【正文】 命一直是人們所關(guān)注的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的軸承企業(yè)和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。為了對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研 究，對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行試驗(yàn)并測(cè)量軸承運(yùn)行時(shí)的參數(shù)是必不可少的。通過(guò)滑動(dòng)軸承試驗(yàn)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，可為滑動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。 建國(guó)以來(lái)，經(jīng)過(guò)一代人的艱苦奮斗，我國(guó)的航空工業(yè)飛速發(fā)展，尤其是近十年來(lái)的發(fā)展尤為矚目。但在取得成績(jī)的同時(shí)，更要看到差距，我國(guó)的工業(yè)基礎(chǔ)仍然十分薄弱，絕大部分技術(shù)與國(guó)外有較大差距，很多關(guān)鍵技術(shù)還沒有實(shí)現(xiàn)零的突破。航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)被稱為工業(yè)上的明珠，代表著一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的最高標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)上的每一個(gè)零件不僅關(guān)系到整個(gè)飛機(jī)的性能，還影響著飛機(jī)的安全性，因此每個(gè)零件都必須要求 有很高的可靠性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵上的滑動(dòng)軸承支撐著一對(duì)泵油齒輪，齒輪轉(zhuǎn)速非常快，受到的載荷非常大，潤(rùn)滑條件比較惡劣，如果一旦在工作過(guò)程中滑動(dòng)軸承發(fā)生嚴(yán)重磨損甚至是由于潤(rùn)滑不足而導(dǎo)致軸承卡死，將會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)供油不足甚至是停止供油，進(jìn)而導(dǎo)致飛機(jī)動(dòng)力不足，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)發(fā)生安全事故。因此必須對(duì)燃油泵滑動(dòng)軸承進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，分析其性能和工作可靠性，為滑動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高工作可靠性提供理論依據(jù)。 本課題以航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵上的滑動(dòng)軸承為測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)一臺(tái)可測(cè)試油膜壓力分布、溫度分布、軸心軌跡和摩擦轉(zhuǎn)矩的滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái) 。隨著航空工業(yè)大發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵滑動(dòng)軸承性能的研究受到廣大專家和學(xué)者的重視，但是由于工作環(huán)境比較特殊，一般的滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法滿足其測(cè)試要求。在此背景下，本文將根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵工作的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出能滿足其測(cè)試要求 4 的滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部分。該滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)最大轉(zhuǎn)速為 min/15000r ，最大載荷 N15000 ,能在不同的潤(rùn)滑條件下測(cè)量出滑動(dòng)軸承的油膜壓力分布、溫度分布、軸心軌跡等參數(shù)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵滑動(dòng)軸承性能的研究和改進(jìn)提供依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)的研究現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展 ，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種試驗(yàn)系統(tǒng)也向著智能化、高精度方向發(fā)展。傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承試驗(yàn)系統(tǒng)中普遍采用機(jī)械加載，儀表測(cè)量，需要人工讀取數(shù)據(jù)，具有人為誤差大，數(shù)據(jù)處理工作量大的缺點(diǎn)。 現(xiàn)在的新型滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)一般用液壓加載，集成控制系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn) (CAT)技術(shù)，具有友好的人機(jī)界面，能從試驗(yàn)中直接提取信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的。它不僅能完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集工作，還能進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理并在PC 機(jī) 上實(shí)時(shí)顯示摩擦系數(shù)與滑動(dòng)軸承特性系數(shù)曲線、油膜壓力分布曲線、油膜承載能力曲線。此類滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)種類很多 ，功能也有所不同， 如 圖 所示的為 湖南嘉銳科教儀有限公司生成的滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái) 。 。 圖 新型滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái) 滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)用于機(jī)械計(jì)課程中的液體動(dòng)壓軸承實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要利用它來(lái)觀察滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)，測(cè)量其徑向和軸向油膜壓力分布和摩擦特性曲線。哈爾濱第 5 七 O 三研究所的胡朝陽(yáng)、常山設(shè)計(jì)了一臺(tái)大型滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。試驗(yàn)臺(tái)采用了徑向試驗(yàn)軸承和推力試驗(yàn)軸承組合形式，為臥式結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)時(shí)只需 更換試驗(yàn)組件和試驗(yàn)的主軸，就可以進(jìn)行不同項(xiàng)目的試驗(yàn)。即當(dāng)試驗(yàn)推力軸承時(shí)，使用推力試驗(yàn)軸承組件與帶推力盤的試驗(yàn)主軸；當(dāng)試驗(yàn)徑向軸承時(shí)，改用徑向試驗(yàn)軸承組件和徑向試驗(yàn)主軸。兩種試驗(yàn)共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、增速齒輪箱、聯(lián)軸器和潤(rùn)滑供油系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)主要由本體部分、液壓傳動(dòng)與供油系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測(cè)與處理系統(tǒng)、電力拖動(dòng)與電氣控制系統(tǒng)等 4部分組成。 圖 大型滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái) 有關(guān)圓錐滑動(dòng)軸承的研究，傳統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)中往往采用一些近似算法，對(duì)錐角較小的圓錐軸承近似為具有平均直徑的圓柱軸承，對(duì)錐角較大的軸承按近似的推力軸承來(lái) 對(duì)待。而對(duì)其動(dòng)特性的試驗(yàn)，目前均采用二維數(shù)學(xué)模型，由于其油膜是典型的三維油膜，因此應(yīng)用二維型顯然是有誤差的。劉建中，岑少起，張少林等人從三維方法入手，對(duì)圓錐軸承動(dòng)特性、試驗(yàn)原理進(jìn)行研究。試驗(yàn)臺(tái)如圖 所示。 圖 三維滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái) 6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 及要求 本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一臺(tái)滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)，并使之可對(duì)航空燃油泵滑動(dòng)軸承在不同的轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑條件下的油膜壓力分布、溫度分布、軸心軌跡和摩擦力矩進(jìn)行測(cè)試。 