圆柱滑动轴承油膜流态影像采集与分析

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194机 械 设计 与 制造Machinery Design & Manufacture第 1O期2013年 10月圆柱滑动轴承油膜流态影像采集与分析张绍林 ，于 冰 ，门日秀 ，郭 红(1．郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001；2．中国北方发动机研究所 柴油机高增压技术国家级重点实验室，山西 大同 037036)摘 要：滑动轴承中油膜的流态与速度、间隙及油的粘度等因素有关，不同位置油膜的流态也非一样。为了解油膜从层流到紊流的变化情况，验证理论计算模型的准确性，利用相似原理搭建了的圆柱滑动轴承油膜全流态可视化试验台，通过试验观察并记录了圆柱滑动轴承中不同直径、速度、间隙及粘度油膜流态的变化情况，实现 了油膜流态的影像采集，初步比对分析后总结了油膜层流、紊流及过渡区域油膜的变化趋势，为以后研究复杂结构轴承油膜流态奠定了基础。

关键词：滑动轴承；流态可视化；层流；紊流；过渡区中图分类号：THI6；THI33．31 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0194—03Image Acquisition and Analysis of Cylindrical Sliding Bearing Oil Film Flow StateZHANG Shao—lin ，YU Bing ，MEN Ri-xiu ，GUO Hong(1．School of Mechanical Engineering，Zhengzhou University，He’nan Zhengzhou 450001，China；2．National Key Laboratoryof Diesel Engine Turbocharging Technology，China North Engine Research Institute，Shanxi Datong 037036，China)Abstract：The oil-filmflow states ofsliding bearing ate related to velocity，clearance and lubricating oil viscosity etc．Laminarflow and turbulentflow may exist simultaneously in the bearingfilm．In order to validate the accuracy oftheoretical model andcalculation，oil-film flow staes visualization test rig for cylindrical bearing is set up．The flow staes uncler diferentdiameters，velocity，clearance and viscosity are observed and analyzed．The experiments results Can be referencesfor morecomplicated structure bearing oil-filmflow states research.

Key W ords：Hybrid Bearing；Flow States Visualization；Laminar；Turbulent；M ixed Regimes1引言滑动轴承靠旋转形成动压油楔，从而在运转时产生动压效应来实现轴承的承载力it ，为主轴系统提供支承。常规的滑动轴承多用于中低速的场合，现今各类高速滑动轴承及浮环轴承越来越多应用于高速透平膨胀机 、涡轮增压机、高速离心机等高速旋转机械。日前，国内外很多学者对滑动压轴承和浮环轴承的静、动态特性进行了大量的理论和试验研究 。在对高速动静压轴承的研究过程中，发现不同工况下润滑油膜处于不同的流态。一些科研人员对滑动轴承油膜从层流到紊流过渡区域进行了理论和试验研究 ；一些科研人员计算并分析了多种流态共存时动静压轴承油膜特性 。利用相似原理搭建了的圆柱滑动轴承油膜流态可视化试验台，通过试验观察并记录了圆柱滑动轴承中不同速度、间隙及粘度油膜流态的变化情况，实现了油膜流态的可视化、分析和比对，并总结了油膜层流、过渡区、紊流的流体区域变化规律。

2试验装置滑动轴承中油膜的流态与速度、油膜厚度及润滑油粘度等因素有关，不同位置的油膜可能会出现层流、紊流及混合流态。为了能够直观地观测流态的变化 ，设计制作了一套试验装置，用来观测不同直径、润滑油粘度和间隙下油膜的流态变化。

