液體動壓滑動軸承實驗臺設(shè)計【含CAD高清圖紙和說明書】

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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 錄摘 要IIIAbstractIV第一章 緒論61.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.1.1 液體動壓滑動軸承試驗臺國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.1.2 液體動壓滑動軸承試驗臺發(fā)展趨勢21.2 液體動壓滑動軸承試驗臺的研究目的和意義21.3 課題研究的主要內(nèi)容2第2章 液體動壓滑動軸承的理論基礎(chǔ)42.1 滑動軸承42.1.1 滑動軸承的主要類型和結(jié)構(gòu)42.2 液體動壓潤滑的基本原理和基本關(guān)系52.2.1 液體動壓油膜的形成原理52.2.2 液體動壓潤滑的基本方程62.2.3 油楔承載機理82.3 徑向滑動軸承液體動壓基本原理92.3.1 徑向滑動軸承液體動壓潤滑的建立過程92.3.2 徑向滑動軸承的主要幾何關(guān)系和承載能力102.3.3 徑向滑動軸承的參數(shù)選擇11第3章 液體動壓滑動軸承油膜特性分析133.1 徑向滑動軸承油膜壓力分布的理論基礎(chǔ)133.1.1液體動壓潤滑的基本方程133.1.2 雷諾方程的簡化133.1.3 雷諾方程的無量綱形式143.1.4 雷諾方程的無量邊界條件153.1.5 開設(shè)油槽時油膜壓力的計算16第4章 液體動壓滑動軸承試驗臺的實現(xiàn)174.1 試驗臺的簡介17 4.1.1 液體動壓滑動軸承試驗臺的結(jié)構(gòu)簡圖174.1.2 關(guān)于電機的選擇184.1.3 關(guān)于熱敏電阻傳感器的選擇204.1.4 關(guān)于加熱裝置的選擇224.2 液體摩擦徑向滑動軸承的計算254.2.1 主要技術(shù)指標254.2.2 選擇軸承材料和結(jié)構(gòu)254.2.3 潤滑劑和潤滑方法的選擇264.2.4 承載能力計算264.2.5 層流校核274.2.6 流量計算274.2.7 功耗計算284.2.8 熱平衡計算284.2.9 安全度計算294.3 滑動軸承內(nèi)軸瓦、油溫、油壓的關(guān)系29第五章 總結(jié)33參考文獻34致 謝355浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論 滑動軸承是用來支撐軸及其它回轉(zhuǎn)零件的一種重要部件，因其本身具有一些獨特的優(yōu)點：軸頸軸瓦間所特有的潤滑油膜具有緩沖吸振作用，使用壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，回轉(zhuǎn)速度高等，這些優(yōu)點使它在某些場合占有重要地位。因此滑動軸承在金屬切削機床、內(nèi)燃機、鐵路機及車輛、軋鋼機、雷達、衛(wèi)星通信地面站及天文望遠鏡等方面的應(yīng)用十分廣泛 。為了幫助大學(xué)學(xué)生更加深入、細致地了解和研究滑動軸承，各種滑動軸承實驗臺應(yīng)運而生，但在實驗的效率、效果方面都還有不足。1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1.1 液體動壓滑動軸承實驗臺國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 早在1989年，東南大學(xué)機械學(xué)研究室已經(jīng)設(shè)計研制成靜壓和動靜壓軸承實驗臺 ，它可以進行靜壓和動靜壓滑動軸承的靜動特性實驗。 1995年，上海機械電子工程學(xué)院為研究滑動軸承靜態(tài)和動態(tài)油膜氣穴分布，設(shè)計并開發(fā)了360。動、靜載荷滑動軸承油膜分布實驗臺 。 2001年，廣東工業(yè)大學(xué)為了對軸承進行系統(tǒng)的理論與實驗研究，設(shè)計并研制了YZ-1型軸承試驗臺。 2002年，湖南長慶科教儀器廠研制了HS-A型滑動軸承實驗臺。HS-A型滑動軸承實驗臺主要用于教學(xué)實驗。它可以幫助學(xué)生觀察滑動軸承的結(jié)構(gòu)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。后湖南長慶科教儀器廠又研制了HS-B型滑動軸承實驗臺。此外上海同育教學(xué)儀器設(shè)備有限公司研制了TYK-I液體動壓軸承實驗臺。