滑动轴承试验机实验及改进设计.docx

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滑动轴承试验机实验及改进设计

本科毕业论文（设计）

（2013届）

题目：

滑动轴承试验机实验及改进设计

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XXX教务处制

学位论文原创性声明

兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。

本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。

本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。

声明人（签名）：

年月日

滑动轴承试验机实验及改进设计

摘要：

滑动轴承是指在滑动摩擦下工作的轴承。

在液体润滑条件下，滑动表面因被润滑油分开而并不直接接触，可以很大程度减小摩擦损失和表面磨损，油膜还能吸振。

ZCS-Ⅱ液体动压轴承实验台可用来观察滑动轴承的结构，做有关油膜压力和摩擦特性的实验，测定其摩擦特性曲线。

但润滑油的润滑性能受温度变化影响，研究和设计滑动轴承试验机的温控装置，使得润滑油保持恒温状态具有现实意义。

本设计依据国内外滑动轴承试验机的常用技术，提出了对滑动轴承试验机温控装装置的设计。

首先通过收集资料弄清楚滑动轴承试验机的主要结构形式及其特点；然后做它的油膜压力仿真与测试实验，分析实验结果。

再确定试验机参数和设计要求选择温控器和温度传感器，并自行设计加热装置，组合成满足要求的温控装置。

最后得到试验机的二维总装配图，以及加载装置、主轴、轴瓦、压力传感器等关键零部件的零件图。

关键词：

滑动轴承；试验机；温升装置；实验；润滑油

Slidingbearingtestingmachineexperimentandimprovement

LiGuiyong（20906071030）DirectorYangXianqi（Professor）

（Dept.ofelectricalandinformationengineering,HuangshanUniversity,Mechanicaldesignmanufacturingandautomation）

Abstract：

Slidingbearingisreferstotheworkunderslidingfrictionbearings.Inliquidlubricationcondition,theslidingsurfacebylubricatingoilwithoutdirectcontact,cangreatlyreducethefrictionlossandwearofsurfaceoilfilmcanabsorb.ZCS-Ⅱliquiddynamicpressurebearingtestbenchcanbeusedtoobservethestructureoftheslidingbearing,doexperimentontheoilfilmpressureandfrictionproperties,determinationofthefrictioncharacteristicscurve.Butthelubricatingoillubricationperformanceaffectedbytemperaturechange,researchanddesignofslidingbearingtestingmachinetemperaturecontroldevice,lubricatingoiltokeepconstanttemperaturestatehasarealisticsignificance.

Thisdesignbasedonthecommontechniqueofslidingbearingtestingmachineathomeandabroad,proposedtotheslidingbearingtestingmachinetemperaturecontroldevicedesign.Throughcollectingthedatafirstknowslidingbearingtestingmachine'smainstructureanditscharacteristics;Andthendothesimulationandtestoftheoilfilmpressureexperiment,theanalysisofexperimentalresults.Testingmachineparametersanddesignrequirementsagain,choiceofthermostatandtemperaturesensordesignedheatingdevice,andmeettherequirementsoftemperaturecontroldevice.Finallygettestertwo-dimensionalgeneralassemblydrawing,andloadingdevice,spindle,bearings,pressuresensorandotherkeycomponentsofpartdrawing.

KeyWords：

slidingbearing；testingmachine；temperatureriseofdevice；experiment；lubricatingoil

1概述

改革开放以后，我国轴承工业得到了一个崭新、高速的发展时期，取得了举世瞩目的辉煌成就。

但与发达国家相比，还存在着较大差距，我国的轴承行业制造技术水平还比较低。

随着各种旋转机械的转速不断提高、载荷不断加大、工作环境日益复杂，对滑动轴承性能要求越来越高。

目前国内外学者和专业生产企业都致力于发展动载轴承的专用试验台和试验技术，并已先后开发了多种型号的轴承试验机。

但是实际工业生产中滑动轴承的运行状况差别很大，现有的滑动轴承试验台更是不能满足所有机械在其工作情况下滑动轴承的测试工作。

因此，其测试往往需要专门设计的滑动轴承试验台。

ZCS-Ⅱ液体动压轴承实验台采用自动检测系统对各机械参数进行信号采集、分析，能够反映各种性能参数的变化情况，并自动绘制滑动轴承多项特征曲线。

利用它来做关于滑动轴承的实验．做有关油膜压力和摩擦特性的实验，并测定其摩擦特征曲线。

实验台系统先进、重量轻、体积小、运行平稳可靠，是一种新型轴承实验台。

1.1课题研究的目的和意义

随着科学技术的发展，轴承产品越来越多，对轴承试验的要求更是越来越高，人们也越来越认识到轴承试验的重要性。

轴承试验是轴承设计制造中一个重要的验证过程。

它把质量风险控制在轴承企业内部，而不把用户当试验场的重要手段。

通过对该课题的研究可以有以下作用：

（1）培养自己运用所学知识独立完成课题的工作能力。

（2）对自己的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、外语水平、计算机操作水平、语言表达能力有一定的提高。

