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滑动轴承实验
滑动轴承的工作原理是通过轴颈将润滑油带入轴承摩擦表面，由于油的粘性（粘度）作用，当达到足够高的旋转速度时，油就被带入轴与轴瓦配合面间的楔形间隙内形成流体动压效应，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，轴与轴瓦之间处于完全液体摩擦润滑状态。因此这种轴承摩擦小，轴承寿命长，具有一定吸振能力。本实验就是让学生直观地了解滑动轴承的动压油膜形成过程与现象，通过绘制出滑动轴承径向油膜压力分布曲线与承载量曲线，深刻理解滑动轴承的工作原理。
一、实验目的
1.观察滑动轴承的动压油膜形成过程与现象。
2.通过实验，绘出滑动轴承的特性曲线。
3.了解摩擦系数、转速等数据的测量方法。
4.通过实验数据处理，绘制出滑动轴承径向油膜压力分布曲线与承载量曲线。
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二、设备和工具
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图16-1 滑动轴承实验台结构
滑动轴承实验台结构如图16-1所示：它由底座1，箱体2，轴3，轴瓦4，压力表5，加载砝码6,加载杠杆7、8,测力百分表9，测距杠杆14，测力弹簧片10,控制面板11,Ⅴ型传送带12,直流电机13等组成。
实验台有关数据：
1.轴瓦：材料—ZQAL9—4
表面粗糙度—1.6

宽度—B＝75mm
2.轴：材料—45#
表面粗糙度—0.8

直径—d=60mm
3.电动机：型号—130SZO2
额定功率—P＝355W
额定转速—n＝1500rpm
4.V带传动：型号—O型
内周长—L＝l120mm
根数—Z＝2
中心距—a＝350mm
传动比—i＝3.175
5.润滑油：牌号—45号机油
粘度—η＝0.34（）
6.加力杠杆比：42.627
7.测矩杠杆力臂长—L＝160mm
测力弹簧片刚度系数—K＝ N／格（见实验机上标牌，每个实验机均不相同）
三、实验原理
轴瓦4与测矩杠杆14联成一体，压在轴上，直流电动机13通过V型传动带12驱动轴3旋转。箱体内装有足够的润滑油，轴将润滑油带到轴与轴瓦之间。当轴不转时，轴与轴瓦之间是直接接触的。开始启动时，当轴转速很低，轴与轴瓦之间处于半干摩擦状态，当轴的转速达到足够高时，在轴与轴瓦之间形成动压油膜，将它们完全隔开。
（）
当轴旋转时，由于摩擦力矩的作用，在测矩杠杆14与测力弹簧片10的触点处产生作用力Q,其大小可由测力表（百分表）测出：
式中：K—弹簧片刚度系数 (N/格)
Δ—测力表读数 (格) (1格＝0.01mm)
（1）
设轴与轴瓦之间的摩擦力为 F，根据力矩平衡条件，可得：
（）
式中： d—轴的直径（60mm）
L—测力杠杆的力臂长(160mm)(轴中心至测距杠触头一端的距离)
而作用于轴瓦上的载荷W是由砝码通过加载杠杆系统7、8加上去的，它还包括加载系统和轴瓦的自重，故有：
W=iG+G0=42.627G+342(N)
式中：G—砝玛6的重力(N)
G0—轴瓦、压力计等自重力，为342N
i—加载系统杠杆比，为42.627
（2）
因此轴与轴瓦之间的摩擦系数f可用下式计算：
而单位压力q可用下式计算：
式中：B——轴瓦宽度(mm)
（）
在轴瓦宽度的中间，沿圆周均布钻有7个直径为φ1mm的小孔(图16-2)，每个小孔联接一个压力表。当轴的转速达到一定数值，在杠杆系统上加适当的砝码重量，轴与轴瓦间就会形成动压油膜，呈液体摩擦状态。此时，从压力表上就可看到滑动轴承沿圆周各点的径向油膜压力，记录下各压力表上显示的压力值，选定一定比例尺，便可绘制出径向油膜压力分布曲线(图16-5a)。
7-φ1

图16-2 轴瓦
四、实验步骤
1．准备工作
l)检查实验台，使各个机件处于完好状态；
2)检查实验台地线是否接好；
3)在箱体油池中注入足够量的经过过滤的45号机油；
4)去掉加载法码6；
5)在弹簧片端部安装百分表，使其触头与底座接触并有一定预压值；
6)为保证图16-3所示电路中轴与轴瓦之间除通过直接接触外，其它部分是绝缘的，轴瓦不得与轴座相接融。
2．实验内容与实验方法
l)观察动压油膜的形成过程与现象
动压油膜形成过程中的现象，我们可通过观察油膜形成过程的电路系统来观察。
电路系统如图16-3所示。
2
3
1