該實驗臺的實驗功能有觀察滑動軸承的動壓油膜形成過程與現(xiàn)象；使用壓力表測量軸承徑向及軸向壓力分布值；使用摩擦力傳感器進行實時采樣并顯示軸承摩擦力矩值；采用力及轉(zhuǎn)速傳感器，測量軸承工作載荷及主軸轉(zhuǎn)速；實驗臺工作載荷、摩擦力矩及主軸轉(zhuǎn)速傳感器信號接入實驗臺所配的測試儀，由單片微機控制實時采樣、分析、并顯示；通過抄錄測試儀及壓力表所顯示實驗數(shù)據(jù)，手動繪制出滑動軸承徑向油膜壓力分布曲線與承載量曲線及摩擦特性曲線。1.1.2 液體動壓滑動軸承實驗臺發(fā)展趨勢 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，滑動軸承實驗臺從手動實驗，手工繪制實驗曲線，填寫實驗表格的階段向?qū)嶒炐畔⒉蓸?、過程控制、數(shù)據(jù)處理方面智能化發(fā)展，計算機輔助教學(xué)、計算機仿真等先進教學(xué)手段與技術(shù)也開始應(yīng)用于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)10 。1.2 液體動壓滑動軸承實驗臺的研究目的和意義 目前的滑動軸承實驗臺普遍存在功能單一、測試數(shù)據(jù)精度低、實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差等問題。但計算機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使教與學(xué)的形式與內(nèi)容發(fā)生了變化，也改變了實驗教學(xué)的模式，使實現(xiàn)教學(xué)改革成為可能。將計算機輔助教學(xué)、計算機仿真等先進教學(xué)手段與技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，科學(xué)地應(yīng)用新技術(shù)，充分發(fā)揮高科技的特長，使實驗室在現(xiàn)代化管理體制下高效運行，成為了一個新課題。本課題的研究意義在于：用現(xiàn)代化的技術(shù)手段改造原有教學(xué)實驗設(shè)備，提高實驗臺測試度、實驗數(shù)據(jù)的可靠性及實驗性能，滿足教學(xué)要求。同時也可以驗證實際軸承的性能是否和設(shè)計的性能相吻合；檢驗軸承的設(shè)計、制造和裝配是否合理。新型實驗臺開發(fā)完成后，可向全國高等工科院校相關(guān)專業(yè)實驗室推廣使用。1.3 課題研究的主要內(nèi)容 本課題重點完成實驗臺傳動電機及調(diào)速方法選擇、相應(yīng)傳感器的選擇，其主要內(nèi)容有：1)了解液體動壓滑動軸承實驗臺研制研究目的。理解液體動壓滑動軸承結(jié)構(gòu)及 其特點。確定完整實驗系統(tǒng)總體方案。2)相關(guān)測試用傳感器型號、電機選定。3)進行油溫測試，對油膜進行加熱，測得油溫與壓力的關(guān)系 （這是以前所不具有的，是本試驗臺最大的創(chuàng)新）4) 對油膜形成過程進行三維仿真。第2章 液體動壓滑動軸承的理論基礎(chǔ)2.1 滑動軸承 根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動摩擦軸承（簡稱滑動軸承）和滾動摩擦軸承（簡稱滾動軸承）兩大類?；瑒虞S承本身具有的一些獨特有點，使得它在某些不能、不便或使用滾動軸承沒有優(yōu)勢的場合占有重要地位。因此，滑動軸承在軋鋼機、汽輪機、內(nèi)燃機、鐵路機車及車輛、金屬切削機床、航空發(fā)電機附件、雷達、衛(wèi)星通信地面站、天文望遠鏡以及各種儀表中應(yīng)用頗為廣泛。2.1.1 滑動軸承的主要類型和結(jié)構(gòu) 按受載荷方向不同，滑動軸承可分為徑向滑動軸承和止推滑動軸承1。 1.徑向滑動軸承 徑向滑動軸承用于承受徑向載荷。圖2-1所示為整體式徑向滑動軸承，圖2-2所示為對開式徑向滑動軸承。對開式滑動軸承拆裝方便，軸瓦磨損后可方便更換及調(diào)整間隙，因而應(yīng)用廣泛。 2.止推式滑動軸承 止推式滑動軸承由軸承座和止推軸頸組成。常用的結(jié)構(gòu)形式有空心式、單環(huán)式和多環(huán)式。 圖2-1 整體式徑向滑動軸承圖2-2 對開式徑向滑動軸承2.2 液體動壓潤滑的基本原理和基本關(guān)系2.2.1 液體動壓油膜的形成原理圖2-3 動壓油膜形成原理圖 液體動壓油膜形成原理是利用摩擦副表面的相對運動，將液體帶進摩擦表面之間，形成壓力油膜，將摩擦表面隔開，如圖2-3所示。兩個互相傾斜的平板，在它們之間充滿具有一定粘度的液體。當AB以速度V向左移動，而CD保持靜止時，液體在此楔形間隙中作層流流動。當各層流的速度分布規(guī)律為直線時，由于進口間隙大于出口間隙，則進口流量必大于出口流量；但液體是不可壓縮的，因此，在楔形間隙內(nèi)形成油壓，迫使大口的進油速度減小，小口的出油速度增大，從而使流經(jīng)各截面的流體流量相等。同時，楔形油膜產(chǎn)生的內(nèi)壓將與外載荷相平衡。2.2.2 液體動壓潤滑的基本方程 雷諾方程是液體動壓潤滑基本方程，是研究流體動力潤滑的基礎(chǔ)。