機(jī)械設(shè)計第十二章

1、機(jī)械設(shè)計第十二章第1頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四滑動軸承概述1 根據(jù)摩擦性質(zhì)分滑動軸承、滾動軸承 滾動軸承摩擦系數(shù)小、啟動阻力小、已標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用較廣 使用滑動軸承場合： 1.工作轉(zhuǎn)速很高，如汽輪發(fā)電機(jī)。 2.要求對軸的支承位置特別精確，如精密磨床。 3.承受巨大的沖擊與振動載荷，如軋鋼機(jī)。 4.特重型的載荷，如水輪發(fā)電機(jī)。 5.根據(jù)裝配要求必須制成剖分式的軸承，如曲軸軸承。 6.在特殊條件下工作的軸承，如軍艦推進(jìn)器的軸承。 7.徑向尺寸受限制時，如多輥軋鋼機(jī)。 12-1滑動軸承概述第2頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四滑動軸承分類： 按承受載

2、荷方向分：徑向軸承、止推軸承 按潤滑狀態(tài)分：流體潤滑、不完全流體潤滑、自潤滑 按承載機(jī)理分：流體動力潤滑、流體靜力潤滑滑動軸承設(shè)計內(nèi)容 1.軸承的形式和結(jié)構(gòu)選擇 2.軸瓦的結(jié)構(gòu)和材料選擇 3.軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 4.軸承工作能力及熱平衡計算第3頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(一)整體式徑向滑動軸承特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。應(yīng)用：低速、輕載或間歇性工作的機(jī)器中。軸承座整體軸套螺紋孔油杯孔 因磨損而造成的間隙無法調(diào)整。 只能從沿軸向裝入或拆出。12-2滑動軸承的典型結(jié)構(gòu)第4頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(二)對開式徑向滑動軸承對開式軸承(整

3、體軸套)對開式軸承(剖分軸套)特點(diǎn)：軸瓦磨損后可以用減少剖分面處的墊片厚度來調(diào)整 軸承間隙，調(diào)整后應(yīng)修刮軸瓦內(nèi)孔第5頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(三)止推滑動軸承的結(jié)構(gòu)空心式：接觸面上壓力分布較實心式均勻單環(huán)式：結(jié)構(gòu)簡單，潤滑方便，廣泛用于低速、輕載場合 多環(huán)式：能承受較大軸向載荷，還可承受雙向軸向載荷。 各環(huán)間載荷分布不均，單位面積的承載能力比單 環(huán)式低50%。 空心式單環(huán)式多環(huán)式第6頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四滑動軸承的失效形式及常用材料1(一)滑動軸承失效形式 1.磨粒磨損 進(jìn)入軸承間隙的硬顆粒(如灰塵、砂粒等)有的嵌入軸承表面

4、，有的游離于間隙中并隨軸一起轉(zhuǎn)動，它們都將對軸頸和軸承表面起研磨作用。 2.刮傷 進(jìn)入軸承間隙中的硬顆?；蜉S頸表面粗糙的輪廓峰頂，在軸瓦上劃出線狀傷痕，導(dǎo)致軸承因刮傷而失效。 3.咬粘(膠合) 當(dāng)軸承溫升過高，載荷過大，油膜破裂時，或在潤滑油供應(yīng)不足情況下，軸頸和軸承的相對運(yùn)動表面材料發(fā)生粘附和遷移，從而造成軸承損壞。咬粘有時甚至可能導(dǎo)致相對運(yùn)動中止。12-3滑動軸承的失效形式及常用材料第7頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四 4.疲勞剝落 在載荷反復(fù)作用下，軸承表面出現(xiàn)與滑動方向垂直的疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展后，造成軸承襯材料的剝落。 5.腐蝕 潤滑劑在使用中不斷氧化，所生成

