速度方向相同，大小成比例。 动力相似 两轴承间隙内各对应点的作用力性质相同，方向相同，大小成比例，即轴承的偏心率相同。 主要无量纲参数： 流量：南，摩擦力：等，功耗：心，膜厚：售 刚度：生坚，阻尼：竺掣 应， 滑动轴承的设计是在给定的各项条件下

18、，确定全部轴承参数及性能。 轴承设计主要参数有乜叫：上海大学硕：学位论文几何参数：包括各种尺寸，如直径、宽度、厚度、间隙等。结构参数：剖分形式、内孔结构等。工况参数：载荷大小及方向、主轴转速等。润滑及供油参数：包括润滑剂的品种、特性粘度、粘温指数、粘压指数等以及供油压力、流量等。热流动状况参数：包括功耗、散热量、进油温度、出油温度、油膜平均温度等。轴瓦材料参数：材料的类别、力学性能、热处理性能等。工艺与安装参数：包括外表粗糙度、形位公差、加工公差、安装公差等。运转参数：包括油膜厚度、压力值等。 流体动压径向滑动轴承中油膜压力的变化主要受润滑油粘度、宽径比、相对间隙、外载荷等参数的影响，研究这些

19、参数的变化对轴承性能的影响程度是本实验台的目标。本实验台的设计工作就是以如何在结构上改变这些参数，并研究这种改变所产生的轴承性能影响为目的进行的。 为此要求实验台实现如下性能指标：改变宽径比；改变相对间隙；直径可变；润滑油可变；转速可调：载荷可变；进油温度可变。 为了尽量真实地模拟大型径向滑动轴承的实际运行状况，根据对径向滑动轴承的三维热弹流仿真计算乜¨，实验台的主要参数设计如下：径向负荷范围：主轴的转速范围：拖动电机的额定功率为；瓦块结构：剖分式；瓦块数：；轴瓦内径可变，外径；上海大学硕士学位论文轴瓦材料为巴氏合金；润滑方式：压力供油润滑；润滑剂为号汽轮机油。轴瓦的结构 径向滑动轴

20、承的结构形式很多，整体式、剖分式、间隙可调式、自动调心式以及油楔式等。整体式结构简单，易于制造，本钱低，但轴必须从轴承端部装入或拆下，装拆不便，而且当轴承磨损后，间隙无法调整，常用于低速轻载场合；剖分式将轴瓦分为两局部，其间隙可由垫片调整，剖分式轴承装拆方便，装拆时转轴在轴向不需作较大移动；间隙可调式轴瓦外外表开有一系列凹槽，并有螺母与轴瓦螺纹啮合，通过旋紧和松开螺母，到达调整轴承内孔和径向间隙的目的；自动调心式和多油楔式用在受力复杂的场合。 综合比拟上述几种型式的轴承，从性能、工艺、安装、功能实现等一系列因素出发，对于本实验台而言，剖分式轴承是较理想的选择，这是因为： 剖分式结构使本实验台在

21、调换不同宽径比，相对间隙的一系列轴瓦时十分方便； 本实验台的轴瓦设计为剖分式结构和材料如图及图所示，它由上、下瓦组成。上下瓦通过圆锥销定位，通过螺栓紧固成一体。 彭 。、印 窟。 刍 图实验轴承结构图 匮孝 海学恤立 巴氏合金 。 图轴瓦实物幽轴瓦的定位 为了防止轴瓦在轴承座中发生轴向移动和周向转动，轴瓦必须有可靠的定位。常用的定位方法有：销钉定位，止动螺钉定位，凸缘定位，以及凸耳定位等“。 在本实验台中，结合具体情况，轴瓦周向采用销钉定位，轴向采用轴承座的边沿与油垫侧板来定位。主轴旋转起来后，轴瓦可看作好似漂浮在主轴与轴瓦间的动压润滑油膜上，亦可视为浮在轴承座的油垫之上，动压油膜与静压油垫间的相互作用使轴瓦处于平衡。 轴承座是实验