第17章滑動(dòng)軸承

機(jī)械設(shè)計(jì)第17章滑動(dòng)軸承按受力分徑向軸承推力軸承軸承的功用和分類：支承軸及軸上回轉(zhuǎn)零件保證軸的回轉(zhuǎn)精度；減少轉(zhuǎn)軸與支承之間的摩擦和磨損。按工作摩擦性質(zhì)分滑動(dòng)摩擦軸承滾動(dòng)摩擦軸承（1）工作轉(zhuǎn)速特高的軸承（2）要求對(duì)軸的支撐位置特別精確的軸承（3）承受巨大的沖擊和振動(dòng)載荷的軸承（4）特重型軸承（5）根據(jù)裝配要求必須做成剖分式的軸承（6）當(dāng)軸的排列較緊密時(shí)，由于空間尺寸的限制，必須采用徑向尺寸較小的軸承（7）在特殊工作條件下（水或腐蝕性介質(zhì)）工作的軸承滑動(dòng)軸承的應(yīng)用場(chǎng)合1.軸承的型式和結(jié)構(gòu)2.軸瓦的結(jié)構(gòu)和材料3.結(jié)構(gòu)參數(shù)（由強(qiáng)度、剛度決定）4.選擇潤滑劑和潤滑方法5.軸承的工作能力計(jì)算（溫度、壓力分布、軸承的間隙）滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的內(nèi)容（非標(biāo)準(zhǔn)件）17.1概述1.滑動(dòng)軸承的主要特點(diǎn)●工作平穩(wěn)，無噪聲；●運(yùn)轉(zhuǎn)精度高；●形成液體潤滑時(shí)摩擦損失小，適合于高速；●徑向尺寸小而且可剖分。2.滑動(dòng)軸承的摩擦狀態(tài)（1）干摩擦狀態(tài)應(yīng)避免此種摩擦狀態(tài)。摩擦表面無潤滑劑，功率損失嚴(yán)重，磨損加劇，溫升高，軸瓦易破壞。（2）邊界摩擦狀態(tài)摩擦表面間有潤滑油存在，金屬表面上形成了一層極薄的邊界油膜。但尖峰部分仍直接接觸。多數(shù)滑動(dòng)軸承都是這種摩擦狀態(tài)。（3）液體摩擦狀態(tài)兩摩擦表面完全被潤滑油分隔開，形成了一定厚度的壓力油膜。這種摩擦狀態(tài)是潤滑油分子之間的摩擦，摩擦系數(shù)極小。重要軸承采用這種摩擦狀態(tài)。缺點(diǎn)：間隙調(diào)整困難，安裝不便1.整體式滑動(dòng)軸承17.2.1向心滑動(dòng)軸承17.2滑動(dòng)軸承的主要類型2.剖分式滑動(dòng)軸承優(yōu)點(diǎn)：間隙調(diào)整方便，安裝方便3.自動(dòng)調(diào)位滑動(dòng)軸承當(dāng)寬徑比B/d＞1.5時(shí)，調(diào)心式。軸瓦自動(dòng)調(diào)位以適應(yīng)軸頸在軸彎曲時(shí)所產(chǎn)生的偏斜17.2.2推力滑動(dòng)軸承17.3滑動(dòng)軸承的材料17.3.1材料的要求軸瓦的主要失效形式是磨損，因此對(duì)軸瓦材料的主要要求是：●強(qiáng)度：足夠的沖擊強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度；●跑合性能好；●很好的減摩性和耐磨性；●耐腐蝕性；●很好的工藝性；●良好的熱學(xué)性能；●經(jīng)濟(jì)性●很好的順應(yīng)性和嵌藏性；17.3.2常用材料1.金屬材料軸承合金（巴氏合金）以錫為基體加入一定量的Sb、Cu—錫基軸承合金以鉛為基體加入一定量的Sn、Sb—鉛基軸承合金跑合性能好，順應(yīng)性和嵌藏性為軸承材料中最好，抗膠合性能好，但強(qiáng)度低，通常作為襯附在青銅或鑄鐵的軸瓦上使用。青銅強(qiáng)度較高，鑄錫鉛鋅青銅最常用鋁基合金強(qiáng)度高，耐腐蝕，導(dǎo)熱性良好減摩鑄鐵2.多孔質(zhì)金屬材料3.非金屬材料有鐵基粉末冶金和銅基粉末冶金。將金屬粉碎和石墨按一定比例混合，放在模子中壓鑄，然后燒，石墨被燒掉，留下間隙形成多孔結(jié)構(gòu)。使用前浸放在潤滑油中，并給潤滑油一定的壓力，使油滲透進(jìn)去，工作時(shí)產(chǎn)生潤滑。