5、的酸性物質(zhì)對軸承材料有腐蝕性，特別是對鑄造銅鉛合金中的鉛，易受腐蝕而形成點(diǎn)狀的脫落。磨損劃傷膠合疲勞裂紋與剝落第8頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四滑動軸承的失效形式及常用材料2二、滑動軸承的材料軸承材料是指在軸承結(jié)構(gòu)中直接參與摩擦部分的材料，如軸瓦和軸承襯的材料。應(yīng)滿足以下要求： 減摩性：材料副具有較低的摩擦系數(shù)。 耐磨性：材料的抗磨性能。 抗咬粘性：材料的耐熱性與抗粘附性。 摩擦順應(yīng)性：材料通過表層彈塑性變形來補(bǔ)償軸承滑 動表面初始配合不良的能力。 嵌入性：材料容納硬質(zhì)顆粒嵌入，從而減輕軸承滑動 表面發(fā)生刮傷或磨粒磨損的性能。軸承襯第9頁，共67頁，2022年，5月

6、20日，21點(diǎn)37分，星期四 磨合性：軸瓦與軸頸表面經(jīng)短期輕載運(yùn)行后，形成相 互吻合的表面形狀和粗糙度的能力。 此外還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和抗腐蝕能力、良好的導(dǎo)熱性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性。滑動軸承材料 金屬材料 非金屬材料 軸承合金銅合金鋁基軸承合金鑄鐵多孔質(zhì)金屬材料 工程塑料碳-石墨橡膠木材第10頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(1)軸承合金（白合金、巴氏合金） 材料：錫、鉛、銻、銅等金屬的合金， 錫或鉛為基體 優(yōu)點(diǎn)： f 小，抗膠合性能好、對油的吸附性強(qiáng)、耐腐 蝕性好、容易跑合、是優(yōu)良的軸承材料，常用 于高速、重載的軸承 缺點(diǎn)：價格貴、機(jī)械強(qiáng)度較差 使用方法：作為軸承襯材料澆

7、注在鋼、鑄鐵、或青銅 軸瓦上。工作溫度120不能單獨(dú)使用第11頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(2)銅合金 優(yōu)點(diǎn)：青銅強(qiáng)度高、承載能力大、耐磨性和導(dǎo)熱性都 優(yōu)于軸承合金。工作溫度高達(dá)250 。 缺點(diǎn)：可塑性差、不易跑合、相配軸徑必須淬硬。 使用方法：可以單獨(dú)制成軸瓦，也可以作為軸承襯澆注在鋼或鑄鐵軸瓦上。鉛青銅高速重載錫青銅中速重載鋁青銅低速重載第12頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(3)鋁基合金 有相當(dāng)好的耐腐蝕合和較高的疲勞強(qiáng)度，摩擦性能也較好。在部分領(lǐng)域取代了較貴的軸承合金與青銅。(4)鑄鐵 用于不重要、低速輕載軸承。(5)多孔質(zhì)金屬材

8、料 用粉末冶金法制作的軸承，具有多孔組織，可存儲潤滑油。可用于加油不方便的場合。第13頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四第14頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四第15頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四第16頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(6)非金屬材料 工程塑料：具有摩擦系數(shù)低、可塑性、跑合性良好、 耐磨、耐腐蝕、可用水、油及化學(xué)溶液等 潤滑。導(dǎo)熱性差、膨脹系數(shù)大、容易變形。 可作為軸承襯粘復(fù)在金屬軸瓦上使用。 碳-石墨：是電機(jī)電刷常用材料，具有自潤滑性，用于 不良環(huán)境中。 橡膠軸承：具有較大的

9、彈性，能減輕振動使運(yùn)轉(zhuǎn)平 穩(wěn)，可用水潤滑。常用于潛水泵、沙石清 洗機(jī)、鉆機(jī)等有泥沙的場合。 木材：具有多孔結(jié)構(gòu)，可在灰塵極多的環(huán)境中使用。第17頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四12-4軸瓦結(jié)構(gòu)(一)軸瓦的形式和構(gòu)造 整體軸套(需從軸端安裝和拆卸，可修復(fù)性差 ) 單層、雙層或多層材料的卷制軸套，只適用于薄壁軸瓦，具有很高的生產(chǎn)率。 第18頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四 對開式軸瓦 (可直接從軸中部安裝和拆卸，可修復(fù)) 厚壁軸瓦：具有足夠的強(qiáng)度和剛度，可降低對軸承座孔的加工精度要求。第19頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期

