CN107103821B - 一种流体一维雷诺方程实验装置及其实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种验证和观测流体动力润滑中的楔形效应机理的实验装置，可用于机械专业《机械设计》课程教学。该装置由观测台、油箱箱体、斜板、侧面密封装置、油路连接法兰、橡胶带轮传动装置、斜板倾斜角度调节装置构成。本实验装置通过实现模拟形成流体动力润滑（即形成动压油膜）的必要条件，可以很直观的演示、观察和测量流体动力润滑中的楔形效应机理以及验证流体动力润滑的基本方程：一维雷诺方程，了解油膜压力的变化与润滑油的粘度、表面滑动速度和油膜厚度的变化之间的关系。

Description

一种流体一维雷诺方程实验装置及其实验方法
技术领域
本发明属于机械设计课程以及流体力学实验教学设备领域,具体涉及一种可用于验证和观测流体一维雷诺方程的实验装置。
背景技术
近年来国内对于流体润滑领域有更细致更深入的的研究如：对流体动压润滑推力轴承动特性方面的研究和对于固液润湿性对流体动压润滑薄膜的影响这一方面的研究还有基于流体动压润滑效应的表面织构优化设计方面的研究都出现了一系列的优秀论文；国内对于径向滑动轴承油压分布的实验装置主要有两种方式：1.压力传感器型2.压力表型。
纵观国内外对于流体动压润滑研究现状，他们对于径向动压滑动轴承的承载机理与一维雷诺方程，做出了完整的展现与求解，而对于二维坐标状态下的一维雷诺方程的实验演示却极少涉及，流体动力润滑是大学本科教育中《机械设计》课程中非常重要的一节内容，要求学生必须掌握，目前学生主要靠教材提供的公式、示意图以及任课教师的讲解来学习该部分知识，但由于该部分知识理论性强，学生很难对其形成感性认识，从而无法理解动压油膜压力分布及油液的速度分布等流体动力润滑特性，所以做一套可以即形象又直观的仪器用于教学实验过程是势在必行的。
发明内容
本发明为了解决上述问题，基于流体动力润滑理论的基本方程——流体一维雷诺方程提出了一种实验装置，来展示动压轴承润滑的基本原理，通过该装置的演示，使学生能够直观、感性地观察流体动力润滑的各种特性，进一步巩固学习该部分内容并进行创新设计。
为了实现上述目的，本发明如下技术方案：
一种流体一维雷诺方程实验装置，由观测台、油箱箱体（9）、斜板（16）、橡胶带轮传动装置、侧面密封装置（19）、斜板倾斜角度调节装置、油路连接法兰（22）构成；橡胶带轮传动装置与斜板（16）和侧面密封装置（19）形成一个相对密封的楔形空间；观测台面板（1）上直立安装有N（N=2,3，……）个透明玻璃管（2），其中(N-1)个透明玻璃管（2）下端分别通过软管穿过油路连接法兰（22）与等间距安装于斜板（16）下侧对应的(N-1)个通孔接口（17）连接，透明玻璃管（2）上的液位用于反映斜板对应位置处的压力，剩余的一个透明玻璃管（2）通过软管穿过油路连接法兰（22）置于油箱箱体（9）内，用于标定无压力的基准液位。
上述的观测台由观测台面板（1）、透明玻璃管（2）、紧固螺栓（3）、观测台底架（4）构成，观测台面板（1）上直立安装有N个透明玻璃管（2），透明玻璃管（2）上有刻度，且玻璃管内放置彩色泡沫浮球，以便明显反映出具体液位高度，观测台底架与观测台面板（1）的两条支撑腿配合，并通过紧固螺栓（3）固定以便于调节观测台面板（1）高度，使油箱箱体（9）上侧面置于观测台面板（1）中部位置。
上述的橡胶带轮传动装置由从动轮（6）、橡胶带（7）、张紧轮（8）、主动轮（10）、调速电机（11）构成；从动轮（6）通过无孔轴承座和轴承安装于油箱箱体（9）两侧壁；主动轮（10）通过带孔轴承座和轴承安装于油箱箱体（9）两侧壁，并通过联轴器与调速电机（11）联接，通过调节调速电机的转速可以使皮带获得不同的速度，从而产生不同的油液流速。
上述的油箱箱体（9）底板设置有斜板支架（21）和放油口（29），斜板支架（21）与斜板（16）末端铰接，斜板支架（21）的设计高度应使油箱箱体（9）底部留出较大空间，以便油液的循环，放油口（29）用以更换油液，进行不同粘度润滑油的动力润滑效果实验观测；箱体前壁设置有轨道导向槽（24）和油路连接法兰安装孔（25），且箱体的前壁采用透明材料，便于观测；箱体侧壁设置有从动轮安装位（26）、张紧轮安装位（27）和主动轮安装位（28）。