被測(cè)軸承的尺寸 軸承內(nèi)徑 mmd 32? 、 軸承外徑 mmD 41? 、軸承寬度 mmB 42? ； 測(cè)試條件 最大載荷 NF 15000? 、最大轉(zhuǎn)速 min/15000rn ? ； 測(cè)試對(duì)象 （ 1） 油膜壓力分布 ； （ 2） 溫度分布； （ 3） 軸心軌跡； （ 4） 摩擦力矩。 7 2 滑動(dòng) 軸承 的作用機(jī)理 及相關(guān)參數(shù)估算 滑動(dòng)軸承動(dòng)壓形成的基本原理 關(guān)于動(dòng)壓潤(rùn)滑的油楔效應(yīng)首先由托爾發(fā)現(xiàn)的，這種現(xiàn)象是研究動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的關(guān)鍵。英國(guó)的物理學(xué)家雷諾對(duì)托爾所 揭示的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在滑動(dòng)軸承中由于軸徑的轉(zhuǎn)動(dòng)在油膜中產(chǎn)生了剪應(yīng)力， 它 把潤(rùn)滑油帶入軸 頸 和軸承之間的收斂間隙，從而產(chǎn)生了油膜壓力，并導(dǎo)出了油膜壓力分布的微分方程，奠定了流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的原始基礎(chǔ)。動(dòng)壓形成的基本原理如圖 所示： 軸和軸承兩固體表面具有楔形間隙，間隙中充滿粘性潤(rùn)滑液體，此粘性液體能吸附于兩固體表面，兩固體表面的相運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)潤(rùn)滑 液 體由間隙大端向間隙小端運(yùn)動(dòng)。如果潤(rùn)滑膜中沒有壓力，則無(wú)論在間隙大端 1 和間隙小端 2 處，流體的速度沿膜厚的分布都將成為虛線所示的三角分布，于是單位時(shí)間內(nèi)流體經(jīng)過(guò)截面1(設(shè)固體垂直圖面的寬度為 1)，流入截面 2 之間所包圍的質(zhì)量為 2/1??h ，由該空間經(jīng)截面 2 流出的質(zhì)量為 2/2??h 。此時(shí)顯然流出量大于流入量，因此截面 2 之間所包含的空間內(nèi)必然有高于入口和出口處的壓力產(chǎn)生，從而使流經(jīng)截面 1的速度小于內(nèi)凹曲線，流經(jīng)截面 2的速度分布增大為外凸的曲線，達(dá)到流量平衡，這就是動(dòng)壓形成的原理。 圖 動(dòng)壓形成原理 8 滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)相關(guān) 參數(shù)的估算 燃油泵滑動(dòng)軸承的相關(guān)參數(shù)估算 為了使設(shè)計(jì) 的試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足被測(cè)試的滑動(dòng)軸承的工況要求，更加真實(shí)的接近被測(cè)滑動(dòng)軸承的實(shí)際工作環(huán)境，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和已知條件估算出滑動(dòng)軸承的基本參數(shù)。 已知條件：最大工作載荷 NF 15000? ,最大轉(zhuǎn)速 min/15000rn ? ， 滑動(dòng)軸承內(nèi)徑 mmd 32? ，滑動(dòng)軸承寬度 mmB 42? 。 （ 1） 寬徑比： 3 1 2 ?? mmmmdB （ 2） 軸頸的圓周速度： ??? dn?? min/r （ 3） 軸承的 最大 工作壓力： ?? dBFp Pa ? （ 4） 查得 航空煤油 40 ℃時(shí) ： 動(dòng)力粘度 340 ???? sPa? , 密 度 3/808 mkg?? （ 5） 計(jì)算相對(duì)間隙 : 0 0 4 1 )60/( 39/319/4 ???? ?n? （ 6） 計(jì)算直徑間隙： mmd ??? ? （ 7） 計(jì)算承載量系數(shù)； 1 42 2 ?? BFC P ??? （ 8） 軸承偏心率 ?? （ 9） 計(jì)算軸承與軸頸的摩擦系數(shù)： ?????? ?? pf 02 3 ??? （ 10） 潤(rùn)滑油流量系數(shù) ?Bdq?? （ 11） 計(jì)算潤(rùn)滑油溫升： 查得航空煤油 40 ℃時(shí)： 密度 3/808 mkg?? ， 比熱 )/(2090 KkgJc ?? 假設(shè) 軸承的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) )/(50 2 KmWS ??? 