10、四 薄壁軸瓦：節(jié)省材料，但剛度不足，故對軸承座孔的加工精度要求高 。 鑄造軸瓦：鑄造工藝性好，單件、大批生產(chǎn)均可，適用于厚壁軸瓦。第20頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四滑動軸承的軸瓦結(jié)構(gòu)3(二)軸瓦的定位目的：防止軸瓦相對于軸承座產(chǎn)生軸向和周向的相對移動。軸向定位：周向定位：凸緣軸瓦一端或兩端做凸緣緊定螺釘緊定螺釘（也可做軸向定位）軸 瓦圓柱銷軸承座銷釘（也可做軸向定位） 第21頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四滑動軸承的軸瓦結(jié)構(gòu)4(三)軸瓦的油孔及油槽目的：把潤滑油導(dǎo)入軸頸和軸承所構(gòu)成的運(yùn)動副表面。原則：盡量開在非承載區(qū)，盡量不要降低或少降低

11、承載區(qū) 油膜的承載能力；軸向油槽不能開通至軸承端部， 應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠头饷?。單軸向油槽開在非承載區(qū)（在最大油膜厚度處）雙軸向油槽開在非承載區(qū)（在軸承剖分面上）雙斜向油槽（用于不完全液體潤滑軸承）第22頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四滑動軸承潤滑劑的選擇112-5滑動軸承潤滑劑的選用一、潤滑脂及其選擇特點(diǎn)：無流動性，無冷卻效果。適用場合 ：要求不高、難以經(jīng)常供油，或者低速重載以及 作擺動運(yùn)動的軸承中。選擇原則： 1.當(dāng)壓力高和滑動速度低時，選擇針入度小一些的品種；反之，選擇針入度大一些的品種。 2.所用潤滑脂的滴點(diǎn)，一般應(yīng)較軸承的工作溫度高約2030，以免工作時潤滑脂過多

12、地流失。 3.水淋或潮濕環(huán)境下，應(yīng)選擇防水性能強(qiáng)的鈣基或鋁基潤滑脂。在溫度較高處應(yīng)選用鈉基或復(fù)合鈣基潤滑脂。第23頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四二、潤滑油及其選擇特點(diǎn)： 有良好的流動性，可形成動壓、靜壓或邊膜界 潤滑膜。適用場合：不完全液體滑動軸承和完全液體潤滑滑動軸承。選擇原則： 1.主要考慮潤滑油的粘度。 2.轉(zhuǎn)速高、壓力小時，油的粘度應(yīng)低一些；反之，粘度應(yīng)高一些。 3.高溫時，粘度應(yīng)高一些；低溫時，粘度可低一些。第24頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四三、固體潤滑劑及其選擇特點(diǎn)：可在滑動表面形成固體膜。適用場合：有特殊要求的場合，如環(huán)境

13、清潔要求處、真空 中或高溫中。常用類型：二硫化鉬，碳-石墨，聚四氟乙烯等。使用方法：涂敷、粘結(jié)或燒結(jié)在軸瓦表面；制成復(fù)合材 料，依靠材料自身的潤滑性能形成潤滑膜。第25頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四不完全液體潤滑滑動軸承的設(shè)計計算112-6不完全流體潤滑滑動軸承的設(shè)計計算一、失效形式與設(shè)計準(zhǔn)則 工作狀態(tài)：采用潤滑脂、油繩或滴油潤滑，無法形成 完全的承載油膜，工作狀態(tài)為邊界潤滑或 混合摩擦潤滑。 失效形式：邊界油膜破裂。 設(shè)計準(zhǔn)則：保證邊界膜不破裂。 計算類型：因邊界膜強(qiáng)度與溫度、軸承材料、軸頸和 軸承表面粗糙度、潤滑油供給等有關(guān)，目 前尚無精確的計算方法，但一般可作

14、條件 性計算。第26頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四不完全液體潤滑滑動軸承的設(shè)計計算2二、徑向滑動軸承的設(shè)計計算已知：徑向載荷F (N)、軸頸轉(zhuǎn)速n(r/min)、軸頸直徑d (mm) 1.驗算軸承的平均壓力p (MPa) B軸承寬度，mm（根據(jù)寬徑比B/d確定） p軸瓦材料的許用壓力，MPa。2.驗算軸承的pv(單位為MPam/ s)值 軸承的發(fā)熱量與其單位面積上的摩擦功耗fpv成正比(f是摩擦系數(shù))，限制pv值就是限制軸承的溫升。 v軸頸圓周速度，m/s； pv軸承材料的pv許用值第27頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四3.驗算滑動速度v