上述的侧面密封装置（19）两侧设置有毛毡构成的凹形槽（18）（18），橡胶带（7）边缘嵌在其中运动，达到防止和减少油液的侧漏提高实验精度的目的,且两个侧面密封装置（19）通过固定柱（23）紧贴橡胶带（7）两侧面安装于油箱箱体（9）侧壁。
上述的与侧面密封装置（19）接触的斜板（16）两侧面部分设置密封胶条（20），减少侧漏，斜板（16）的上侧面、橡胶带（7）下侧面和两个侧面密封装置（19）的侧面形成一个相对密封的楔形空间。
上述的斜板倾斜角度调节装置由手轮（5）、丝杠（12）、螺母与丝杠（12）构成螺纹连接以实现连杆（13）沿轨道导向槽（24）直线运动；连杆（13）与滑块（14）构成移动副；手轮（5）、与丝杠（12）、斜板连接杆（15）与斜板采用焊接形式连接，滑块（14）与斜板连接杆（15）铰连接，转动手轮，通过丝杆螺母带动斜板（16）沿铰接转动一定角度，达到改变调节楔形空间形状和油膜厚度的目的。
上述的油路连接法兰（22）由油路连接法兰座和油路连接法兰盖组成，油路连接法兰（22）的使用可以保证油路的畅通，使工作部件可以顺利的完成其相应的工作。
本发明的有益效果是：基于流体动力润滑理论的基本方程——流体一维雷诺方程来设计的本实验装置展示动压轴承润滑的基本原理，通过该装置的演示，使学生能够直观、感性地观察流体动力润滑的各种特性，进一步巩固学习该部分内容并进行创新设计；具体来讲，依据本实验装置可以进行的实验项目如下：
1、通过调整电机转速，可测得不同润滑表面速度与油膜压力之间的数据关系；
2、通过调整斜板与橡胶带之间的距离，可以测得不同油膜厚度与油膜压力之间的数据关系；
3、通过调整斜板与橡胶带之间相对角度，则可获得不同油膜形状与油膜压力之间的数据关系；
4、通过更换箱体内的润滑油，可获得不同润滑油粘度与油膜压力之间的数据关系。
附图说明
图1表示本实验装置轴测图。
图2表示油箱箱体内部结构示意图。
图3表示油箱箱体结构示意图。
图4表示侧面密封装置结构示意图。
图5表示油路连接法兰座结构示意图。
图6表示本装置工作原理简图。
具体实施方式
实施例1：首先由斜板（16）的上侧面、橡胶带（7）下侧面和两个侧面密封装置（19）的侧面形成一个相对密封的楔形空间，观测台面板（1）上(N-1)个透明玻璃管（2）下端分别通过软管穿过油路连接法兰（22）与等间距安装于斜板（16）下侧对应的(N-1)个通孔接口（17）连接，透明玻璃管（2）上的液位用于反映斜板对应位置处的压力，剩余的一个透明玻璃管（2）通过软管穿过油路连接法兰（22）置于油箱箱体（9）内，用于标定无压力的基准液位，调节展示板的紧固螺栓（3）使观测台面板（1）高度置于相对于油箱箱体（9）的适当位置，在油箱箱体（9）中加入粘度一定的某种适量油液（箱体中油液的液位控制在皮带轮的中部位置），调速电机（11）驱动主动轮（10）顺时针转动，来带动液压油使其从大口进小口出，待橡胶带（7）以恒速稳定运转以后可以观测计算N个透明玻璃管（2）中液位的高度以反映斜板（16）不同油膜厚度处的压力分布，然后通过调节斜板支架（21）高度调整斜板与皮带之间的距离，可以测得不同油膜厚度与油膜压力之间的数据关系。
实施例2：本实施例与实施例1的实施方式基本相同,不同之处在于斜板（16）倾斜角度、油液和斜板与橡胶带之间距离不变，调整调速电机（11）使皮带获得不同的速度，从而产生不同的油液流速，可从展示板上观测得到反映不同润滑表面速度与油膜压力之间的数据关系的液位高度。
实施例3：本实施例与实施例1的实施方式基本相同,不同之处在于调速电机（11）的转速、油液和斜板与橡胶带之间距离不变，转动手轮，通过丝杆螺母带动斜板沿铰接转动一定角度，可从展示板上观测得到反映不同油膜形状与油膜压力之间之间的数据关系的液位高度。
