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

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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過程，并在坐標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值，得出所對應的滑動軸承上的載荷數值。同時，闡述了具體的滑動軸承油膜壓力測量與計算過程。滑動軸承；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，會根據已知的一些參數，如油膜粘度值、偏心率、軸頸轉速值、供油壓力值等數據，在理論計算的基礎上，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，甚至有可能會出現一些運算結果同實際運行不符的狀況，將高分子材料PVDF應用于滑動軸承動態油膜壓力測量中，可以獲得更加精確測量的試驗數據，反應實際情況。

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，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數據信息。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，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→數據采集→計算機

在測試臺的操縱板上，可以檢測軸承的轉速和載荷情況，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據，根據傳感器傳回的數據所繪制的曲線形狀由此發生不同變化。另一方面，徑向的滑動軸承會根據軸承特性的系數變化而改變自身的摩擦因數，二者之間成正比例關系。

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來判斷滑動軸承的摩擦狀態，當信號燈很亮的時候，軸承并沒有轉動；而當軸承開始低速轉動時，會看到信號燈閃爍，出現忽亮忽暗的情況，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，當軸與軸瓦與這些凸起接觸后，便出現了信號燈閃爍的情況。接著，軸承繼續轉動，當軸的轉速達到了一定數值后，此時潤滑油已經在軸與軸瓦間充滿，且油膜的厚度明顯增加，這就導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為薄膜承受應力，Fj是薄膜承受外力，dij是薄膜的雅典應變常數。

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數據采集系統，輸出信號為300Hz的正弦信號。數據通過USB串口通信，使用VB.NET編程，到計算機進行數據處理。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，調整軸的旋轉速度值到3000r/min，這時電動機開始從靜止狀態進入到運動狀態。接著我們可以觀察到，隨著轉速的變化，信號燈的明暗度也逐漸發生變化，開始閃爍。當信號燈熄滅不亮時，說明軸與軸瓦之間的油膜已經夠厚了，這時的滑動軸承進入到完全的液體潤滑狀態。

第二，通過旋轉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，待壓力值穩定，即我們在壓力傳感器上獲取到的壓力值的數據穩定后，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，使用旋轉加載桿卸載作用力，讓電動機轉速逐漸降低至停止，此時信號燈完全亮起。

根據試驗所得的數據我們可以知道，油膜壓力分布的實際測量結果同仿真圖基本相符，即載荷的數值越大，則油膜承受的壓力值就越大，兩者為正比關系。當軸和軸瓦之間的潤滑油足夠時，摩擦力會減小；同時在軸承轉動過程中，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，同樣調整轉速到達3000r/min。當載荷加載到700N后，信號燈熄滅，等待轉速值穩定不再變化，開始慢慢減速操作。第二，把軸承轉速在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，將轉速每次調整降低10r/ min，直到歸零，且保持載荷數值在700N不變，記錄下每次降速的摩擦力數值變化。第四，用旋轉加載桿卸載作用力，使電動機轉速降低至停止，最終信號燈完全亮起。第五，以試驗數據為參考，根據比例進行摩擦特性的曲線繪制，主要為摩擦力和轉速的數值。

同樣地，滑動軸承的摩擦特性曲線的實際測試結果同仿真圖基本相符。我們可以發現，在電動機啟動的時候，摩擦因素是最大的，當電動機的轉速穩定后，額定狀態下摩擦因數是最小的。隨后卸載的時候，每次操作都會造成摩擦因素增加，當軸徑旋轉的時候，潤滑油也在旋轉，可以看作是油膜受到了剪切，進而對軸徑產生阻力，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。根據潤滑油的黏性特點，以黏性流體動力學為基本方程，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，Fw是給定的承載力的數值。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，迭代的次數并不多，通常在10次以內。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，在數學模型下的計算結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與油膜壓力測量［D］.山東大學，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）.