它是根據(jù)粘性流體動力學(xué)基本方程出發(fā)，作了一些假設(shè)條件后簡化得的。圖2-4 被油膜隔開的兩平板的相對運動情況如圖2-4所示，兩平板被潤滑油隔開，設(shè)板A沿x軸方向以速度v移動，另一板B靜止。再假定油在兩平板間沿z軸方向沒有流動（可視此運動副在z軸方向的尺寸為無限大）。現(xiàn)從層流運動的油膜中取一微單元體進行分析。 由圖可見，作用在此微單元體右面和左面的壓力分別為p及，作用在單元體上下兩面的切應(yīng)力分別為及。根據(jù)x方向的平衡條件，得整理后得 （2-1)根據(jù)牛頓粘性流體摩擦定律，將式（2-1）對求導(dǎo)數(shù)，得，代入式（2-1）得 （2-2）該式表示了壓力沿軸方向的變化與速度沿軸方向的變化關(guān)系。 下面進一步介紹流體動力潤滑理論的基礎(chǔ)方程。 1.油層的速度分布 2.將式（2-2）改寫成 （2-3）對積分后得 （2-3） （2-4）根據(jù)邊界條件決定積分常數(shù)及C2：當=0時，；=（為相應(yīng)于所取單元體處的油膜厚度）時，=0，則得;代入式（2-4）后，即得 （2-5） 由上式可見，油層的速度v由兩部分組成：式中前一項表示速度呈線性分布，這就是直接由剪切流引起的；后一項表示速度呈拋物線分布，這是由層流沿方向的變化所產(chǎn)生的壓力流所引起的。 2.潤滑油流量 當無側(cè)泄時，潤滑油在單位時間內(nèi)流經(jīng)任意截面上單位寬度面積的流量為 （2-6）將式（2-6）代入式（2-7）并積分后，得 （2-7） 設(shè)在處的油膜厚度為h0，在該截面處的流量為 （2-8）當潤滑油連續(xù)流動時，各截面的流量相等，由此得整理后得 （2-9）2.2.3 油楔承載機理 由式可看出油壓的變化與潤滑油的粘度、表面滑動速度和油膜厚度的變化有關(guān)，利用該式可求出油膜中個點的壓力，全部油膜壓力之和即為油膜的承載能力。 油膜必須呈收斂楔形，才能使油楔內(nèi)各處油壓都大于入口處和出口處的壓力，產(chǎn)生正壓力以支承外載。 所以形成液體動力潤滑（即形成動壓油膜）的必要條件是： 1)相對運動兩表面必須形成一個收斂楔形； 2)被油膜分開的兩表面必須有一定的相對滑動速度，其運動方向必須使?jié)櫥瑥拇罂诹鬟M，小口流出； 3) 潤滑油必須有一定的粘度，供油要充分。2.3 徑向滑動軸承液體動壓基本原理2.3.1 徑向滑動軸承液體動壓潤滑的建立過程 徑向滑動軸承的軸頸與軸承孔間必須流油間隙?；瑒虞S承形成動壓潤滑油膜的過程如圖2-5（a）所示。當軸靜止時，軸承孔與軸頸直接接觸，如圖2-5（b）所示。徑向間隙使軸頸與軸承的配合面之間形成楔形間隙，其間充滿潤滑油。由于潤滑油具有粘性而附著于零件表面的特性，因而當軸頸回轉(zhuǎn)時，依靠附著在軸頸上的油層帶動潤滑油擠入楔形間隙。因為通過楔形間隙的潤滑油質(zhì)量不變（流體連續(xù)運動原理），而楔形中的間隙截面逐漸變小，潤滑油分子間相互擠壓，從而油層中必然產(chǎn)生流體動壓力，它力圖擠開配合面，達到支承外載荷的目的。當各種參數(shù)協(xié)調(diào)時，液體動壓力能保證軸的中心與軸瓦中心有一偏心距e。最小油膜厚度nmin存在于軸頸與軸承孔的中心連線上。液體動壓力的分布如圖2-5（c）所示。 靜止時 n=0 啟動時 形成動壓油膜圖2-5徑向滑動軸承形成流體動力潤滑的過程 徑向滑動軸承液體動壓潤滑油膜形成過程經(jīng)歷啟動、不穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)三個階段。 1.啟動時（n0） 剛開始啟動時，由于速度低，軸頸與軸瓦金屬直接接觸，在摩擦力作用下軸頸沿軸瓦內(nèi)壁向右上方爬行。（由圖2-5（a）（c） 2.不穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段 隨著n增大，從油楔大口帶入小口的油逐漸增多，形成壓力油膜，把軸頸浮起推向左上方。（由圖2-5（b）（c） 3.穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段 逐漸增大的油膜壓力的垂直分量與外載荷F相等時，軸頸穩(wěn)定在某一位置上運轉(zhuǎn)。n越高，軸頸中心穩(wěn)定位置愈靠近軸孔中心。但兩中心永遠不能重合，因為當兩心重合時，油楔消失，不滿足液體動壓潤滑油膜形成的第一個條件，油膜將失去承載能力。（如圖2-5（c）2.3.2 徑向滑動軸承的主要幾何關(guān)系和承載能力圖2-6 徑向滑動軸承的集合參數(shù)和油壓分布 徑向滑動軸承的幾何關(guān)系，如圖2-6所示。 基本參數(shù)：O軸頸中心，O1軸承中心，起始位置F與重合，軸頸直徑，軸承孔直徑D 根據(jù)以上基本參數(shù)可以直接計算出： 直徑間隙： 半徑間隙： 相對間隙： 偏心距： 偏心率： 以為級軸，對應(yīng)油膜厚度為，為處油膜厚度，為處的壓力角，為壓力油膜起始角和終止角，其大小與軸承包角有關(guān)。 