（3）使得自己对于滑动轴承及其试验机原理有更高的认识，提高专业知识，为将来参加工作做铺垫。

（4）在滑动轴承试验机的研究方面积累了一定的经验，给做相关研究的人员有一些参考。

1.2本课题在国内外的研究现状

目前，轴承试验的种类有以下几种：

轴承寿命试验、轴承性能试验、轴承零部件试验、轴承材料试验、轴承设计验证试验、强化试验等。

轴承寿命试验是确定轴承疲劳寿命的试验。

轴承性能试验是考核轴承的某种特殊性能，例如极限转速试验、载荷试验、润滑性能试验、温升试验、高温试验、低温试验等。

轴承零部件试验是对轴承的钢球、滚子、密封圈零部件进行的试验。

轴承强化试验是一种寿命试验，也就是给定试验轴承载荷比较大，能够达额定载荷的0.5倍以上。

通过这种方法来缩短试验时间。

轴承设计验证试验是根据轴承实验数据，例如温升、振动、噪音等，提出改进意见。

2轴承试验机常用技术

2.1试验机主体

试验轴承、轴系及支撑部分构成了试验机的主体部分，，试验机的最高转速和所能过承受的最大载荷由这些结构的优劣决定的，轴系的精度也决定了试验机的精度，进而决定了试验机试验数据的准确度。

