液体动压润滑径向轴承油膜压力和特性曲线
（二） HZS—Ⅰ型试验台
一. 实验目的
1. 观察滑动轴承液体动压油膜形成过程。
2. 掌握油膜压力、摩擦系数的测量方法。
3. 按油压分布曲线求轴承油膜的承载能力。
二. 实验要求
1. 绘制轴承周向油膜压力分布曲线及承载量曲线，求出实际承载量。
2. 绘制摩擦系f 与轴承特性 的关系曲线。
3. 绘制轴向油膜压力分布曲线
三. 液体动压润滑径向滑动轴承的工作原理
当轴颈旋转将润滑油带入轴承摩擦表面，由于油的粘性作用，当达到足够高的旋转速度时，油就被带入轴和轴瓦配合面间的楔形间隙内而形成流体动压效应，即在承载区内的油层中产生压力。当压力与外载荷平衡时，轴与轴瓦之间形成稳定的油膜。这时轴的中心相对轴瓦的中心处于偏心位置，轴与轴瓦之间处于液体摩擦润滑状态。因此这种轴承摩擦小，寿命长，具有一定吸震能力。
液体动压润滑油膜形成过程及油膜压力分布形状如图8-1所示。
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 (Pas)、轴的转速n (r/min)和轴承压力p (MPa)有关，令
（7）
式中：—轴承特性数
观察滑动轴承形成液体动压润滑的过程，摩擦系数f随轴承特性数 的变化如图8-2所示。图中相应于f值最低点的轴承特性数 c称为临界特性数，且 c以右为液体摩擦润滑区，c以左为非液体摩擦润滑区，轴与轴瓦之间为边界润滑并有局部金属接触。因此f值随 减小而急剧增加。不同的轴颈和轴瓦材料、加工情况、轴承相对间隙等，f—曲线不同，c也随之不同。
四. HZS—I型试验台结构和工作原理
1. 传动装置
如图8-7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6通过V带5带动变速箱4，从而驱动轴1逆时针旋转并可获得不同的转速。 2. 加载装置
该试验台采用静压加载装置，如图图8-8所示。图中4为静压加载板，它位于被试轴承上部，并固定于箱座上，当输入压力油至加载板的油腔时，载荷即施加在轴承上，轴承载荷为：
F = 9.18 (poA+Go) N （8）
式中： po — 油腔供油压力，po = 3 kg/cm2 ；
A — 油腔在水平面上投影面积， A = 60 cm2 ；
Go — 初始载荷（包括压力表、平衡重及轴瓦的自重）Go = 8 kgf 。
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。如图8-8 所示：在轴承6上联出一水平测力杆2，当轴5旋转后，作用在轴承6上的摩擦力矩，通过测力杆2上的测力计1，测出杆端的Q力，由平衡得：
（9）
则有： （10） 6 5 4 3 2 1
1—轴 2—试验轴承 3—滚动轴承
4—变速箱 5—V带传动 6—调速电机
图8-7 传动装置示意图
压力油
7 6
5 4 3 2 1
L
1—测力计 2—测力杆 3—卡板 4—加载板
5—轴 6—轴承 7—平衡重块
图8-8 加载及摩擦力矩测量装置 式中：L — 测力杆力臂长度 (mm)；
d — 轴颈直径 (mm)；
Q — 测力杆端的平衡力；
Q = 0.0098Qo N；
Qo — 重锤式拉力计读数 (gf)。
4. 油膜压力测量装置(如图8-9所示)
在轴瓦上半部承载区、轴瓦宽度的中间剖面上，沿圆周方向均布钻有7个小孔，每个小孔联接一只压力表（即联接1~7表），当轴承形成动压油膜时，就可以通过压力表测得周向压力分布曲线。在轴瓦轴向有效宽度B的1/4处钻有一个小孔，供联接压力表用（即联接表8），这样根据轴向压力分布的对称原理，可测得轴向压力分布曲线。图8-9是轴瓦小孔分布的位置。
五. 轴承性能参数
轴颈直径d = 60 mm
轴瓦宽度B = 60 mm
轴瓦材料为青铜，配合表面粗糙度 Ra6.3 m
轴颈材料为45钢，配合表面粗糙度Ra3.2 m
相对间隙 ψ — （1-1.5）‰
润滑油牌号及供油方式 N15机械油循环供油
油的粘度 = 0.024 Pas
初始载荷 Go = 78 N（8kgf）
测力杆力臂长度 L = 150 mm
加载范围 F = 03000 N
调速范围 n = 201200 r/min
电动机型号JZT12-4
电动机功率 0.8 kW
六. 实验方法及步骤
1. 油膜压力分布的测定
先用卡板3（见图8-8）卡住测力杆2，以免测力计损坏。旋动油泵开关13（见图8-10）启动油泵。调节溢流阀5和减压阀3，使供油压力表2指示值为 0.5 kgf/cm2。将变速箱8的手柄放在低速档（左斜位置），转动调速旋钮11旋至最低速，开启主电机开关14和转速控制开关12，指示红灯亮。转动调速旋钮11，使转速读数100200 r/min之间，再将变速手柄扳到高速档（右斜位置），逐渐升速到600 r/min（800 r/min），调节溢流阀5，使加载油腔压力表指示值为 p0=4 kgf/cm2（轴承载荷F=2432 N），运转几分钟待稳定后，依次自左至右记录七只压力表及轴向压力表的读数。重新调节加载油腔压力p0 =3 kgf/cm2（F=1844 N），
接压力表 8