在中，根據(jù)余弦定律可得 略去高階微量，再引入半徑間隙，并兩端開方得 整理得任意位置時油膜厚度為 壓力最大處時油膜厚度 當時，油膜最小厚度2.3.3 徑向滑動軸承的參數(shù)選擇 影響滑動軸承油膜壓力的因素很多，根據(jù)液體動壓潤滑理論，影響壓力分布的參數(shù)主要有軸承寬徑比、相對間隙、油槽開設(shè)形式、徑向載荷、潤滑油的粘度、主軸轉(zhuǎn)速等。 1.寬徑比 軸瓦寬度與軸頸直徑之比成為寬徑比。小時，軸承軸向尺寸減小，P增大，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，端泄量增大，摩擦功耗減小，軸承承載能力減小。高速重載軸承溫升溫，應(yīng)取小量；低速重載軸承為提高支承剛性，應(yīng)取大值；高速輕載軸承為提高支承剛性，應(yīng)取小值。 2.相對間隙 改變軸承的相對間隙并不影響軸承的總體尺寸，但對軸承的靜動態(tài)特性影響很大。若想改變，只有通過改變軸與軸承的配合公差來實現(xiàn)。一般可根據(jù)軸承所受載荷和軸頸速度選取。速度高時，值應(yīng)取大一些，可減少發(fā)熱；載荷大時，值應(yīng)取小一些，可以提高承載能力。配合間隙是靜壓和動壓軸承裝配、調(diào)整中最重要的一個環(huán)節(jié)，過大的間隙會降低承載能力和剛度，而過小的間隙可能引起溫升過高，一般按經(jīng)驗關(guān)系式估算：（其中是軸頸圓周線速度，單位），最后在綜合考慮軸承材料、工作狀態(tài)等因素來決定。 3.軸承的平均比壓 P較大，有利于提高軸承平穩(wěn)性，減小軸承的尺寸；但P過大，油膜變薄，對軸承制造安裝精度要求提高，軸承工作表面易破壞。 4.軸承的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速是影響滑動軸承油膜壓力分別的參數(shù)之一。 5.粘度 潤滑油的粘度是建立流體潤滑的關(guān)鍵，它對軸承承載能力、功率損失和軸承的溫升起著不可忽視的作用。粘度是通過選擇潤滑油來選定。當轉(zhuǎn)速高、壓力小時，應(yīng)選粘度低的油；反之，當轉(zhuǎn)速低、壓力大時，應(yīng)選粘度較高的油，這樣就盡可能的減小實驗誤差，得到較為準確的油膜壓力分布圖。第3章 液體動壓滑動軸承油膜特性分析3.1 徑向滑動軸承油膜壓力分布的理論基礎(chǔ)3.1.1液體動壓潤滑的基本方程 從數(shù)學(xué)的觀點來看，各種流體潤滑計算的基本內(nèi)容就是對動壓潤滑的基本方程雷諾方程的應(yīng)用與求解。從十九世紀起，人們開始對液體動壓現(xiàn)象的研究以來，液體動壓油膜產(chǎn)生機理現(xiàn)在已經(jīng)趨于成熟，現(xiàn)代液體潤滑理論已經(jīng)得到長足的發(fā)展2。3.1.2 雷諾方程的簡化 雷諾方程為各量都是變量的三維非線性偏微分方程，對它進行積分求解并非易事。解析法求解存在很多困難，因而需要采取一系列的簡化。 根據(jù)不同的工作狀況，可以采用不同的形式簡化。通常的徑向滑動軸承設(shè)計采用不可壓縮的等粘度潤滑計算，進行一系列的假設(shè)，即假定潤滑油具有相同的粘度，流體的密度為常數(shù)，同時認為間隙只是的函數(shù)而不考慮誤差和軸的彎曲變形，可以得出在穩(wěn)定載荷作用下的流體動壓潤滑二維雷諾方程為 對于普通徑向動壓滑動軸承，式中： 油膜厚度，為偏心率，R，r分別為軸承、軸頸半徑，為所求油膜厚度到軸承與軸頸連線的角度；為流體粘度；為油膜壓力；為軸頸圓周速度；為軸頸中心運動的徑向速度；，分別為軸頸方向和軸線方向的坐標。 上式方程右邊第一項為楔形間隙所引起的楔形項，第二項為由軸承中液體法向相對運動所引起的擠壓效應(yīng)項，一般后一項是可以忽略。這種忽略是有根據(jù)的，因為在穩(wěn)定勻速的情況下，切向速度一般均不隨的變化而變化，故伸張可不考慮；另外，當壓力不是很高時，楔形項是主要的，也可忽略擠壓效應(yīng)項。于是方程就變成： （3-1）式（4-1）是最常見的計算有限長向心動壓軸承的二維雷諾方程。3.1.3 雷諾方程的無量綱形式 對動壓滑動軸承進行分析計算，常以無量綱的形式進行。這樣，一方面可將問題歸納成最緊湊的形式，突出各有關(guān)因素的作用，并且使處理的變量的數(shù)值盡可能地不致大到天文數(shù)字或小到微乎其微，以便于用于計算機運算。并且，分析所得結(jié)果，可直接以無量綱形式推廣應(yīng)用到相似的軸承問題當中3。 以徑向滑動軸承為例，先將雷諾方程中的自變量（和）用無量綱坐標表示。是無量綱量，它是用作為“相對單位”來度量值的結(jié)果，即轉(zhuǎn)換來的，所以就是坐標的無量綱值。相似的，對于軸向坐標，選取軸承寬度的一半作為相對單位，則方向的無量綱坐標就是：。對于方程中之變系數(shù)（膜厚），因其級數(shù)量遠小于和方向尺寸的數(shù)量級，而與半徑間隙占同級，故選為其相對單位，于是無量綱膜厚為：。