15、(m/s) v材料的許用滑動速度4.選擇配合 一般可選H9/d9或H8/f7、H7/f6第28頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四 (二)止推滑動軸承的計算 已知：軸承所受軸向載荷Fa(單位為N)、軸頸轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)、軸環(huán)直徑d2和軸承孔直徑d1(單位為mm)以及軸環(huán)數(shù)目。1.驗算軸承的平均壓力p(單位為MPa ) p許用應(yīng)力，多環(huán)比單環(huán)降低50%。第29頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四2.驗算軸承的pv(單位為MPam/ s)值 軸承的環(huán)形支承面平均直徑處的圓周速度v為第30頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四

16、12-7液體動力潤滑徑向滑動軸承的設(shè)計計算 (一)流體動力潤滑的基本方程 方程假設(shè)如下： 流體滿足牛頓定律 流體的流動是層流 忽略壓力對流體粘度的影響 略去慣性力及重力的影響 流體不可壓縮 流體中的壓力在各流體層之間保持為常數(shù) 第31頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四在以上假設(shè)下，從兩平板所構(gòu)成的楔形空間中，取某一層液體的一部分作為單元體，通過建立平衡方程和給定邊界條件，可得一維雷諾方程：動力粘度 v速度h油膜 高度 h0壓力最高處油膜高度bc段： 壓力逐漸降低ab段： 壓力逐漸累加第32頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四流體動力潤滑的必要條件是

17、： 1.相對運(yùn)動的兩表面間構(gòu)成楔形空間。 2.楔形空間中充滿具有粘性的液體。 3.兩板相對運(yùn)動的結(jié)果，應(yīng)使液體在粘性力的作用下由楔形空間的大端流向楔形空間的小端 。第33頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(二)徑向滑動軸承形成流體動力潤滑時的過程靜止時軸頸與軸承孔有間隙形成楔形空間速度較低時軸頸在摩擦力作用下沿孔壁向右爬升轉(zhuǎn)速軸頸表面的圓周速度帶入楔形空間的油量右側(cè)楔形油膜產(chǎn)生的動壓力將軸頸向左浮起軸承處于流體動力潤滑狀態(tài)摩擦系數(shù)達(dá)到最小值視頻第34頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(三)徑向滑動軸承的主要幾何關(guān)系 軸承和軸頸的連心線OO1，與外

18、載荷F(載荷作用在軸頸中心上)的方向形成一偏位角a。軸承孔和軸頸的直徑分別用D和d表示，則軸承直徑間隙為 =Dd 半徑間隙 Rr / 2 直徑間隙與軸頸直徑之比稱為相對間隙 / r / d第35頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四 軸頸在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時，其中心O與軸承中心O1的距離，稱為偏心距e。偏心距與半徑間隙的比值，稱為偏心率X=e/ 最小油膜厚度為hmin=e第36頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四 采用極坐標(biāo)，取軸頸中心O為極點(diǎn)，連心線OO1為極軸，對應(yīng)于任意角的油膜厚度為h，h的大小可在AOO1中應(yīng)用余弦定理求得R2=e2+(r+h)2-2e

19、(r+h)cos整理后并略去微量(e/R) 2sin2，得h= (1+cos)半徑間隙 Rr X偏心率 =e/在壓力最大處的油膜厚度h0為h= (1+cos0)第37頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四(四)徑向滑動軸承工作能力計算簡介1.軸承的承載能力計算和承載量系數(shù) 假設(shè)軸承為無限寬，可以認(rèn)為潤滑油沿軸向沒有流動。將一維雷諾方程改寫成極坐標(biāo)表達(dá)形式 從油膜起始角1，到任意角進(jìn)行積分，得任意角位置的壓力為 壓力P在外載荷方向上的分量為第38頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四積分可得軸承單位寬度上的油膜承載力 理論上將Py乘軸承寬度可得油膜承載能力