B
图8-9 轴瓦小孔分布示意图 7 6 5 4 3
2
1 2002002003001~7
B4B2待稳定后记录压力表的值于实验报告表图8-1中。
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。轴承压力p可根据轴承载荷确定。转速可从（图8-10）转速表10上测得。
实验时，使加载油腔压力p0 = 4 kgf/cm2 时保持不变，将卡板7（见图8-8）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、50r/min，记录各转速时的测力计读数于表2中。由经验得出轴承的平均工作油温tm 为：
tm= 9.32+0.85t1 0C （11）
根据轴承平均油温可查得粘度 = 0.024(PaS)。
改变轴承载荷，使加载油腔压力p0 =
2 kgf/cm2，重复上速过程,将所测得之—曲线与第一次试验相比较（两次试验曲线应基本重合）以证明 仅与 有关。
测试完毕，应注意先卸载、降速再停机。
七. 数据处理
1. 绘制轴承周向油膜压力分布曲线与承载量曲线。
当形成压力油膜后，压力表稳定在某一位置时，表中读数即表示轴承该点之周向油膜压力。由左向右即为1、2、~7号压力表，然后依次将各压力表的压力值记录在表1中。根据测出的压力大小按一定的比例绘制周向油膜压分布曲线，如图8-11所示。具体画法是：以轴径d作一个圆，取中线为0—0水平线，沿着上半圆从左向右画出角度为30、50、70、
1—试验轴承箱 2—供油压力表 3—减压阀 4—加载油腔压力表 5—液流阀
6—油箱 7—总开关 8—变速箱 9—V带传动 10—转速表 11—转速调节旋纽
12—转速控制开关 13—油泵开关 14—主电机开关 15 调速电动机
图8-10 HZS—I型试验总体外观图
0'
Pm
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 8 0 0 6' 5' 4'
2'
444
7``’’’’’’6
7' 2 3'
1 3
1'' 2'' 3''
4''
5''
6''
7'
1'
图8-11周向油膜压力分布曲线
0'
15 1
15 14 13 12 11 9 8
10
6 4 3 2 右 左
5
7 90、110、130、150 等分，得出油孔点1、2、3、4、5、6、7位置。通过这些点与圆心连成径向线，在它们延长线上，将压力表测出的压力值按比例（比例：0.1MPa =1cm）
画出压力向量1—1'、2—2'、…7—7'。将1' 、 2'….7 '各点连成光滑曲线，这就是位于轴承中部截面的油膜周向压力分布曲线。如图8-11所示。
为了确定轴承承载量，可以用作图法确定轴承中间剖面上的平均单位压力Pm值。作图如下：将图8-11上部圆周上各点0、1、2、……7、8投影到0—0水平直线上（见图8-11下部）得到0、1、2、……7、8点，在相应点的垂线上标出对应压力值在垂直方向的分量，从而在垂线上得到0、1、2、3……7、8点,将各点连成光滑曲线即为承载量曲线。用数方格方法求出此曲线所围的面积，与在纵向上取Pm 值使其与0—8所围的矩形面积相等，此Pm 值经原比例换算后既为轴承中间剖面上的平均单位压力。
轴承处在液体摩擦工作状态时，轴承内油膜的承载量可用下式求出：
P = k PmBd （12）
式中：k为轴瓦在宽度方向的端泄对油膜压力的影响系数。
一般认为轴向油压近似呈二次抛物线规律分布，k=2/3 。将求得的载荷P与实际载荷F加以分析比较。
2. 绘制轴承轴向油膜压力分布曲线
通过压力表8可测出轴向B/4处的压力 p8，用坐标纸绘制轴向油膜压力分布曲线，画一条水平线取长度0—0为B = 60mm，在中点4的垂线上按前述比例尺标出该点的压力值为4—4= p4（端点为p4），在距两端B/4 =15 mm处（即8点）沿垂线方向各标出压力值8—8= p8，轴承两端压力为零，0、8 、4、8、0五点可连成一光滑曲线如图8-12所示。如果轴向油膜压力符合抛物线分布规律，根据计算，则有p8 =3/4 pmax，其中 pmax = p4，将实测的p8与此值进行分析比较。
3. 绘制轴承摩擦特性曲线
滑动轴承的摩擦系数是润滑油粘度 ，轴的转速n、轴承压力p的函数， 值称为滑动轴承的特性系数。其最小值是液体摩擦和非液体摩擦的临界点。其特性系数 由式（7）表示。
记算出不同压力及转速下的摩擦系数，在坐标纸上以 为横坐标，f为纵坐标绘制f—曲线，如图8-2所示。f由式（10）计算。
八. 计算机辅助实验及数据处理①
在该轴瓦的上半部沿周向、轴向承载区测试压力部位安装压力传感器，设计一套测试系统，通过A/D转换，编制有关程序，实现了计算机对油膜压力实验数据的采集（对于摩擦特性曲线实验，采用“人机对话”方式输入实验数据）。然后，利用计算机进行计算和数据处理，直接在屏幕上显示，由打印机打印输出实验结果、实验数据表格、绘制油膜压力分布和摩擦特性曲线。
实验装置的系统框图如图8-13所示。 45 8 8 4'
B 8' 8'
B4B40
0
图8-12
轴向油膜压力分布曲线