机械设计基础（Ⅲ）实验报告 班级
姓名 液体动压滑动轴承油膜压力分布和摩擦特性曲线 学号
一、 概述
液体动压滑动轴承的工作原理是通过轴颈的旋转将润滑油带入摩擦表面，由于油的粘性（粘度）作用，当达到足够高的旋转速度时油就被挤入轴与轴瓦配合面间的楔形间隙内而形成流体动压效应，在承载区内的油层中产生压力，当压力的大小能平衡外载荷时，轴与轴瓦之间形成了稳定的油膜，这时轴的中心对轴瓦中心处于偏心位置，轴与轴瓦间的摩擦是处于完全液体摩擦润滑状态，其油膜形成过程及油膜压力分布如图6-1所示。
图6-1 建立液体动压润滑的过程及油膜压力分布图
滑动轴承的摩擦系数f是重要的设计参数之一，它的大小与润滑油的粘度η(Pa.s)、轴的转速n(r/min)和轴承压强p(Mpa)有关，令
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式中，λ——轴承摩擦特性系数。
?np
图6-2 轴承摩擦特性曲线
观察滑动轴承形成液体摩擦润滑过程中摩擦系数变化的情况，f-λ关系曲线如图6-2所示，曲线上有摩擦系数最低点，相应于这点的轴承摩擦特性系数λ在λ
kp
kp
称为临界特性数。在λ
kp
以右，轴承建立液体摩擦润滑，
以左，轴承为非液体摩擦润滑，滑动表面之间有金属接触，因此摩擦系数f随λ减小而急剧增大，不
同的轴颈和轴承材料、加工情况、轴承相对间隙等，λkp也随之不同。 本实验的目的是：了解轴承油膜承载现象及其参数对轴承性能的影响；掌握油膜压力、摩擦系数的测试及数据处理方法。
二、 实验要求
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1、在轴承载荷F=188kgf时，测定轴承周向油膜压力和轴向油膜压力，用坐标纸绘制出周向和轴向油膜压力分布曲线，并求出轴承的实际承载量。
在轴承载荷F=128kgf时，测定轴承周向油膜压力和轴向油膜压力，用计算机进行数据处理，得出周向和轴向油膜压力分布曲线及轴承的承载量。
2、测定轴承压力、轴转速、润滑油粘度与摩擦系数之间的关系，用计算机进行数据处理，得出轴承f-λ曲线。
三、 实验设备及原理
本实验使用 HZS-1型液体动压轴承实验台，它由传动装置、加载装置、摩擦系数测量装置、油膜压力测量装置和被试验轴承和轴等所组成。
1、传动装置：如图6-3所示，被试验的轴承2和轴1支承于滚动轴承3上，由调速电机7通过三角带6及变速箱5带动轴1旋转并可获得不同的转速。图6-4为试验台的总体布置图。
图6-3 轴承试验台传动示意图 图6-4 试验台总体外观图
1— 轴；2—试验轴承；3—滚动轴承；4—联轴器； 1—试验轴承箱；2—供油压力表；3—减压阀； 5—变速箱；6—三角带传动装置；7—调速电机 4—加载油腔压力表；5—溢流阀；6—油箱；
7—总开关；8—变速箱；9—带传动；10—转速表；11—转速调节旋钮；
12—油泵开关；
13—主电机开关；14—调速电机；15—转速控制开关
2、加载装置：如图6-5所示，图中4为静压加载板，它位于被测轴承上部，并固定在箱体上，当输入压力油至加载板的油腔内时，轴承即获得载荷，此载荷是施加在轴承壳体上的，轴承载荷为
F?9.81(p0A?G0), N (6-1)
式中 p0—加载板供油腔供油压强（kgf/cm2）;
A—加载板油腔的投影面积，A=60 cm2；
G0—轴承自重，G0=8 kgf（包括压力表及平衡重）。
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图6-5 静压加载装置 图6-6 轴承油膜压力测量装置
1—轴；2—轴承；3—测力杠杆； 1—压力表（七个，120°内周向分布）； 4—加载板；5—拉力测力计； 2—压力表（一个，轴向B/4处）； 6—平衡重；7—卡板 3—主轴；4—试验轴承
3、摩擦系数测量装置：摩擦系数是通过测量轴承摩擦力矩而得到的，图6-5中测力杆3是与轴承2联接为一体的，当轴旋转后，作用在轴承上的摩擦力矩是通过测力杆由测力计5平衡的，因此
fF?d2?QL (6-2)
式中 f----轴承摩擦系数；
L----测力杆力臂距离，L=150㎜； d----轴颈直径，d=60㎜； F----轴承载荷，N
Q----测力计力的读数，gf,(克力)。
将L、d之数值带入式（6-2），并化简得
QF f?0.049 (6-3)