20、，實際由于油可能從軸承兩端泄漏，壓力沿軸向呈拋物線分布。第39頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四油膜沿軸承寬度上的壓力分布表達(dá)式為py無限寬度軸承沿軸單位寬度上的油膜壓力C取決于寬徑比和偏心率的系數(shù)對于有限寬度軸承，油膜的總承載能力為 Cp承載量系數(shù)，計算很困難，工程上可查表確定。動力粘度 角速度 d軸半徑 B軸承寬度 相對間隙 / r / d第40頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四偏心率CP第41頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四液體動力潤滑徑向滑動軸承的設(shè)計計算62.最小油膜厚度 hmin 其他條件不變，hmin越小則

21、偏心率越大，軸承的承載能力就越大。 但hmin不能無限縮小，它受到軸頸和軸承表面粗糙度、軸的剛性及軸承與軸頸的幾何形狀誤差等的限制。 動力潤滑軸承的設(shè)計應(yīng)保證：hminhh=4S(Ra1+Ra2)S 安全系數(shù)，考慮表面幾何形狀誤差和軸頸撓曲變形等，常取S2。對于一般軸承可取為0.8m和1.6m，0.4m和0.8m。對于重要軸承可取為0.2m和0.4m，或0.05m和0.1m。Ra1、Ra2 分別為軸頸和軸承孔表面粗糙度 第42頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四3.軸承的熱平衡計算 熱平衡方程：產(chǎn)生的熱量=散失的熱量Q=Q1+Q2 q潤滑油流量滑油密度c潤滑油的比熱容 t

22、i油入口溫度to油出口溫度s表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)摩擦熱Q=fFv潤滑油帶走的熱Q1 = qc(to-ti) 軸承散發(fā)的熱Q2 =sdB (to-ti)第43頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四熱平衡方程fFv=qc(to-ti) + sdB (to-ti)為了達(dá)到熱平衡而必須的潤滑油溫度差t潤滑油流量系數(shù)，查表12-16系數(shù)與寬徑比有關(guān)，若B/d 3540時，表明軸承承載能力有冗余，可采取如下措施： 1.增大表面粗糙度，以降低成本 2.減小間隙，提高旋轉(zhuǎn)精度 3.加寬軸承，充分利用軸承的承載能力第45頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四 當(dāng)t1 h，故滿足工

23、作可靠性要求第56頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四19.計算軸承與軸頸的摩擦系數(shù) 因軸承的寬徑比B/d=1，取隨寬徑比變化的系數(shù) =1，計算摩擦系數(shù)20.查出潤滑油流量系數(shù)P292第57頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四21.計算潤滑油溫升 潤滑油密度 =900 kg/m3 比熱容c =1800J/ (kgC) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)s =80 W/(m2C)22.計算潤滑油入口溫度 因一般取ti= 3540，故上述入口溫度合適。第58頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四23.選擇配合軸承孔尺寸為軸頸尺寸為24.求最大、最小間隙25

24、.校核軸承的承載能力、最小油膜厚度及潤滑油溫升 分別按max、 min。進(jìn)行校核，如果在允許值范圍內(nèi)，則繪制軸承工作圖；否則需要重新選擇參數(shù)，再做設(shè)計及校核計算。第59頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四12-8其它形式滑動軸承簡介 (一)自潤滑軸承軸承材料為降低磨損，常用工程塑料和碳-石墨軸徑材料為防止銹蝕或降低摩擦系數(shù)，常用不銹鋼、碳 鋼鍍硬鉻，使軸承和軸徑兩者表面硬度差加大 主要設(shè)計參數(shù) (1)寬徑比：B/d=0.351.5 (2)軸瓦厚度：對于完全塑料的軸瓦，壁厚為d/(1220) (3)直徑間隙 ： 0.005d ，且不小于 0.1 mm (4)表面粗糙度： Ra=0.20.4m軸承承載能力計算 設(shè)計條件是：p p 以及 pv pv 第60頁，共67頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期四自潤滑鑲嵌軸承：在金屬基體上均勻地鑲?cè)牍腆w潤滑劑， 可實現(xiàn)不需加油的自潤滑，但初次使用 需抹上潤滑脂