P是未知變量，選定某一特征值作為其相對單位，假設(shè)用某一未知變量。表示，則無量綱壓力為。是經(jīng)過計算和對公式形式的簡化最終確定的，。 將這些無量綱量代入（4-1）中，最終得到雷諾方程的無量綱形式： （3-2）式中： ，其中成為偏心率 ，的區(qū)間是02 ，如果坐標原點放在寬度中央，則的區(qū)間是-113.1.4 雷諾方程的無量邊界條件圖3-1 壓力分布的邊界條件 在穩(wěn)定工況下，要求解承受載荷軸承的微分方程，必須先確定邊界條件。這些條件規(guī)定了壓力分布的邊界，稱為壓力分布邊界條件。對于徑向滑動軸承其邊界條件如圖4-1所示： 1.沿軸向 ； 2. 沿周向 （1） 全索默菲爾德（sommerfeld）邊界條件 全索默菲爾德邊界認為油壓在收斂區(qū)為正值，在發(fā)散區(qū)為負值，壓力曲線連續(xù)，并對處成反對稱。具體邊界條件或P=0；處P=0。該邊界條件與實際相差很大，通常不采用。 （2） 半索默菲爾德條件 通常軸承只能承受正壓而不能承受負壓，因為負壓下油膜會破裂，故半索默菲爾德邊界只應(yīng)計算收斂區(qū)正壓的承載能力，而不應(yīng)考慮發(fā)散區(qū)負壓的影響。具體的邊界條件為：處P=0；處P=0，。該邊界使液體流動呈不連續(xù)態(tài)勢，故將產(chǎn)生計算誤差，這是其不足之處。但因其計算相對簡單，常備使用。 （3） 雷諾（Reynolds） 雷諾邊界以油膜區(qū)內(nèi)液體流動的連續(xù)性為出發(fā)點，理論上更加嚴密，結(jié)果也相對正確，只是計算難度更大。具體的邊界條件為： 壓力起點：； 壓力終點：； 雷諾在1886年就提出液體連續(xù)流動和不能承受明顯的負壓的兩個物理條件，壓力的終點位于最小潤滑間隙之后。經(jīng)過許多科學(xué)家的理論研究以及令人信服的實驗結(jié)果表明：雷諾邊界條件是符合實際油膜壓力分布狀況的。盡管對于某些實驗的結(jié)果還有一定的誤差，但比較另外兩種邊界條件更準確。在實際計算過程中，多數(shù)采用雷諾邊界條件。 本文在計算雷諾方程時的邊界條件就是采用了雷諾邊界條件。實現(xiàn)雷諾邊界條件常用的最有效且簡單的方法是：在用差分法計算油膜壓力時，每行上均由起始邊向終點邊方向逐點計算，如算出某點壓力為負，既取為零。此點位置即可作為改行上油膜自然破裂邊的近似位置。該點以后各點壓力均取為零，而不再按雷諾方程計算。每次迭代均按此處理，則破裂邊近似位置會逐漸逼近應(yīng)有的自然破裂邊界。3.1.5 開設(shè)油槽時油膜壓力的計算 無油槽軸承計算中油膜壓力分布主要取決于軸頸的偏心率；而在開設(shè)油槽軸承中，壓力分布還與軸心相對油槽位置，油槽的開設(shè)形狀有關(guān)，需要綜合考慮的因素更加復(fù)雜9。 當油槽開設(shè)方式比較簡單時，我們可以根據(jù)以下兩條計算法則來進行計算： 1)開設(shè)軸向油槽時油膜壓力的計算 這類軸承由一系列同心的部分軸承做成，而這些部分軸承則由供給潤滑劑的軸向溝槽所分割。將每一瓦塊上所產(chǎn)生的力矢量相加，即可得到這類軸承的解。 2)開設(shè)周向油槽時油膜壓力的計算 因為周向溝槽實質(zhì)上將軸承變成B/d值減小的兩個或更多個軸承，而這些軸承的解則可以從普通的圓柱軸承的結(jié)果中獲得。第4章 液體動壓滑動軸承實驗臺的實現(xiàn)4.1 實驗臺的結(jié)構(gòu)4.1.1 液體動壓滑動軸承實驗臺的結(jié)構(gòu)簡圖1-電 機 2-皮 帶 3-摩擦力傳感器 4-壓力傳感器：測量軸承表面油膜壓力，共7個F1 F7， 5-軸 瓦 6-加載傳感器：測量外加載荷值 7-主 軸 8-溫度測試儀 9-油 槽 10-底 座 11-面 板 12-調(diào)速旋鈕：控制電機轉(zhuǎn)速 13-溫度傳感器 14-加熱裝置 圖4-1 滑動軸承部分簡圖由電機1通過皮帶2帶動主軸順時針旋轉(zhuǎn)，由無級調(diào)速器實現(xiàn)無級調(diào)速，主軸的轉(zhuǎn)速由裝在面板11上的數(shù)碼管直接讀出。油膜的徑向壓力分布曲線是在一定的載荷和一定的轉(zhuǎn)速下繪制的。當載荷改變或軸的轉(zhuǎn)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也是不同的。轉(zhuǎn)速的改變方法如前所述。本實驗臺采用螺旋加載，轉(zhuǎn)動螺桿即可改變載荷的大小，所以載荷之值通過傳感器數(shù)字顯示，直接在實驗臺的操縱板上讀出。徑向滑動軸承的摩擦系數(shù)f隨軸承的特性系數(shù)= n/p值的改變而改變（油的動力粘度，軸的轉(zhuǎn)速，壓力，軸上的載荷，=軸瓦自重+外加載荷。本實驗臺軸瓦自重為40N，軸瓦的寬度，軸的直徑。）在邊界摩擦?xí)r，隨的變大而變化很小，進入混合摩擦后，的改變引起的急劇變化，在剛形成液體摩擦是達到最小值，此后，隨的增大油膜厚度也隨之增大，因而也有所增大。