图 1试验装置Fig．1 Experimental Apparatus竖直放置的圆柱滑动轴承油膜流态可视化试验装置，如图 1所示。其中，轴颈为钢制机加工而成，直径d=100mm，装卡在数控铣床的主轴上，轴承为圆柱形透明玻璃筒和玻璃底板用玻璃胶粘合而成，直径分别为 135mm、175mm和 195mm三种规格，用卡具装卡在数控铣床的工作平台上，轴颈和轴承间的间隙沿轴向总长度为 lOOmm，半径间隙最小为 0．05ram。流体介质选用 N5轴承油(低粘度)、N15轴承油(中等粘度)和N32轴承油(高粘度)三种进行对比，由于轴在旋转过程中使润滑油产生大量气泡，能够清晰地看到油膜内的流动轨迹，所以试验时润滑油中不必添加染色剂或示踪粒子，应用气泡示踪法进行可视化识别润滑流态状况。轴承的转速通过机床主轴输出转速控制，主轴和玻璃轴承之间的最来稿 日期：2012—12—14基金项目：国家自然科学基金项 目(51075373)；河南省教育厅科学技术研究重点项 目(12A460009)作者简介：张绍林，(1963一)，男，安徽人，学士，高级实验师，主要研究方向：机械设计、滑动轴承技术；于 冰，(1984一)，男，河南洛阳人，在读硕士研究生，主要研究方向：机械设计、滑动轴承技术第 10期 张绍林等：圆柱滑动轴承油膜流态影像采集与分析 195小间隙通过移动数控机床T作平台宋i周整 为了方便测量，在轴承筒外侧贴上标尺以便测量流态的 域。

3试验观测与分析对于i种直径的玻璃轴承，分刖采崩 N5、N 15和 N32轴承油(粘度南低到高增加)，在不同的主轴转速(500r／min、600r／min和 800r／min)和最小间隙(0．05mm、0．1mm、0．2ram、0．3mm)分别观测油膜流态变化井记录试验结果。本次试验中采用流动显示法，根据简体上的标尺，测量出各种T况下油膜过渡区域与层流、紊流区的分界线位置，并绘制线罔。

3．1油膜流动轨迹分析采用 N32轴承油、轴承直径 l75mm、主轴转速 500r／min及最小间隙0．3ram 1二况下油膜流态，如图 2所示。从上面看主轴顺时针方向回转，由于轴颈宽度方向 寸有限，所以润滑油进入楔形间隙后受阻，向轴上 、下两端溢流，主轴转速不同，左上角的溢流量亦随之不同。由于油楔}{I口处是负乐I ，所以下部溢流f}{的油又向上被吸入到 口处，油膜流动轨迹线已在罔上示意标出。

南于试验装置是开放式的，主轴运转过程巾会搅入气泡，而出口处的大气泡是由于负 引起的，由于玻璃轴承的误差，油膜间隙在轴向不均匀，因此 口处气泡的并不呈现垂直排列。当采用低粘度润滑油高速运转时，f{l门处油膜会出现破裂，油膜随转速呈等间距的条带状。油楔尖端处始终存任层流区，试验图片中看 ，当入口油膜厚度小于某临界值时，油膜始终保持层流状态；另外层流区域的大小也跟润滑油粘度和轴承转速有关。油楔大端的油层随转速、粘度、间隙等的改变m现小同程度的紊流现象。

罔 2油膜轨迹流线Fig．2 The Streandine of Oil Film3．2油膜过渡区域测量分析取 N32轴承油(粘度较高)．轴承直径为 175ram，最小间隙0．3mm，在不同转速下观测油膜过渡I 。以轴承底部行侧作为坐标原点 ，分别绘}I主轴转速 250dmin、500drain和 600drain时过渡 域宽度在轴向上的分布，如图3～图5所示。

6050一 40嫠3o匪-IE 10lOO0 20 40 60 80 lo0轴向高度(mil1)图3转速为250 r／min时的流态区域Fig．3 The Boundary of Flow State Area When the Speed of 250r／min6050一 40嚣so壶10l00U 20 40 6【) l【H】轴向高度(into)图5转速为600 r／rain时的流态区域Fig．5 The Boundary of Flow State Area When the Speed of 600r／min由图町知：轴承整体 L是紊流 域上宽下窄，过渡区域随着速度的提高，逐渐向楔形I1_i】隙内收缩 ，当速度超过50Of／rain以后，过渡区域宽度明 变小 ，最终趋于消失。