9 則有： 0 )()/( ????????????sBdqcPft ℃ （ 12） 計(jì)算潤(rùn)滑油入口溫度： 9 7 ???? ttt mi ℃ 試驗(yàn)臺(tái) 摩擦轉(zhuǎn)矩的估算 在 設(shè)計(jì)滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)時(shí)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 時(shí)，所選則 的 電機(jī)必須滿足 能夠拖動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，且具有良好的功能性和經(jīng)濟(jì)性。因此必須 考慮試驗(yàn)臺(tái) 的摩擦阻力，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)相關(guān)部位的摩擦力 矩 按摩擦力最大的情況 進(jìn)行估算。 已知條件： ① 滑動(dòng)軸承 ： 摩擦系數(shù) ?f ，載荷 NF 7500? , 軸頸直徑 mmd 321 ? 。 ② 滾動(dòng)軸承：摩擦系數(shù) ?f ，載荷 NF 15000? , 軸頸直徑 mmd 552 ? 。 （ 1） 滑動(dòng)軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩估算： 摩擦力 NfFF 0 7 ???摩擦 摩擦轉(zhuǎn)矩 mmNdFM ????? 1 5 6211 摩擦 （ 2） 滾動(dòng)軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩估算： 摩擦力 NfFF 30???摩擦 摩擦轉(zhuǎn)矩 mmNdFM ???? 165022 摩擦 （ 3） 試驗(yàn)臺(tái)主題的總摩擦力矩為： mmNMMM ???? 10 3 滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)是一 個(gè)比較復(fù)雜的機(jī)械裝置，對(duì)于不同的 試 驗(yàn)條件和 試 驗(yàn)要求， 試驗(yàn)臺(tái)也有所不同。但是一般情況下滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)分為試驗(yàn)臺(tái)主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和信號(hào)處理與分析系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)要求根據(jù)已知條件和設(shè)計(jì)要求對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之能夠完成規(guī)定的測(cè)試工作，并且各部分之間要相互匹配、相互協(xié)調(diào)，成為一個(gè)完整的機(jī)器裝置。 為使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，先對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行總體 布局 設(shè)計(jì) ，然后分別對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 最后再整體協(xié)調(diào)和完善。 試驗(yàn)臺(tái)總體 布局 及 設(shè)計(jì) 試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)被測(cè)滑動(dòng) 軸承的基本尺寸、基本功能需求、 需要測(cè)量的參數(shù)以及試驗(yàn)臺(tái)本身各部分的結(jié)構(gòu)和功能等因素，合理設(shè)計(jì)和 布局 滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)，并使各個(gè)部分 相互配合、相互協(xié)調(diào)。 為了更加接近燃油泵上滑動(dòng)軸承在受載時(shí)的真實(shí)情況 ，本 試 驗(yàn)臺(tái)采用與燃油泵滑動(dòng)軸承相似的布置形式，即一對(duì)滑動(dòng)軸承對(duì)稱布置，作為整個(gè) 試 驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的支撐。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)軸器與試驗(yàn)主軸連接，帶動(dòng)主軸高速旋轉(zhuǎn)。加載機(jī)構(gòu)通過(guò)裝在主軸上的滾動(dòng)軸承對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸施加載荷，再通過(guò)主軸將載荷傳遞到作為支撐軸承的滑動(dòng)軸承上去。在作為支撐的一對(duì)滑動(dòng)軸承中，選取一個(gè)作為被測(cè)試驗(yàn)對(duì)象，加裝相關(guān)傳 感器，對(duì)其油膜壓力分布、溫度分布、軸心軌跡和摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量 。為便于傳感器的安裝和布置，選擇右邊的滑動(dòng)軸承作為試驗(yàn)軸承 。