滑動(dòng)軸承油膜壓力分析與測(cè)量探究

撰文/李必相 沈敬之

■318000 中車集團(tuán)臺(tái)州第七八一六工廠

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滑動(dòng)軸承油膜壓力分析與測(cè)量探究

撰文/李必相 沈敬之

■318000 中車集團(tuán)臺(tái)州第七八一六工廠

本文使用滑動(dòng)軸承測(cè)試臺(tái)，運(yùn)用PVDF壓電薄膜傳感器，測(cè)定油膜的各個(gè)點(diǎn)的壓力分布情況，觀察油膜形成的動(dòng)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(diǎn)的壓力數(shù)值，得出所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)軸承上的載荷數(shù)值。同時(shí)，闡述了具體的滑動(dòng)軸承油膜壓力測(cè)量與計(jì)算過程?；瑒?dòng)軸承；油膜壓力；測(cè)量

通常我們?cè)诨瑒?dòng)軸承油膜壓力的分布計(jì)算中，會(huì)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(jì)算的基礎(chǔ)上，使用仿真軟件進(jìn)行計(jì)算即可。但是在實(shí)際中，這種計(jì)算方法存在著較大的誤差，甚至有可能會(huì)出現(xiàn)一些運(yùn)算結(jié)果同實(shí)際運(yùn)行不符的狀況，將高分子材料PVDF應(yīng)用于滑動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)油膜壓力測(cè)量中，可以獲得更加精確測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，反應(yīng)實(shí)際情況。

滑動(dòng)軸承測(cè)試臺(tái)概述

進(jìn)行滑動(dòng)軸承油膜壓力測(cè)試的平臺(tái)，如圖1所示，除去T型基座包括的操控板、電動(dòng)機(jī)、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(jī)拖動(dòng)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(dòng)軸承裝有力傳感器，其作用主要是測(cè)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(gè)方向，長(zhǎng)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(shí)，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(cè)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(cè)試原理上，可以通過簡(jiǎn)單的流程展示：

信號(hào)發(fā)生器→功率放大器→激振器→實(shí)驗(yàn)臺(tái)→力傳感器/壓電薄膜傳感器→數(shù)據(jù)采集→計(jì)算機(jī)

在測(cè)試臺(tái)的操縱板上，可以檢測(cè)軸承的轉(zhuǎn)速和載荷情況，加載載荷不同，測(cè)試臺(tái)承受的壓力值也會(huì)不一樣，因此壓力傳感器會(huì)檢測(cè)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(dòng)軸承會(huì)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(dòng)軸承測(cè)試臺(tái)

工作人員可通過測(cè)試臺(tái)上的信號(hào)燈顯示狀態(tài)來判斷滑動(dòng)軸承的摩擦狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)燈很亮的時(shí)候，軸承并沒有轉(zhuǎn)動(dòng)；而當(dāng)軸承開始低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)看到信號(hào)燈閃爍，出現(xiàn)忽亮忽暗的情況，這是由于潤滑油進(jìn)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(huì)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(hào)燈閃爍的情況。接著，軸承繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到了一定數(shù)值后，此時(shí)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(shí)信號(hào)燈則會(huì)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(dòng)軸承油膜壓力測(cè)試分析

a測(cè)取并繪制滑動(dòng)軸承油膜壓力分布圖

在進(jìn)行滑動(dòng)軸承的油膜壓力分布的測(cè)試時(shí)，采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輸出信號(hào)為300Hz的正弦信號(hào)。數(shù)據(jù)通過USB串口通信，使用VB.NET編程，到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。我們要對(duì)其壓力分布取值并繪制分布圖，主要通過以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

第一，把電動(dòng)機(jī)打開，調(diào)整軸的旋轉(zhuǎn)速度值到3000r/min，這時(shí)電動(dòng)機(jī)開始從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。接著我們可以觀察到，隨著轉(zhuǎn)速的變化，信號(hào)燈的明暗度也逐漸發(fā)生變化，開始閃爍。當(dāng)信號(hào)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(shí)的滑動(dòng)軸承進(jìn)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(jìn)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?cè)趬毫鞲衅魃汐@取到的壓力值的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，按照順序記錄下七個(gè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低至停止，此時(shí)信號(hào)燈完全亮起。

根據(jù)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)我們可以知道，油膜壓力分布的實(shí)際測(cè)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(shí)，摩擦力會(huì)減??；同時(shí)在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，潤滑油會(huì)帶走一些熱量。溫度對(duì)潤滑油有著明顯的影響，溫度越低，潤滑油的粘度也會(huì)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(shí)需要控制好油膜的溫度。

b測(cè)取并繪制摩擦特性曲線

在進(jìn)行滑動(dòng)軸承的摩擦特性測(cè)試時(shí)，我們要取值并進(jìn)行曲線繪制，主要進(jìn)行以下幾個(gè)步驟：

第一，將電動(dòng)機(jī)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(hào)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(shí)刻的摩擦力大小記下來，做好筆錄工作。第三，軸承減速時(shí)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低至停止，最終信號(hào)燈完全亮起。第五，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參考，根據(jù)比例進(jìn)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(dòng)軸承的摩擦特性曲線的實(shí)際測(cè)試結(jié)果同仿真圖基本相符。我們可以發(fā)現(xiàn)，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，摩擦因素是最大的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)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(shí)候，每次操作都會(huì)造成摩擦因素增加，當(dāng)軸徑旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，潤滑油也在旋轉(zhuǎn)，可以看作是油膜受到了剪切，進(jìn)而對(duì)軸徑產(chǎn)生阻力，從而摩擦生熱。

滑動(dòng)軸承油膜壓力測(cè)量與計(jì)算

我們可以基于Matlab和軸承外載荷力理論來進(jìn)行滑動(dòng)軸承的油膜壓力測(cè)量，并使用雷諾方程進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)潤滑油的黏性特點(diǎn)，以黏性流體動(dòng)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(jìn)行計(jì)算時(shí)，我們使用的算法如下所示：

計(jì)算時(shí)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(jì)算結(jié)果。在計(jì)算的過程中，需要注意雷諾邊界條件，即壓力起點(diǎn)：

壓力終點(diǎn)：

在運(yùn)算上，使用的是基于Matlab數(shù)值分析的軟件進(jìn)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(jì)算中沒有偏心率和偏位角的值，因此需要對(duì)初始值進(jìn)行計(jì)算。在模型計(jì)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(jì)算后，迭代的次數(shù)并不多，通常在10次以內(nèi)。測(cè)量與計(jì)算具有較強(qiáng)的可行性。

由于滑動(dòng)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(jì)算結(jié)果和實(shí)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(duì)滑動(dòng)軸承的油膜壓力測(cè)量更貼近實(shí)際效果，在實(shí)際的測(cè)量分析中有較強(qiáng)的可行性和操作性。

參考：

［1］劉浩.滑動(dòng)軸承試驗(yàn)裝置開發(fā)與油膜壓力測(cè)量［D］.山東大學(xué)，2007.

［2］吳卓，董永樂. 計(jì)入表面粗糙度的滑動(dòng)軸承油膜壓力分析［J］.礦山機(jī)械，2014（05）.