所有试验机试验的轴承大小都是有一定范围的，结构设计的主要目的是解决转速、载荷和轴承尺寸范围的矛盾。

桥式结构：

主要用于轴承寿命实验机、试验角接触轴承和圆锥滚子轴承。

其特点为加工精度高，适用于高转速轴承试验。

悬臂结构：

每次只能试验一套轴承，拆装和测试都很方便，通常用于润滑油润滑状态测试、润滑油油膜厚度测试以及内圆温度测试等，主要用于轴承的性能试验。

组合式结构：

这是桥式结构的一种，在方箱内有三个活动的方块，在一定范围内试验轴承的跨距都可以调节。

其结构紧凑，试验范围较大。

因为没有固定支撑试验轴承的衬套，故转速较低。

当转速过高后，试验机振动会很大，进而影响试验机试验效果

2.2测试技术

试验机的关键技术包括测试技术，实验数据的准确性直接由它性能的优劣所决定。

随着现代科技的发展，测试技术发展很快，计算机测试是现阶段常用的测试方式，把接口电路测试频率安装在计算机和传感器之间，实验精度由计算机和传感器所确定。

单片机测试：

该测试方法简单、成本很低，不过内存比较小，如果对数据要求比较高不能采用这种系统。

计算机直接测：

它是由传感器、滤波器、A/D转换和计算机组成。

能够记录轴承的全部试验数据和存储大量信息，可以按要求任意设置记录间隔记录间隔。

不过受CPU的限制，采样频率比较低，每秒钟采样低于一百次，如果需要更高的采样频率，CPU会停止其他工作，在一些时间段内采样频率每秒能够高达几千次。

采样精度根据A/D采集卡的位数确定，通常高于百分之零点一。

2.3测试参数

温度测试：

通常测试试验轴承的外圈温度，也有测试试验轴承的供油、回油温度。

轴承温度是轴承试验机很重要的参数，轴承温升的高低是判断轴承质量好坏的重要参数之一。

因为温度变化缓慢，所以测试频率要求不是很高，测试精度一般为1%，要求较高的场合达0.5%或更高亦可，一般轴承的外圈温度测试范围在0-200℃。

载荷测试：

试验轴承的载荷是试验机测试的主要参数之一。

其准确度的高低轴承的试验结果有直接影响，测试汽车轮毂轴承试验机的载荷，一般采用力传感器直接测试。

因为轮毂轴承试验机为变载荷系统，所以测试频率、响应速度都要高于载荷的变化速度。

否则测试误差会达到30%以上。

因为变载荷加载系统采用的是闭环控制系统，所以测试精度和响应速度对加载精度都有着非常重要的作用。

振动测试：

振动参数是判定轴承是否失效的主要参数之一。

GB/T24607-2009标准《滚动轴承寿命及可靠性试验与评定》中规定：

疲劳失效是轴承的主要失效形式，疲劳失效指轴承样品的套圈式滚动体工作表面基体金属出现的疲劳剥落。

剥落深度≥0.05mm，剥落面积球轴承零件>0.5mm2，滚子轴承零件≥1.0mm2。

所以测试振动信号的精度和灵敏度至关重要，以便在轴承试验过程中能过准确判断轴承失效的最佳时机，很好地保留疲劳失效样本，为进一步分析奠定良好的基础。

2.4加载技术

载荷是试验机的重要指标，它的加载精度和加载速度决定了试验结果的准确度，精度和速度的不同对加载系统价格的影响很大。

常用的加载方法有有以下几种。

杠杆砝码加载：

其结构简单，成本低，不需要载荷传感器测试，根据加载砝码可以确定载荷的大小。

不适合高速，速度过高会导致砝码振动，进而载荷不稳，变载荷不方便，适用于寿命试验。

弹簧加载：

弹簧的大小和弹簧的压缩量决定载荷的大小，加载范围小，所占空间较大，成本较低，适用于特殊试验。

液静压加载：

也称手动螺旋液压加载。

通过手动调节小液压缸的压力达到控制试验机油缸的压力进行加载，加载方式简单、无噪声，但受温度影响较大，精度较低，适用于寿命试验，在环境温度变化时要人工调节。

开机第一小时内要时刻注意试验机温度变化情况和压力变化情况，随时调节压力。

2.5驱动技术

三相异步电动机驱动：

主要由电机、变频器、同步带和传动组件组成，采用变频调速电机，转速通常在10000转/分以内，开环系统调速精度一般在2%以内，调速范围为1：

10。

因为电机调速为恒转矩调速，试验机工作时的调速方式为恒功率调速，要使电机满足试验机的调速方式，还要采用其他措施，如提高电机功率或更换皮带轮。

电主轴直接驱动：

当轴承试验机的转速要求很高，超过10000转/分速时，可采用电主轴直接驱动。

电主轴直接驱动系统由电主轴、变频器、转速传感器和润滑冷却器组成。

转速通常在10000—70000转/分，如果要求转速的稳定性，采用转速闭环调速系统，调速精度0.5%，调速范围达到1：

20。

伺服电机驱动：

当试验轴承的调速范围要求超过1：

50时，应采用伺服电机驱动，由伺服电机、驱动器、编码器组成的驱动系统；调速范围较宽，转速控制精度较高，可达0.05%，成本较高，最高转速达10000转。

3ZCS-Ⅱ液体动压轴承实验台实验

3.1试验机实验仪器、系统组成以及主要参数

实验仪器的部件主要有电机、皮带、摩擦力传感器、压力传感器、轴瓦、加载传感器、主轴、油槽、底座、面板以及调速旋钮组成。

如图3-1。

图3-1ZCS-Ⅱ液体动压轴承试验机

ZCS-Ⅱ液体动压轴承试验机主要用于机械设计中液体动压滑动轴承实验，主要用它来观察滑动轴承的结构、测量其径向、轴向油膜压力分布、测定其摩擦特性曲线。

其主要技术参数如下：

（1）轴瓦内直径：

d=70mm

（2）有效长度：

B=125mm

（3）加载范围：

W=0~2000N

（4）主轴调速范围：

0~500rpm

（5）加载传感器里程：

0~2000N，精度：

0.05%

（6）油膜压力传感器里程：

0~1MPa，精度：

0.3%

