撰文/李必相 沈敬之

■318000 中車集團臺州第七八一六工廠

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滑動軸承油膜壓力分析與測量探究

撰文/李必相 沈敬之

■318000 中車集團臺州第七八一六工廠

本文使用滑動軸承測試臺，運用PVDF壓電薄膜傳感器，測定油膜的各個點的壓力分布情況，觀察油膜形成的動態(tài)過程，并在坐標(biāo)系上繪出其摩擦特效的曲線，從而獲取徑向的油膜在給點的壓力數(shù)值，得出所對應(yīng)的滑動軸承上的載荷數(shù)值。同時，闡述了具體的滑動軸承油膜壓力測量與計算過程?；瑒虞S承；油膜壓力；測量

通常我們在滑動軸承油膜壓力的分布計算中，會根據(jù)已知的一些參數(shù)，如油膜粘度值、偏心率、軸頸轉(zhuǎn)速值、供油壓力值等數(shù)據(jù)，在理論計算的基礎(chǔ)上，使用仿真軟件進行計算即可。但是在實際中，這種計算方法存在著較大的誤差，甚至有可能會出現(xiàn)一些運算結(jié)果同實際運行不符的狀況，將高分子材料PVDF應(yīng)用于滑動軸承動態(tài)油膜壓力測量中，可以獲得更加精確測量的試驗數(shù)據(jù)，反應(yīng)實際情況。

滑動軸承測試臺概述

進行滑動軸承油膜壓力測試的平臺，如圖1所示，除去T型基座包括的操控板、電動機、三角皮帶、螺旋加載桿、傳感器支撐板、主軸、主軸瓦以及主軸箱等一般裝置外，還包括了弧形零件、激振器、力傳感器、壓電薄膜傳感器。其中，電機拖動了軸的旋轉(zhuǎn)，且軸承上安裝了螺旋加載桿來提供作用力；滑動軸承裝有力傳感器，其作用主要是測量油膜的壓力分布曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)信息。傳感器使用PVDF壓電薄膜，PVDF作為各向異性材料，其壓電特性決定了電荷響應(yīng)方向，一般為三個方向，長度、寬度和厚度，主要的用力方向在厚度上。加載外力作用于PVDF薄膜時，表面的上下可以產(chǎn)生極性相反且大小相等的電荷。

在本文中使用的PVDF壓電薄膜傳感器厚度為28μm，測量面積1.5×1 cm2，在傳感器的尾端，采用了壓接端子的電荷輸出，使得傳感器安放在軸承內(nèi)，仍能保證油膜的形成。測試原理上，可以通過簡單的流程展示：

信號發(fā)生器→功率放大器→激振器→實驗臺→力傳感器/壓電薄膜傳感器→數(shù)據(jù)采集→計算機

在測試臺的操縱板上，可以檢測軸承的轉(zhuǎn)速和載荷情況，加載載荷不同，測試臺承受的壓力值也會不一樣，因此壓力傳感器會檢測到不同的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器傳回的數(shù)據(jù)所繪制的曲線形狀由此發(fā)生不同變化。另一方面，徑向的滑動軸承會根據(jù)軸承特性的系數(shù)變化而改變自身的摩擦因數(shù)，二者之間成正比例關(guān)系。

圖1.滑動軸承測試臺

工作人員可通過測試臺上的信號燈顯示狀態(tài)來判斷滑動軸承的摩擦狀態(tài)，當(dāng)信號燈很亮的時候，軸承并沒有轉(zhuǎn)動；而當(dāng)軸承開始低速轉(zhuǎn)動時，會看到信號燈閃爍，出現(xiàn)忽亮忽暗的情況，這是由于潤滑油進入了軸承的軸與軸瓦之間，讓縫隙之間的摩擦減小。但是潤滑油的油膜并不厚，在軸與軸瓦間還會有很微小的不平整的凸起，當(dāng)軸與軸瓦與這些凸起接觸后，便出現(xiàn)了信號燈閃爍的情況。接著，軸承繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到了一定數(shù)值后，此時潤滑油已經(jīng)在軸與軸瓦間充滿，且油膜的厚度明顯增加，這就導(dǎo)致了軸與軸瓦之間的凸起被掩蓋，使軸與軸瓦之間互不接觸，完全隔開了，此時信號燈則會熄滅。

PVDF壓電薄膜受外力后，輸出電荷和外力的關(guān)系為：

qi是薄膜單位面積輸出的電荷，Qi是薄膜的總電荷輸出，σj為薄膜承受應(yīng)力，F(xiàn)j是薄膜承受外力，dij是薄膜的雅典應(yīng)變常數(shù)。

滑動軸承油膜壓力測試分析

a測取并繪制滑動軸承油膜壓力分布圖

在進行滑動軸承的油膜壓力分布的測試時，采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輸出信號為300Hz的正弦信號。數(shù)據(jù)通過USB串口通信，使用VB.NET編程，到計算機進行數(shù)據(jù)處理。我們要對其壓力分布取值并繪制分布圖，主要通過以下幾個步驟進行：