1—轴瓦 2—轴 3—灯泡
图16-3 观测油膜形成过程电路图
当主轴没有转动时，轴2与轴瓦3是接触的，接通开关K，有较大的电流流过灯泡3，可以看到灯光很亮。
当主轴在很低的转速下慢慢转动时，主轴把油带入轴与轴瓦之间，形成部分润滑油膜，由于油为绝缘体，使金属接触面积减小，使电路中的电流减小，因而灯光亮度变暗。
当主轴转速再提高时，轴与轴瓦之间形成了很薄的压力油膜，将轴与轴瓦分开，灯泡就不亮了，这时我们就得知动压油膜已经形成。
2)求出滑动轴承在刚启动时的摩擦力矩与摩擦系数
实验时，可以用手缓慢地转动 V型带轮(这时要求不加砝码，载荷只是杠杆系统的自重 G。，或者也可慢慢启动电动机，当轴刚有转动趋势的时候，读出并记下百分表的最大格数。为了保证数据记录的准确性，需要重复做三次，将测得的数据记录在表 l中，根据记录的数据，代入(1)，(2)式子，求出启动时的摩擦力矩和摩擦系数，最后求得一个平均值。
3)绘制滑动轴承的特性曲线
滑动轴承的特性曲线如图16-4的所示，参数h为油的粘度，它是受压力和温度影响的。但由于本实验进行的时间短，压力也不大(在大气压以下)温度变化也不大，因此把油的粘度近似地看做一个常数。根据查表可得45号机械油在室温（20℃）时的动力粘度＝0.34（）。而为转速，是个变量。可实际测得。为平均单位载荷（也称比压）可用下式计算：
（）
式中： 为载荷；为主轴的直径；为轴瓦宽度；为平均单位载荷。
0

图16-4 滑动轴承曲线
从特性曲线图可以看出，摩擦系数的大小是和转速有关的，主轴刚启动时，轴与轴瓦为半干摩擦，此时摩擦系数是很大的。随着转速的增加，压力油膜使轴与轴瓦的接触面积不断减小，摩擦系数明显下降，当达到临界点后为液体摩擦区，即为滑动轴承的正常工作区域。实验时，我们用改变转速n(即改变)，将各转速下所对应的摩擦力矩和摩擦系数求出，记录在表2中(并绘出特性曲线)。
具体实验方法参看使用说明书。
4)绘制轴承径向油膜压力分布曲线
启动电机，控制转速在250～300转/分，然后加上载荷，观察指示灯泡，看是否形成油膜，当形成压力油膜后，待各压力表的压力值稳定后，由左向右依次记录各压力表的压力值，并记录在表3中。根据测出的油压大小按一定比例绘制油压分布曲线，如图16-5a所示。具体画法是沿着圆周表面从左向右画出角度分别为，，，，，，等分，得出油孔点1,2,3,4,5,6,7位置。通过这些点与圆心4连线，在它们的延长线上，将压力表测出的压力值(比例：0.1MPa=5mm)画出压力向量 ，，…，经 、各点连成平滑曲线，这就是位于轴承中部截面的油膜径向压力分布曲线。
为了确定轴承承载量，用p1·Sinfi(i=1,2,…7)求得向量，，…，在载荷方向(即y轴)的投影值。角度fi与Sinfi的数值见下表：

22.5
45
67.5
90
112.5
136
157.5

0.382
0.707
0.923
1
0.923
0.707
0.382
然后将 这些平行y轴的向量移到直径0—8上，为清楚起见，将直径0—8平移到图16-5a的下部，在直径上先画出轴承表面上油孔位置的投影点，…
，然后通过这些点画出上述相应的各点压力在载荷方向上的分量，即 ，…等点，将各点平滑地连接起来，所形成的曲线即为在载荷方向上的压力分布。
5′
4′
1″
3″
2″
7″
8″
6″
5″
4″
1
1′
2
3
4
5
6
7
8
7′
6′
3′
2′
(b)
(a)
0

图16-5 径向油压分布曲线
在直径0—上做一个矩形，采用方格坐标纸，使其面积与曲线所包围的面积相等。那么该矩形的边长q平均即为轴承中部截面上油膜径向平均单位压力。
轴承处在液体摩擦工作时，其油膜承载量与外载荷相平衡，轴承内油膜的承载量可用下式求出：
式中； —为轴承内油膜承载能力；
—外加载荷；
—端泄对承载能力影响系数；
—径向平均单位压力；
—轴瓦宽度；
—轴瓦内径．
端泄对轴承压力分布及承载能力影响较大，通过实验，可求得其影响。具体方法如下：
由实验测得的每块压力表上的压力，代入下式，可求出在轴瓦中点截面上的径向平均单位压力：

端泄对承载能力的影响系数，用下式求得：
五、思考题
1、 那些因素影响液体动压轴承的承载能力及油膜的形成？形成动压油膜的必要条件是什么？
2、 当轴转速增加或载荷增大时，油膜压力分布曲线的变化如何？
3、 曲线说明什么？试解释当增加时，为什么在非液体摩擦区会随之下降，而在液体摩擦区会随之增大？
4、 试提出一种试验液体动压轴承的加载装置和摩擦系数测量装置的新方案。

六、实验报告要求
(l)求滑动轴承刚启动时的摩擦力矩 与摩擦系数
表1 启动状态下摩擦力矩及摩擦系数记录表

百分表读数D
载荷
启动摩擦力矩
摩擦系数
格数

1

2

3

计算启动时的摩擦力矩平均值：平均＝ 摩擦系数平均值：平均＝
(2) 绘制特性曲线
（） （）
已知条件:砝码重Q= N 载荷W= N
表2 非液体摩擦与液体摩擦状态下的转数与百分表读数D记录表

转速
百分表读数D
摩擦力矩
摩擦系数

r/min
格

1/60×10-6
1

2

3

4

5

6

7

8

(3)绘制轴承径向油膜压力分布曲线
表3 油膜压力记录表
压力表的位置
1
2
3
4
5
6
7
径向压力（）

向Y轴投影压力值（）

径向单位面积上的平均压力端泄对承载量的影响系数=?

NSK进口轴承 IKO进口轴承
6