（7）摩擦力传感器里程：

0~60N，精度：

0.05%

（8）电机额定功率：

P=400w

（9）电源：

220W交流/50HZ

（10）外形尺寸：

600×430×500（mm）

（11）重量：

65kg

3.2油膜压力仿真与测试

3.2.1实验操作系统界面介绍

如图3-2所示，该窗体界面主要由菜单、图形显示区、参数情况显示区和功能按钮条等四大块组成。

在图形显示区中，上部分显示的是滑动轴承压力分布实测曲线。

其左边表示的是滑动轴承上通过7个压力传感器测出周向油膜分布，右边是将其压力值在坐标轴描绘出来；下部分显示的是滑动轴承压力分布理论曲线。

其左边表示的是已知外加载荷和轴承转速情况下通过理论计算得到的周向油膜分布，右边同样是将其压力值在坐标轴上描绘出。

图3-2实验操作系统界面

在参数情况显示区中，“油膜压力采集”下的7个文本框显示的是滑动轴承上7个压力传感器采集返回的数值；“机构参数”显示的是本轴承实验台的一些基本参数情况，如轴承直径、润滑油粘度等；“串口选择”是选择轴承实验台与计算机的通讯端口，有COM1和COM2两种情况；“实验参数”记录的是轴承实验台的一些工作参数，如实验者施加的工作载荷、要求的轴承转速，另外本实验台还安装了两个温度传感器用以测量进油口和轴承中心位置处的油膜温度情况。

“结果显示”显示了轴承设计和使用时需考虑的重要参数，如轴承平均压力值不能超过它的许用压力值；轴承发热量与它的pv值有关，限制pv值就是限制了轴承的温升。

底部的功能按钮可看其提示文字。

3.2.2油膜压力仿真与测试实验

在开机做实验之前必须首先完成以下几点操作，否则容易影响设备的使用寿命和精度。

（1）在开电机转速之前请确认载荷为空，即要求先开转速再加载

（2）在一次实验结束后马上又要重新开始实验时请用轴瓦上端的螺栓旋入顶起轴瓦将油膜先放干净，同时在软件中要重新复位（这很重要！

！

），以确保下次实验数据准确。

（3）由于油膜形成需要一小段时间，所以在开机实验或在变化载荷或转速后请待其稳定后（一般等待个5~10s即可）再采集数据。

（4）在长期使用过程中请确保实验油的足量、清洁；油量不足和不干净都会影响实验数据的精度。

进入实验界面后，首先选择通讯口串口1或者串口2，在开始加载和电机转速之前必须先让软件载入实验台的初始状态，保证后面实验结果的准确性（该步骤不可缺少，否则数据结果不可预测）。

在确定机构工作稳定后点击按键“采集”将数据采集进来（总共12个数据，它们是7个油膜压力值，1个外加载荷值，1个转速值和1个计算摩擦力矩的压力值）。

当数据采集完成后就可以进行油膜压力分析了，点击“实测曲线”作出测得的7个压力值曲线；点击“理论曲线”作出理论压力曲线，可对两者进行比较。

同时也可手动改变7点压力值的大小或载荷、转速值再观察曲线的变化。

点击按键“结果显示”会将相应的结果值显示在结果显示框中。

由于油膜压力并不是一开始就能较规则地形成，在载荷或速度变化后油膜会有不规则的变化，此属正常现象。

若发现在稳定较长时间后仍不规则，可以通过再次加载或减载来波动油膜以促使其趋于合理。

由于在较高转速和载荷情况（一般240rpm和1300N以上）下，得到的实验数据会较低载荷、低转速状态下理想，所以实验时转速在250rpm~450rpm之间间隔50rpm取一次，共5组；载荷在1500N~1900N之间间隔100N取一次，共5组。

3.2.3实验数据及分析

1）压力变化实验

当转速为370rpm，压力在1500~1900N之间每隔100变化一次，实验结果如下所示。

当转速为370rpm，转速为1500N，如图3-3。

图3-3

当转速为370rpm，转速为1600N，如图3-4。

图3-4

当转速为370rpm，转速为1700N，如图3-5。

图3-5

当转速为370rpm，转速为1800N，如图3-6。

图3-6

当转速为370rpm，转速为1900N，如图3-7。

图3-7

2）转速变化实验

当压力为1900N，转速在250~370rpm之间每隔30rpm变化一次，实验结果如下所示。

当压力为1900N，转速为250rpm，如图3-8。

图3-8

当压力为1900N，转速为280rpm，如图3-9。

图3-9

当压力为1900N，转速为310rpm，如图3-10。

图3-10

当压力为1900N，转速为340rpm，如图3-11。

图3-11

当压力为1900N，转速为370rpm，如图3-12。

图3-12

主要实验数据如表3-1、3-2。

表3-1压力变化实验

载荷压力值（N）

1500

1600

1700

1800

1900

轴承平均压力（

）

0.17

0.18

0.19

0.20

0.22

轴承PV值（

）

0.23

0.25

0.26

0.28

0.30

最小油膜厚度（

）

3.300

3.288

3.268

3.260

3.240

表3-2转速变化实验

轴承转速（rpm）

250

280

310

340

370

轴承平均压力（

）

0.22

0.22

0.22

0.22

0.22

轴承PV值（

）

0.20

0.23

0.25

0.27

0.30

最小油膜厚度（

）

3.064

3.107

3.140

3.209

3.240

由以上实验可以得到：

轴承平均压力随载荷压力的不断变大而变大，轴承PV值随载荷压力的不断变大而变大，随转速的不断变大而变大；最小油膜厚度随载荷的增大而逐渐减小，随转速的逐渐增大而增大。