4、油膜压力测量装置：与图6-1不同的是承载区是在轴承上半部，为了测量油膜压力，在轴承上半部中间即轴承有效宽度B/2处（图6-6）的剖面上沿圆周120°内钻有七个均匀分布的小孔，并联接七只压力表（测周向压力），在轴承轴向有效宽度B/4处也钻有一个小孔，并联接一只压力表（可测轴向压力）。这样通过压
力表可以读出相应位置的油膜压力值，从而得到轴承的周向和轴向压力分布曲线。
使用计算机辅助实验时，试验轴承小孔上安装有电阻式压力传感器，油膜压力信号经由传感器将压力值转换为电信号，并经放大及A/D转换，输入计算机后进行数据处理并打印全部实验结果。 5、试验机的主要参数及性能
试验轴承： 直径d=60㎜；有效宽度B=60㎜；
材料ZQSn6-6-3；表面粗糙度Ra 0.8μm(▽7) 相对间隙：??1.17?（直径间隙△=0.07㎜）； 润滑油：10号机械油；
加载范围：0-300kgf(调节溢流阀实现无级可调)；
调速范围；20-1200r/min(低速档20-200 r/min，高速档120-1200 r/min)。
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四、 实验方法及步骤
1、油膜压力分布的测定： 先用卡板7（图6-5）卡住测力杆3，以免拉力测力计损坏，开启油泵，调节溢流阀，使轴承供油压力约在0.5-1 kgf/㎝2内，将变速箱变速手柄放在低速档上，调速旋钮旋至低速位置，开启调速电机及转速控制开关，指示红灯亮，转动调速旋钮，使转速读数在100-200 r/min之间，再将变速手柄扳到高速档，逐渐调高转速至600 r/min，调节溢流阀手柄，将加载供油压力调到规定的数值，例如p0=3 kgf/㎝（轴承载荷 F=188 kgf），运转几分钟待各压力表数值稳定后自左至右依次记录七只压力表及轴向B/4处压力表读数。重新调节加载供油压力p0=2kgf/㎝2（轴承载荷F=128 kgf），待稳定后记录各压力表数值于表6-1中。
使用计算机辅助实验时，可将一种载荷下（例如F=188 kgf）的压力数据通过传感器直接输入计算机进行测试和数据处理。
2、摩擦系数及特性系数?的测定
特性系数?的获得主要是测定?、p、及n各项参数。粘度?主要根据轴承平均工作温度tm来决定。压力p可根据轴承载荷确定，本实验轴承载荷可保持不变，转速n则可用转速计测得。或从试验台上的转速表上读得。
实验时，使加载供油压力p0=3kgf/㎝2保持不变，将卡板7打开，使测力杆3可以自由转动，依次将主轴转速调至600、500、400、300、200、100、50、30 r/min?等（临界值附近可依具体情况选择），记录各转速时的拉力计读数，并相应测定轴承进油温度t1(与静压加载板油温相同)，根据t1与轴承平均工作温度 tm关系公式（6-4），可相应计算得到tm值，再根据粘温曲线（图6-7）可查得润滑油粘度?值，将各数据记录于表6-2中。
数据测试完毕，应注意先卸载，并降低转速，然后停车。 3、轴承平均工作温度tm及粘度?的确定
由于测定轴承的工作温度比较困难，因此采用测定轴承入口油温t1方法，然后由发热条件，根据实验得出的经验公式计算出轴承平均工作温度tm。
tm?9.32?0.85t1 (6-4) 式（6-6）适用条件为轴承采用10号机械油润滑.
实际测量t1是测量静压加载板油腔温度，因它与试验轴承是使用同一油路，其油温与轴承入口油温相同。
表6-1 油膜压力分布实验值
轴承载荷 F（N） 轴转速 n(r/min) 压力值（kgf/cm2）(压力表自左至右) 1 2 3 .
表6-2 轴承摩擦特性曲线试验值及计算值
4 5 6 7 8（轴向） 根据轴承平均工作温度tm，可由图6-7粘温曲线查得轴承的工作粘度?值。 油膜压力分布、f-λ曲线等各项实验结果记录表格见表6-1、6-2。
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轴承载荷F= N；轴承压强p?FdB? MPa 轴转速 n(r/min) 测力计读数 Q（克力） t1(℃) 油工作温度 tm(℃) 油粘度 η（pa.s） 摩擦系数 f 特性数 λ
图6-7 10号机械油粘度温度关系曲线
五．数据处理
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