試驗(yàn)臺(tái)的潤(rùn)滑系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑系統(tǒng)的進(jìn)油壓力、進(jìn)油溫度和進(jìn)油流量必須可調(diào)，作為加載機(jī)構(gòu)一部分的滾動(dòng)軸承也應(yīng)采取合理的潤(rùn)滑方式?；瑒?dòng)軸承的總體設(shè)計(jì)布局如 圖 ，其中的零件名稱見表 11。 11 圖 滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)總體布局 表 31 滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)零件名稱 1 變頻 電機(jī) 2 聯(lián)軸器 3 增速齒輪箱 4 聯(lián)軸器 5 應(yīng)變片 6 滑動(dòng)軸承座（支撐軸承） 7 滾動(dòng) 軸承座 8 滑 動(dòng)軸承座（ 測(cè)試軸承 ） 9 位移傳感器支座 10 集流器 11 底座 12 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支座 13 液體密封端蓋 14 試驗(yàn)臺(tái)主體 15 液壓缸 16 集流器支座 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力部分，既要為試驗(yàn)臺(tái)提供動(dòng)力，也要根據(jù)需要改變輸出轉(zhuǎn)速。本課題要求轉(zhuǎn)速較高 ，能夠無(wú)級(jí)變速，且動(dòng)力輸出穩(wěn)定，因此 本設(shè)計(jì)采用變頻電機(jī) 1提供動(dòng)力， 通過(guò)變頻器調(diào)節(jié) 可 實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，然后通過(guò)增速齒輪箱 3 增速后傳遞給試驗(yàn)臺(tái)主體。 潤(rùn)滑系統(tǒng) 潤(rùn)滑系統(tǒng)主要為試驗(yàn)臺(tái)上的軸承提供潤(rùn)滑。試驗(yàn) 臺(tái)上有一對(duì)滑動(dòng)軸承和一個(gè)滾動(dòng)軸承需要潤(rùn)滑。滾動(dòng)軸承可采用脂潤(rùn)滑形式潤(rùn)滑，滑動(dòng)軸承既是試驗(yàn)臺(tái)主軸的支撐軸承，也是被測(cè)試的對(duì)象，因此潤(rùn)滑系統(tǒng)既要為其提供潤(rùn)滑，也要能根據(jù)要求改變潤(rùn)滑條件。本設(shè)計(jì)采用稀油壓力連續(xù)潤(rùn)滑，用液壓泵將潤(rùn)滑油泵出，電磁比例溢流閥和比例流量閥控制油壓和流量，用 水冷卻器和加熱器控制油溫。 12 潤(rùn)滑系統(tǒng)通過(guò)管道與滑動(dòng)軸承座 8 的潤(rùn)滑油孔連接，為軸承提供一定壓力、流量和溫度的潤(rùn)滑油。 試驗(yàn)臺(tái)主體為箱體結(jié)構(gòu)，底部的排油孔與回油過(guò)濾器連接，潤(rùn)滑過(guò)的潤(rùn)滑油經(jīng)回油過(guò)濾器過(guò)濾后重新送回到油箱里。 加載 系統(tǒng) 采用液壓加載，液壓系統(tǒng)由液壓缸、液壓泵和控制閥組成。在控制閥的控制下，液壓泵將一定壓力的高壓油輸入到液壓缸 15 中， 推動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)。活塞受到的液壓力經(jīng)過(guò)加載力傳遞裝置，傳遞給滾動(dòng)軸承座 7 內(nèi)的滾動(dòng)軸承，在經(jīng)過(guò)滾動(dòng)軸承傳遞給主軸， 再 通過(guò)主軸傳遞給滑動(dòng)軸承。 根據(jù)液壓缸內(nèi)的油壓和活塞的面積，可算出加載力的大小 。這樣設(shè)計(jì)的加載系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大的加載力，且在規(guī)定范圍內(nèi)載荷大小可無(wú)級(jí)變化，滑動(dòng)軸承受載方式與實(shí)際工作時(shí)比較接近。 測(cè)量系統(tǒng) 本試驗(yàn)臺(tái)要求測(cè)試滑動(dòng)軸承的油膜壓力、油膜溫度、軸心軌跡和摩擦 轉(zhuǎn)矩。通過(guò)安裝在主軸上的應(yīng)變片 5 將測(cè)得的信號(hào)通過(guò)集流器 10 傳遞給儀器， 可測(cè)出主軸受到的扭矩，從而推算出軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩 。 壓力傳感器安裝在主軸上，主軸為空心軸，壓力傳感器安裝在與滑動(dòng)軸承相接處的主軸上，壓力探頭與潤(rùn)滑油膜接觸，傳感器的信號(hào)線 通過(guò)主軸的中心孔與集流器 10 上的接線盤相連，在經(jīng)過(guò)集流器上的滑環(huán)和電刷，將信號(hào)傳遞給信號(hào)分析儀器。集流器 10自帶測(cè)速機(jī)構(gòu)，可測(cè)量主軸的轉(zhuǎn)速。油膜溫度由安裝在滑動(dòng)軸承座上的一組溫度傳感器測(cè)量，軸心軌跡由一組安裝在位移傳感器支座 9上的位移傳感器進(jìn)行測(cè)量。