3．3油膜流态比对分析(1)不 间隙下油膜流态／：kx,．t分析(a) (b)图6转速 500 r／min时不同间隙下的流态图Fig．6 The Flow State of Diferent Clearance Whenthe Speed of 500r／rain取玻璃轴承直径 135 mm，N32轴承油(高粘度)，主轴转速500 r／min。最小问隙 0．1Inm时的油膜流态，如图6(a)所示。可以看 ，楔形问隙入口处油膜中出现了2个涡旋．上部涡旋中心同定，向巾部流动，波长较短，下部涡旋中心时有时无，南于轴承下端部的溢流，带动涡旋rn】下移动，波长较长．形式多样； 隙0．3mm时的油膜流态，如 6(b)所示。基本保持有 1个涡旋中心，t 偏上，范同较大，下部油膜基本以油膜震荡形式存在．有向下溢流的通道．波动没有上部剧烈。可以看出，相同情况下，油楔人口区域，间隙较／I,H~更容易}fJ现紊流。

豳 一 一=，{f1J●，J1● lJ|1●
1_It●l1●●1I●1I●，●●1●J●-●1●●●●●1-_●ll96 机械设计与制造NO．10Oct．20l3两种情况的流场中，下部都隐约有不等距条纹产生，这是由试验圆柱轴承轴向(有限长)下端的边界所引起的弱涡，而并非是因离一 暾性力超过粘滞阻力引起油膜整体层流失稳所产生的涡旋。

(2)不同直径油膜流态比对分析(a) (b)图 7不同直径轴承的流态图Fig．7 The Flow State of Different Diameter取最小间隙 0．3mm，主轴转速 500 r／min，N32轴承油(高粘度)。直径 175mm的玻璃轴承油膜过渡区流态照片，如图 7(a)所示。速度稳定以后，油膜流线不清晰，区域内出现幅度较大的涡旋，不规律，波长较长，上部较明显，油膜不仅有轴向的波动，还有径向的波动，周向流速较陕，润滑油进入楔形间隙严重受阻，向各个方向震荡，相互反射，油膜失稳，流态复杂。直径为 135mm的轴承油膜流态照片，如图 6(b)所示。与图7(a)相比，流线较清晰，流线轴向摆动，波长较短，摆动幅度不大，上下最大摆动不超过 20mm，涡旋中心固定，出现频率较低，图6(b)与图7(b)较为相似，直径 175mm轴承加速达400n／min时的流态情况，如图7(b)所示。可以看出在同等条件下，轴承直径越大，越容易出现紊流。

(3)不同粘度流态比对分析(a) (b)图 8不同粘度下的油膜流态图Fig．8 The Flow State of Different Viscosity取最小间隙0．3mm，主轴转速500gmin，玻璃轴承直径175mm，粘度从高到低的比对照片，如图7、图8所示。可以看出，三种情况下。油膜都已达到紊流状态，粘度越低，油膜内的气泡越多，气泡流动速度越快，显示出的油膜流动轨迹相当复杂，没有固定规律，粘度高的油膜摩擦损耗也会相对较大，温升较大。

4结束语利用相似原理搭建了的圆柱滑动轴承油膜流态可视化试验台，观测了不同直径 、速度、间隙及粘度下油膜流态的变化情况。

由试验结果可知：(1)其它条件相同情况下，油楔入口区域越小，越容易出现紊流。(2)在同等前提下，轴承直径越大，形成的油楔夹角越大，越容易出现紊流。(3)轴承参数相同，润滑油粘度越低，越容易出现紊流和混合流态。由于油膜边界区域溢流的干扰。示踪气泡所受的浮力影响以及仪器设备的精度有限．试验结果与实际轴承中的油膜流态存在一定的误差。有待以后的试验中解决。

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