4ZCS-Ⅱ液体动压轴承实验机的改进

4.1ZCS-Ⅱ液体动压轴承实验机改进方案

润滑油的温度对其润滑效果有很大影响，进而影响实验效果，所以实验中控制润滑油的温度对实验效果至关重要。

我们设想用热电阻、传感器、温控器等元件对润滑系统进行控制，通过调节温控仪控制面板上的温度控制按钮，按照轴承实验温度的要求设置润滑油温度，将润滑油加热，最后使实验轴承周围介质的温度达到实验的要求。

4.2温控器的选择

1）温控器输出控制功率

温控器输出控制功率是选择温控器首先要考虑的问题，这关系到使用安全、稳定，如果选择不当有可能造成严重后果。

温控器产品都标注有输出控制电压和电流，把输出控制电压和电流相乘，就可以得到输出控制功率。

被控制的设备的运行功率必须小于温控器的输出控制功率。

否则将损坏温控器，严重的会引起火灾！

一般被控制设备的功率小于温控器输出控制功率的90%，留有10%的余量，这样可以保证温控器的可靠运行。

2）温控器输入输出功率的选择

首先要保证输入电压和允许输入电压保证一致。

对于交流电没有过多要求，主要是用直流电供电时，一定要注意正负极接线，不能把线接反了，否则会烧坏温控器。

所以选用交流供电的温控器。

还有一点是要提出来的，就是有的温控器不支持直流电的通断，或者能通断的直流电压较小。

3）温控器精度的选择

选用温控器时，还要考虑温控器精度的要求。

由于我们的测量环境、测量对象的限制，我们需要控制的温度范围在1度。

4）温控器数显方式的选择

市售温控器主要有机械式和电子式两种，如下图4-1、4-2。

图4-1机械式温控仪图4-2电子式温控仪

相比机械式，电子式温控器具有操作界面人性化，操作直观简单等特点，所以我们选用电子式的温控器。

综上所述，我们选择由厦门宇电自动化科技有限公司生产的AI人工智能温度控制仪AI--708。

产品如下图4-3。

图4-3AI-708人工智能温控仪

5）AI--708人工智能温度控制器技术规格

（1）热电偶：

S

（2）线性电压：

0~5V

（3）线性电阻：

0~80欧

（4）测量范围：

S（0~1700℃）

（5）线性输入：

-9990~+3000根据需要自定义

（6）测量精度：

0.2级（0.2%FS±0.1℃）

（7）分辨率：

选择按1℃显示

（8）输出规格：

继电器触点开关输出（常开+常闭）：

250VAC/1A

线性电流输出4~20mA

（9）电源：

100~240VAC，-15%，+10%/50~60Hz

（10）电源消耗：

≤5W

（11）使用环境：

温度-10~+60℃；湿度≤90%RH

（12）面板尺寸：

96×96mm

6）操作面板（如下图4-4）说明

图4-4AI-708操作面板

①上显示窗

②下显示窗

③设置键

④数据移位（兼手动/自动切换）

⑤数据减少键

⑥数据增加键

⑦10个LED指示灯，其中MAN灯灭表示自动控制状态，亮表示手动输出状态；PRG表示仪表处于程序控制状态；M2、OP1、OP2、AL1、AL2、AU1、AU2等分别对应模块输入输出动作；COM灯亮表示正与上位机进行通讯。

4.3温度传感器的选择

温度传感器是指能感受温度并将其转换成可用输出信号的传感器。

温度传感器是整个温控装置的重要组成部分。

按照温度传感器使用的材料及其电子元件的特性可分为热电阻和热电偶两类。

1）选择测量范围和精度

实验室室内空气温度在25℃左右，ZCS-Ⅱ液体动压轴承试验台内润滑油温度在15℃以上，实验中随着轴承的快速运转会