摩擦系數(shù)之值為F=（2/30）（n/p）+0.55 (4-1)式中，相對間隔；隨軸承長徑比而變化的系數(shù)，對于1/d1的軸承，=1.5；1/d1時，=1.在軸承上半部中間即軸承有效寬度B/2處的剖面上沿圓周120內(nèi)鉆有七個均勻分布的小孔，每個小孔聯(lián)接一個壓力傳感器（測周向壓力），在軸承周向有效寬度B/4處也鉆有一個小孔，并連接一只壓力傳感器（測周向壓力）。從而可繪出軸承的周向和軸向壓力分布曲線。 實驗臺啟動后，主軸7在油槽9中轉(zhuǎn)動，在油膜粘力作用下通過摩擦力傳感器3測出主軸旋轉(zhuǎn)時受到的摩擦力矩；當潤滑油充滿整個軸瓦內(nèi)壁后軸瓦上的7個壓力傳感器可分別測出分布在其上的油膜壓力值；待穩(wěn)定工作后由溫度傳感器t1測出入油口的油溫，t2測出出油口的油溫。 在此基礎(chǔ)上，另外添加了幾個熱敏電阻溫度傳感器跟加熱裝置，這樣可以更加好的完成這個實驗臺。熱敏電阻溫度傳感器可以分別測出油槽內(nèi)油的溫度和油膜溫度，而加熱裝置可以對油槽內(nèi)的油加熱，從而通過改變油的溫度來得到不同的油膜壓力分別曲線。4.1.2 關(guān)于電機的選擇 直流電機是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能8。 交流電機是用于實現(xiàn)機械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與直流電機相比，由于沒有換向器（見直流電機的換向），因此結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機的功率覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。 1.直流電機電源難找，需要專門的整流設(shè)備。同時，成本也高，控制稍微復(fù)雜。而交流電機電源方便，成本也低。因此在選擇上用了交流電機。 圖4-2 直流電機（左） 交流電機（右） 2.在交流電機中，我們則選用了三相異步電動機。相比較而言，三相異步電動機所需設(shè)備少，啟動方式簡單，成本更低。在三相電機中，YD（IP44）電機體積小、機身輕，便于安裝跟試驗臺相連接。此電機可作一般用途的驅(qū)動源，即用于驅(qū)動對起性能、調(diào)速性能及轉(zhuǎn)差率無特殊要求的機器和設(shè)備；亦可用灰塵較多、水土飛濺的場所。這些性能恰好都滿足我們試驗臺的要求。圖4-3 Y801-2電動機型號Y801-2額定功率（KW）0.7額定轉(zhuǎn)矩2.2轉(zhuǎn)速（r/min）2830額定電壓（V）380最低環(huán)境溫度（）-25額定頻率（Hz）504.1.3 關(guān)于熱敏電阻傳感器的選擇 熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料，大多為負溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性極差，并且與生存工藝有很大關(guān)系。制造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。 熱敏電阻還有其自身的測量技巧。它非常適合需要進行快速和靈敏溫度測量的電流控制應(yīng)用。尺寸小對于空間要求的應(yīng)用是有利的，但必須注意防止自熱誤差。熱敏電阻在兩條線上測量的是絕對溫度， 有較好的精度，但它比熱偶貴， 可測溫度范圍也小于熱偶。一種常用熱敏電阻在25時的阻值為5k，每1的溫度改變造成200的電阻變化。注意10的引線電阻僅造成可忽略的 0.05誤差6。 熱敏電阻體積小是優(yōu)點，它能很快穩(wěn)定，不會造成熱負載。功率等于電流平方與電阻的積，因此要使用小的電流。 在傳感器的選擇上，鑒于油膜溫度在0100之間，在此工作溫度范內(nèi)的傳感器首先看準直接輸出數(shù)字型的筆形。如圖圖4-4 筆形溫度傳感器然而，這種傳感器只能測得表面，無法深入到內(nèi)部。 在排除了上面這種只能測外表溫度的傳感器后，將目光瞄準了可以測得內(nèi)部溫度的傳感器，同時也要可以簡便安裝。因此，在眾多的傳感器中，找到了一種剛好合適，同時也比較經(jīng)濟的一種。如圖3-5是否提供加工定制是品牌kontan型號KT-C種類溫度材料金屬材料物理性質(zhì)絕緣體制作工藝集成輸出信號數(shù)字型防護等級0線性度0（%F.S.）遲滯0（%F.S.）重復(fù)性0（%F.S.）靈敏度5S漂移0.1分辨率1度圖4-5 熱敏電阻溫度傳感器（中山市東風(fēng)鎮(zhèn)康騰電子廠） 下圖為溫度傳感器在試驗臺中的安裝位置。圖4-6 溫度傳感器在實驗臺上的裝配位置 這2個溫度傳感器的位置剛好可以測得油槽內(nèi)的油溫和油膜溫度，并且把信號傳輸出來。4.1.4 關(guān)于加熱裝置的選擇 在眾多的加熱器中，陶瓷加熱器具有安裝靈便、耐高溫、傳熱快、絕緣良好、制作不受型號和規(guī)格大小的限制等優(yōu)點。