实施例4：本实施例与实施例1的实施方式基本相同,不同之处在于斜板（16）倾斜角度、调速电机（11）的转速、斜板与橡胶带之间的倾斜角度和斜板与橡胶带之间距离不变，从油箱箱体（9）底部放油口（29）更换不同粘度的油液，进行不同粘度润滑油的动力润滑效果实验观测，可从展示板上观测得到反映不同粘度与油膜压力之间的数据关系的液位高度。

Claims (6)

1.一种流体一维雷诺方程实验装置，由观测台面板、油箱箱体(9)、斜板(16)、橡胶带轮传动装置、侧面密封装置(19)、斜板倾斜角度调节装置、油路连接法兰(22)构成；所述的橡胶带轮传动装置与斜板(16)和侧面密封装置(19)形成一个相对密封的楔形空间；所述的观测台面板(1)上直立安装有(N＝2,3，……)个透明玻璃管(2)，其中(N-1)个透明玻璃管(2)下端分别通过软管穿过油路连接法兰(22)与等间距安装于斜板(16)下侧对应的(N-1)个通孔接口(17)连接，透明玻璃管(2)上的液位用于反映斜板对应位置处的压力，剩余的一个透明玻璃管(2)通过软管穿过油路连接法兰(22)置于油箱箱体(9)内，用于标定无压力的基准液位，所述的斜板倾斜角度调节装置用来调节斜板(16)的倾斜角度以改变液膜厚度和形状；
所述的橡胶带轮传动装置由从动轮(6)、橡胶带(7)、张紧轮(8)、主动轮(10)、调速电机(11)构成；所述的从动轮(6)通过无孔轴承座和轴承安装于油箱箱体(9)两侧壁；所述的主动轮(10)通过带孔轴承座和轴承安装于油箱箱体(9)两侧壁，并通过联轴器与调速电机(11)联接；
所述的油箱箱体(9)底板设置有斜板支架(21)和放油口(29)，箱体前壁设置有轨道导向槽(24)和油路连接法兰安装孔(25)，且箱体的前壁采用透明材料，便于观测；箱体侧壁设置有从动轮安装位(26)、张紧轮安装位(27)和主动轮安装位(28)。
2.根据权利要求1所述的一种流体一维雷诺方程实验装置，其特征在于：所述的观测台由观测台面板(1)、透明玻璃管(2)、紧固螺栓(3)、观测台底架(4)构成，观测台面板(1)上直立安装有N个透明玻璃管(2)，透明玻璃管(2)上有刻度，且玻璃管内放置彩色泡沫浮球，以便明显反映出具体液位高度，观测台底架与观测台面板(1)的两条支撑腿配合，并通过紧固螺栓(3)固定以便于调节观测台面板(1)高度。
3.根据权利要求1所述的一种流体一维雷诺方程实验装置，其特征在于：所述的侧面密封装置(19)两侧设置有毛毡构成的凹形槽(18)，橡胶带(7)边缘嵌在其中运动，达到防止和减少油液的侧漏提高实验精度的目的，且两个侧面密封装置(19)通过固定柱(23)紧贴橡胶带(7)两侧面安装于油箱箱体(9)侧壁。
4.根据权利要求1所述的一种流体一维雷诺方程实验装置，其特征在于：所述的斜板(16)两侧面与侧面密封装置(19)接触的部分设置密封胶条(20)，斜板(16)的上侧面、橡胶带(7)下侧面和两个侧面密封装置(19)的侧面形成一个相对密封的楔形空间。
5.根据权利要求1所述的一种流体一维雷诺方程实验装置，其特征在于：所述的斜板倾斜角度调节装置由手轮(5)、丝杠(12)、连杆(13)、滑块(14)、斜板连接杆(15)构成；所述的连杆(13)一端设置有螺母，螺母与丝杠(12)构成丝杠螺母副以实现连杆(13)沿轨道导向槽(24)直线运动；所述的连杆(13)与滑块(14)构成移动副；所述的手轮(5)与丝杠(12)、斜板连接杆(15)与斜板采用焊接形式连接，滑块(14)与斜板连接杆(15)铰连接。
6.根据权利要求1所述的一种流体一维雷诺方程实验装置，其特征在于：所述的斜板倾斜角度调节装置由手轮(5)、丝杠(12)、螺母与丝杠(12)构成螺纹连接以实现连杆(13)沿轨道导向槽(24)直线运动；所述的连杆(13)与滑块(14)构成移动副；所述的手轮(5)、与丝杠(12)、斜板连接杆(15)与斜板采用焊接形式连接，滑块(14)与斜板连接杆(15)铰连接，转动手轮，通过丝杆螺母带动斜板沿铰接转动一定角度，达到改变调节楔形空间形状和油膜厚度的目的。
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