第一，把電動機打開，調(diào)整軸的旋轉(zhuǎn)速度值到3000r/min，這時電動機開始從靜止?fàn)顟B(tài)進入到運動狀態(tài)。接著我們可以觀察到，隨著轉(zhuǎn)速的變化，信號燈的明暗度也逐漸發(fā)生變化，開始閃爍。當(dāng)信號燈熄滅不亮?xí)r，說明軸與軸瓦之間的油膜已經(jīng)夠厚了，這時的滑動軸承進入到完全的液體潤滑狀態(tài)。

第二，通過旋轉(zhuǎn)螺旋加載桿進行加載，使軸承受力，每次的加載量一定要小于1kN。

第三，待壓力值穩(wěn)定，即我們在壓力傳感器上獲取到的壓力值的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，按照順序記錄下七個壓力傳感采集的壓力值，并做好筆錄。

第四，使用旋轉(zhuǎn)加載桿卸載作用力，讓電動機轉(zhuǎn)速逐漸降低至停止，此時信號燈完全亮起。

根據(jù)試驗所得的數(shù)據(jù)我們可以知道，油膜壓力分布的實際測量結(jié)果同仿真圖基本相符，即載荷的數(shù)值越大，則油膜承受的壓力值就越大，兩者為正比關(guān)系。當(dāng)軸和軸瓦之間的潤滑油足夠時，摩擦力會減??；同時在軸承轉(zhuǎn)動過程中，潤滑油會帶走一些熱量。溫度對潤滑油有著明顯的影響，溫度越低，潤滑油的粘度也會越大，而溫度升高則粘度降低，一旦軸與軸瓦之間的溫度值過高，潤滑油的黏度值偏低，則潤滑效果下降明顯，所以操作時需要控制好油膜的溫度。

b測取并繪制摩擦特性曲線

在進行滑動軸承的摩擦特性測試時，我們要取值并進行曲線繪制，主要進行以下幾個步驟：

第一，將電動機打開，同樣調(diào)整轉(zhuǎn)速到達(dá)3000r/min。當(dāng)載荷加載到700N后，信號燈熄滅，等待轉(zhuǎn)速值穩(wěn)定不再變化，開始慢慢減速操作。第二，把軸承轉(zhuǎn)速在3000r/min、載荷加載到700N時刻的摩擦力大小記下來，做好筆錄工作。第三，軸承減速時，將轉(zhuǎn)速每次調(diào)整降低10r/ min，直到歸零，且保持載荷數(shù)值在700N不變，記錄下每次降速的摩擦力數(shù)值變化。第四，用旋轉(zhuǎn)加載桿卸載作用力，使電動機轉(zhuǎn)速降低至停止，最終信號燈完全亮起。第五，以試驗數(shù)據(jù)為參考，根據(jù)比例進行摩擦特性的曲線繪制，主要為摩擦力和轉(zhuǎn)速的數(shù)值。

同樣地，滑動軸承的摩擦特性曲線的實際測試結(jié)果同仿真圖基本相符。我們可以發(fā)現(xiàn)，在電動機啟動的時候，摩擦因素是最大的，當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，額定狀態(tài)下摩擦因數(shù)是最小的。隨后卸載的時候，每次操作都會造成摩擦因素增加，當(dāng)軸徑旋轉(zhuǎn)的時候，潤滑油也在旋轉(zhuǎn)，可以看作是油膜受到了剪切，進而對軸徑產(chǎn)生阻力，從而摩擦生熱。

滑動軸承油膜壓力測量與計算

我們可以基于Matlab和軸承外載荷力理論來進行滑動軸承的油膜壓力測量，并使用雷諾方程進行計算。根據(jù)潤滑油的黏性特點，以黏性流體動力學(xué)為基本方程，具體方程為：

其中，φ=x/R，λ=2z/B，R和B為軸承的半徑與寬度。在進行計算時，我們使用的算法如下所示：

計算時的推導(dǎo)過程中使用超松弛迭代法求解，ω便是超松弛因子，取值范圍在1和2間，用算法可得到油膜壓力的分布計算結(jié)果。在計算的過程中，需要注意雷諾邊界條件，即壓力起點：

壓力終點：

在運算上，使用的是基于Matlab數(shù)值分析的軟件進行求解，其中，量綱一化的公式為：

W代表了量綱一承載力，F(xiàn)w是給定的承載力的數(shù)值。由于計算中沒有偏心率和偏位角的值，因此需要對初始值進行計算。在模型計算中，偏心率初始值為0.5，偏位角的初始值為20°，在使用軟件計算后，迭代的次數(shù)并不多，通常在10次以內(nèi)。測量與計算具有較強的可行性。

由于滑動軸承中存在著一定厚度的油膜，因此我們基于潤滑理論，在數(shù)學(xué)模型下的計算結(jié)果和實際的油膜邊界情況有很大的出入，而通過本文的PVDF壓電薄膜傳感器的使用，對滑動軸承的油膜壓力測量更貼近實際效果，在實際的測量分析中有較強的可行性和操作性。

參考：

［1］劉浩.滑動軸承試驗裝置開發(fā)與油膜壓力測量［D］.山東大學(xué)，2007.

［2］吳卓，董永樂. 計入表面粗糙度的滑動軸承油膜壓力分析［J］.礦山機械，2014（05）.