陶瓷加熱器是用不銹鋼皮做外殼，內(nèi)有較高絕緣耐火程度的陶瓷內(nèi)穿上電阻絲，再用機械絞制成型，接通電源，即可使用。升溫快30秒可達500度 ，熱效率90%以上是PTC發(fā)熱器的1.5倍 ，功率可從50W-2000W任意 ，電源從12V-380V任意 ，形狀不受外型限制（可以定做）。 陶瓷加熱器是一種高效熱分布均勻的加熱器，熱導(dǎo)性極佳的金屬合金，確保熱面溫度均勻，消除了設(shè)備的熱點及冷點。具有長壽命、保溫性能好、機械性能強、耐腐蝕、抗磁場等優(yōu)點。 一種是將合金絲澆鑄在石英玻璃為原材料的半導(dǎo)體中。具有耐高溫（可達1200度）、防腐、美觀耐磨的特點。廣泛應(yīng)用于高溫采暖爐、半導(dǎo)體工程、玻璃、陶瓷及電線工程中。 陶瓷加熱器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：陶瓷加熱器是用不銹鋼皮做外殼，內(nèi)有較高絕緣耐火程度的陶瓷內(nèi)穿上電阻絲，再用機械絞制成型，接通電源，即可使用。采用陶瓷加熱器加熱，不發(fā)紅光，不燃燒，升溫快，不怕水及酸堿。熱效率可達90%以上，是PTC加熱器的1.5倍，它是傳統(tǒng)電熱絲加熱器的2倍，可以節(jié)約30%能源及電費支出。同時，啟動時無突波電流，溫度保持恒溫。也不怕水及酸堿，適合惡劣環(huán)境使用。 如圖3-6為普通的電阻加熱器。圖4-7 電阻加熱器 如圖3-7為一般的陶瓷加熱片。圖4-8 陶瓷加熱片 而在考慮了價格、加熱速度等因素后，選定了上海井森電工器材有限公司的一款陶瓷加熱器。實物如下圖圖4-9 陶瓷加熱器是否提供加工定制是品牌康慧電熱型號sgdr-08材質(zhì)99氧化鋁常溫電阻0.4-1000最大電壓3.7-220厚度1.0-2.0主要用途加熱產(chǎn)品認證環(huán)保認證適用范圍設(shè)備、機械、美發(fā)產(chǎn)品性能指標：1、材料：基板為白色氧化鋁，含量不低于95%；引線為0.5070mm鎳絲。2、外形尺寸：可按照客戶的要求開發(fā)制作 常規(guī)尺寸：長度70mm 寬度7、10、15、20mm 厚度1.3mm3、尺寸公差：長度1.00mm 寬度0.50mm 厚度0.20mm4、外觀質(zhì)量：外觀整潔，無銹蝕、無污染、無斷裂。5、機械特性：常溫灣曲強度大于310MPa，高溫彎曲強度大于260MPa（220）6、高溫特性：溫升速率：10秒內(nèi)可達200，穩(wěn)定最高溫度可達6008007、電特性：工作電壓55V、110V、220V（一般情況下不允許空燒） 下圖為加熱陶瓷片在試驗臺中的安裝位置圖4-10 加熱陶瓷器在實驗臺中的裝配位置 把加熱陶瓷片放在這里剛好可以對油槽內(nèi)的又進行加熱，因此可以得到油膜溫度跟壓力的關(guān)系。4.2 液體摩擦徑向滑動軸承的計算 已知：軸承載荷F=50000N，d=100mm，軸轉(zhuǎn)速n=960r/min，試選擇軸承材料并進行液體動力潤滑設(shè)計。4.2.1 主要技術(shù)指標 原始數(shù)據(jù)：軸向載荷F=50KN 軸承直徑：d=100mm 軸轉(zhuǎn)速： n=960r/min 4.2.2 選擇軸承材料和結(jié)構(gòu) 1. 選擇軸承結(jié)構(gòu)為剖分式，由水平剖分面單側(cè)供油，軸承包角=180。 2. 選擇軸承寬徑比，根據(jù)機床軸承常用的寬徑比范圍4，去寬徑比B/d=1.5。 3. 計算軸承寬度 B/d=1.5 因此B=150mm。 4. 計算軸頸圓周速度 5. 計算軸承壓力和值 選擇軸瓦材料，查機械設(shè)計手冊，選定軸承材料為ZcuPb30。4.2.3 潤滑劑和潤滑方法的選擇 1.選定潤滑油牌號 查機械設(shè)計手冊6，選擇機械油 AN32 2.選定平均油溫 現(xiàn)查平均油溫 3. 下油的潤滑粘度：查機械設(shè)計手冊知11 4. 油的動力粘度，取， 得 5.潤滑方法的選擇 當k3050時，用油環(huán)、飛濺潤滑，故選用飛濺潤滑 粘度對軸承的承載能力、功耗和軸承溫升都有不可護士的影響。軸承工作時，油膜各處溫度是不同的，通常認為軸承溫度等于油膜的平均溫度。平均溫度的計算是否準確，將直接影響到潤滑油粘度的大小。平均溫度過低，則油的粘度較大，算出的承載能力偏高；反之，則承載能力偏低。設(shè)計時，可先假定軸承平均溫度，初選粘度，進行初步設(shè)計計算。最后再通過熱平衡計算來驗算軸承的入口溫度是否在標準之間，否則應(yīng)重新選擇粘度再做計算。4.2.4 承載能力計算 1.計算相對間隙 取 2. 計算軸轉(zhuǎn)速 3. 索氏數(shù) 4. 選擇偏心率 查機械設(shè)計手冊得4.2.5 層流校核 1.半徑間隙計算 2.計算臨界雷諾數(shù) 3.計算軸承雷諾數(shù) 則12.561306，故滿足層流條件4.2.6 流量計算 1. 