滑动轴承油膜压力分析与测量探究

滑动轴承油膜压力分析与测量探究

本文使用滑动轴承测试台，运用PVDF压电薄膜传感器，测定油膜的各个点的压力分布情况，观察油膜形成的动态过程，并在坐标系上绘出其摩擦特效的曲线，从而获取径向的油膜在给点的压力数值，得出所对应的滑动轴承上的载荷数值。同时，阐述了具体的滑动轴承油膜压力测量与计算过程。滑动轴承；油膜压力；测量

通常我们在滑动轴承油膜压力的分布计算中，会根据已知的一些参数，如油膜粘度值、偏心率、轴颈转速值、供油压力值等数据，在理论计算的基础上，使用仿真软件进行计算即可。但是在实际中，这种计算方法存在着较大的误差，甚至有可能会出现一些运算结果同实际运行不符的状况，将高分子材料PVDF应用于滑动轴承动态油膜压力测量中，可以获得更加精确测量的试验数据，反应实际情况。

滑动轴承测试台概述

进行滑动轴承油膜压力测试的平台，如图1所示，除去T型基座包括的操控板、电动机、三角皮带、螺旋加载杆、传感器支撑板、主轴、主轴瓦以及主轴箱等一般装置外，还包括了弧形零件、激振器、力传感器、压电薄膜传感器。其中，电机拖动了轴的旋转，且轴承上安装了螺旋加载杆来提供作用力；滑动轴承装有力传感器，其作用主要是测量油膜的压力分布曲线和相关数据信息。传感器使用PVDF压电薄膜，PVDF作为各向异性材料，其压电特性决定了电荷响应方向，一般为三个方向，长度、宽度和厚度，主要的用力方向在厚度上。加载外力作用于PVDF薄膜时，表面的上下可以产生极性相反且大小相等的电荷。

在本文中使用的PVDF压电薄膜传感器厚度为28μm，测量面积1.5×1 cm2，在传感器的尾端，采用了压接端子的电荷输出，使得传感器安放在轴承内，仍能保证油膜的形成。测试原理上，可以通过简单的流程展示：

信号发生器→功率放大器→激振器→实验台→力传感器/压电薄膜传感器

→数据采集→计算机

在测试台的操纵板上，可以检测轴承的转速和载荷情况，加载载荷不同，测试台承受的压力值也会不一样，因此压力传感器会检测到不同的数据，根据传感器传回的数据所绘制的曲线形状由此发生不同变化。另一方面，径向的滑动轴承会根据轴承特性的系数变化而改变自身的摩擦因数，二者之间成正比例关系。

工作人员可通过测试台上的信号灯显示状态来判断滑动轴承的摩擦状态，当信号灯很亮的时候，轴承并没有转动；而当轴承开始低速转动时，会看到信号灯闪烁，出现忽亮忽暗的情况，这是由于润滑油进入了轴承的轴与轴瓦之间，让缝隙之间的摩擦减小。但是润滑油的油膜并不厚，在轴与轴瓦间还会有很微小的不

平整的凸起，当轴与轴瓦与这些凸起接触后，便出现了信号灯闪烁的情况。接着，轴承继续转动，当轴的转速达到了一定数值后，此时润滑油已经在轴与轴瓦间充满，且油膜的厚度明显增加，这就导致了轴与轴瓦之间的凸起被掩盖，使轴与轴瓦之间互不接触，完全隔开了，此时信号灯则会熄灭。

在进行滑动轴承的油膜压力分布的测试时，采用LMS数据采集系统，输出信号为300Hz的正弦信号。数据通过USB串口通信，使用编程，到计算机进行数据处理。我们要对其压力分布取值并绘制分布图，主要通过以下几个步骤进行：

第一，把电动机打开，调整轴的旋转速度值到3000r/min，这时电动机开始从静止状态进入到运动状态。接着我们可以观察到，随着转速的变化，信号灯的明暗度也逐渐发生变化，开始闪烁。当信号灯熄灭不亮时，说明轴与轴瓦之间的油膜已经够厚了，这时的滑动轴承进入到完全的液体润滑状态。

第二，通过旋转螺旋加载杆进行加载，使轴承受力，每次的加载量一定要小于1kN。

第三，待压力值稳定，即我们在压力传感器上获取到的压力值的数据稳定后，按照顺序记录下七个压力传感采集的压力值，并做好笔录。

第四，使用旋转加载杆卸载作用力，让电动机转速逐渐降低至停止，此时信号灯完全亮起。

根据试验所得的数据我们可以知道，油膜压力分布的实际测量结果同仿真图基本相符，即载荷的数值越大，则油膜承受的压力值就越大，两者为正比关系。当轴和轴瓦之间的润滑油足够时，摩擦力会减小；同时在轴承转动过程中，润滑油会带走一些热量。温度对润滑油有着明显的影响，温度越低，润滑油的粘度也会越大，而温度升高则粘度降低，一旦轴与轴瓦之间的温度值过高，润滑油的黏度值偏低，则润滑效果下降明显，所以操作时需要控制好油膜的温度。

b测取并绘制摩擦特性曲线

在进行滑动轴承的摩擦特性测试时，我们要取值并进行曲线绘制，主要进行以下几个步骤：

第一，将电动机打开，同样调整转速到达3000r/min。当载荷加载到700N 后，信号灯熄灭，等待转速值稳定不再变化，开始慢慢减速操作。第二，把轴承转速在3000r/min、载荷加载到700N时刻的摩擦力大小记下来，做好笔录工作。第三，轴承减速时，将转速每次调整降低10r/min，直到归零，且保持载荷数值在700N不变，记录下每次降速的摩擦力数值变化。第四，用旋转加载杆卸载作用力，使电动机转速降低至停止，最终信号灯完全亮起。第五，以试验数据为参考，根据比例进行摩擦特性的曲线绘制，主要为摩擦力和转速的数值。

同样地，滑动轴承的摩擦特性曲线的实际测试结果同仿真图基本相符。我们可以发现，在电动机启动的时候，摩擦因素是最大的，当电动机的转速稳定后，额定状态下摩擦因数是最小的。随后卸载的时候，每次操作都会造成摩擦因素增加，当轴径旋转的时候，润滑油也在旋转，可以看作是油膜受到了剪切，进而对轴径产生阻力，从而摩擦生热。

滑动轴承油膜压力测量与计算

W代表了量纲一承载力，Fw是给定的承载力的数值。由于计算中没有偏心率和偏位角的值，因此需要对初始值进行计算。在模型计算中，偏心率初始值为0.5，偏位角的初始值为20°，在使用软件计算后，迭代的次数并不多，通常在10次以内。测量与计算具有较强的可行性。

由于滑动轴承中存在着一定厚度的油膜，因此我们基于润滑理论，在数学模型下的计算结果和实际的油膜边界情况有很大的出入，而通过本文的PVDF压电薄膜传感器的使用，对滑动轴承的油膜压力测量更贴近实际效果，在实际的测量分析中有较强的可行性和操作性。

参考：

[1]刘浩.滑动轴承试验装置开发与油膜压力测量[D].山东大学，2007.

[2]吴卓，董永乐.计入表面粗糙度的滑动轴承油膜压力分析[J].矿山机械，2014（05）.