選取流量系數(shù)：查機械設(shè)計手冊， 2. 軸承潤滑油的體積流量4.2.7 功耗計算 1. 選取摩擦特性系數(shù)：查機械設(shè)計手冊，得： 2. 計算摩擦系數(shù) 3. 計算摩擦功耗4.2.8 熱平衡計算 1.熱溫升計算 得： 其中：Cp是潤滑油的定壓比熱容，常取 為軸承表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，。依軸承結(jié)構(gòu)、軸承尺寸、通風(fēng)條件而定，則取。2.計算進油溫度 3.計算出油溫度 由上所知：均符合要求。此時表示軸承熱平衡易于建立，軸承的承載能力尚未用盡。 （此外要說明的是，軸承的熱平衡計算中的潤滑油流量僅考慮了速度供油量，即由旋轉(zhuǎn)軸頸從油槽代入軸承間隙的油量，忽略了油泵供油時，油被輸入軸承間隙時的壓力供油量，這將影響軸承溫升計算的精確性。因此，這適用于一般用途的液體動壓潤滑徑向軸承的熱平衡計算，對于重要的液體動壓軸承計算暫不做處理。）4.2.9 安全度計算 1.最小油膜厚度 2.軸頸表面粗糙度： 3.軸瓦表面粗糙度： 4.安全度計算： S是考慮到表面幾何形狀不準確和零件變形而保留的安全度，一般取S2。 所以：S=3.752，保證動力潤滑。4.3 滑動軸承內(nèi)軸瓦、油溫、油壓的關(guān)系 潤滑油的油溫高低決定了運動粘度的變化趨勢，油溫升高，油的粘度值降低，運動時產(chǎn)生的摩擦阻力下降，產(chǎn)生的摩擦力就降低，承載力就下降。油溫降低、油的粘度值加大，運動時產(chǎn)生的摩擦阻力就增加，相應(yīng)的承載力就會提高。一般在設(shè)計液體動壓滑動軸承時油的溫度要控制在70左右，最高不超過100。 通過改變實驗臺的轉(zhuǎn)速會引起油膜壓力值的改變，改變外載荷的大小會引起壓力油膜壓力值的改變，在這個實驗臺中我們能通過改變這2個參數(shù)來知道油膜壓力、油膜溫度的變化。圖4-11（液體動壓滑動軸承的裝配圖）圖4-12 軸瓦軸承運動圖 在主軸轉(zhuǎn)動的時候，與軸瓦之間的間隙會形成一層油膜，圖4-13 油膜形成過程圖（圖中黑色的代表油膜）油膜在主軸轉(zhuǎn)動的時候，會轉(zhuǎn)化外下面情形圖4-14 油膜形成過程圖（黑色代表油膜）這是油膜在主軸跟軸瓦直接因為摩擦而形成的過程。對于油膜壓力隊形測量、分析，得到下圖：圖4-15 徑向油膜壓力示意圖（平均壓力示意圖） 取偏心率=0.8，d/L=2，m=80，n=60得出一組無量綱油膜壓力分布（通過matlab）：4-16 周向角度油膜壓力分布圖第五章 總結(jié) 經(jīng)過了一段時間的努力工作，本課題已基本完成。 在學(xué)習(xí)機械設(shè)計滑動軸承這一章的過程中，涉及到的一個重要的環(huán)節(jié)就是液體動壓滑動軸承實驗。本文以液體動壓潤滑理論為基礎(chǔ)，根據(jù)教學(xué)和科研的需要設(shè)計，使我們能夠提高學(xué)習(xí)理論的興趣，加深對課堂知識的理解。 本文主要論述了雷諾方程的普遍形式、雷諾方程的簡化、以及；雷諾方程的無量綱形式和雷諾邊界條件的建立；又重點介紹了動壓滑動軸承的靜態(tài)特性計算和壓力分布求解，并詳述了在求解二維雷諾方程中應(yīng)用的一些數(shù)學(xué)理論。并且對于液體動壓滑動軸承試驗臺進行了設(shè)計，加入了熱電陶瓷跟熱敏電阻溫度傳感器來實現(xiàn)更多的條件控制來得到更好的結(jié)果。但是本文中也有一些問題有待解決：1） 徑向滑動軸承拆裝和動壓油膜形成過程的動畫仿真2） 液體動壓滑動軸承油膜壓力曲線的仿真希望可以通過引進技術(shù)可以使上述問題得到解決。參考文獻1 濮良貴，紀名剛 . 機械設(shè)計（第八版）(M).高等教育出版社.2006年5月2 孫恒，陳作模. 機械原理（第七版）(M).高等教育出版社.2006年5月3 楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設(shè)計基礎(chǔ)（第五版）(M).高等教育出版社.2006年5 月4 機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊單行本-軸承(G).機械工業(yè)出版社.2007年3 月5 國際通用標準件叢書編輯委員會(G).國內(nèi)外軸承對照手冊.江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.2008年10月6 張松林.最新軸承手冊(G).電子工業(yè)出版社.2006年10月7 王啟義.中國機械設(shè)計大典（第三卷）(M).江西科學(xué)技術(shù)出版社.2002年8 朱龍根.簡明機械零件設(shè)計手冊(G).機械工業(yè)出版社.1997年11月9 曲慶文.薄膜潤滑理論(M).北京出版社.200610 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