塑料、橡膠、梗木17.4軸瓦的結(jié)構(gòu)薄壁軸瓦厚壁軸瓦整體軸套卷制軸套供油—油孔輸油—油溝（注意開設(shè)的位置）儲(chǔ)油和穩(wěn)定供油—油室進(jìn)油孔油溝F軸瓦非承載區(qū)內(nèi)表面開有進(jìn)油口和油溝，以利于潤滑油均勻分布在整個(gè)軸徑上。軸承襯17.5軸承潤滑材料3.固體潤滑劑——二硫化鉬，石墨潤滑的目的：減小摩擦、磨損，散熱、防銹、防塵、吸振17.5.1潤滑劑1.潤滑油——植物油，礦物油，動(dòng)物油主要指標(biāo)：粘度、油性、凝點(diǎn)、閃點(diǎn)、酸值等2.潤滑脂——鈣基、鈉基、鋰基潤滑脂主要指標(biāo)：針入度、滴點(diǎn)17.5.2潤滑油性能指標(biāo)——粘度粘度：是反映液體層之間的剪應(yīng)力的速度梯度的比例關(guān)系---牛頓液體內(nèi)摩擦定律—速度梯度—?jiǎng)恿φ扯龋ń^對(duì)粘度）——物理意義：長寬高均為1米時(shí)的立方體中充滿液體，上下面之間發(fā)生v=1m/s的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度所需作用力為1N，這時(shí)液體的動(dòng)力粘度為1N·s/m2（或1pa·s）常用單位：1P（泊）=1dyn·s/cm21Pa·s=10P=100cP（厘泊）1.動(dòng)力粘度2.運(yùn)動(dòng)粘度γ：工業(yè)中常用粘度單位常用cm2/s表示運(yùn)動(dòng)粘度單位。稱為st（斯），百分之一st為cst（厘斯或厘池）粘溫特性：隨溫度變化而變化(溫度↑粘度↓)，且變化比較敏感，應(yīng)根據(jù)工作溫度來選取粘壓特性：隨壓力變化而變化，但變化較小。在50大氣壓下，對(duì)粘度影響不大，可以不考慮，但在彈性流體中必須計(jì)及壓力的影響粘度的變化規(guī)律:選擇粘度的原則：◆當(dāng)速度較高時(shí)，宜選用粘度低的油，防止功率損失太大；也可通過測(cè)試來確定油的粘度：在同一機(jī)器和相同的工作條件下，對(duì)不同粘度油進(jìn)行試驗(yàn)，功耗小而溫升又較低的潤滑油，其粘度較為相宜?！舢?dāng)有振動(dòng)沖擊時(shí)，粘度宜高，可起到緩和沖擊吸收振動(dòng)作用；◆當(dāng)表面未經(jīng)跑合時(shí)，粘度宜高，油膜不易破壞；◆當(dāng)循環(huán)潤滑時(shí)，粘度宜低，便于油的循環(huán)；◆低溫工作時(shí)的軸承，宜選用凝點(diǎn)低的油。17.6潤滑方法失效形式：17.7滑動(dòng)軸承的條件性計(jì)算設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：①磨損導(dǎo)致軸承配合間隙加大，影響軸的旋轉(zhuǎn)精度，甚至使軸承不能正常工作。高速重載且潤滑不良時(shí)，摩擦加劇，發(fā)熱多，使軸承上較軟的金屬粘焊在軸頸表面而出現(xiàn)膠合。②膠合條件性計(jì)算1.限制軸承的壓強(qiáng)p目的—防止軸瓦過度磨損。許用壓強(qiáng)，查表17.1~2平均壓強(qiáng)：17.7.1徑向軸承2.限制軸承的pv值目的—控制軸承的發(fā)熱量，防止膠合破壞。pvf——單位面積上的摩擦功率損失，所以，pv值表征了軸承發(fā)熱量的大小。pv↑發(fā)熱量↑溫升↑潤滑效果↓膠合→→→→許用pv值，查表17.1~23.限制滑動(dòng)速度v目的—防止滑動(dòng)速度過高而引起磨損許用線速度，查表17.1~22.限制軸承的pv值z(mì)－軸環(huán)數(shù)1.限制軸承的壓強(qiáng)p17.5.2推力軸承確定軸承結(jié)構(gòu)形式確定軸承寬度B和直徑d驗(yàn)算p、pv、v選擇軸承的配合選擇潤滑劑與潤滑裝置選擇軸瓦材料17.7.3設(shè)計(jì)步驟17.8液體動(dòng)力潤滑的基本方程式17.8.1雷諾潤滑方程式1.雷諾的假設(shè)1.接觸面間充滿液體——牛頓液體（符合牛頓液體內(nèi)摩擦定律）2.液體處于層流狀態(tài)3.不計(jì)液體質(zhì)量力的影響4.假設(shè)液體與固體表面有很好的吸附力（影響邊界條件）5.假設(shè)液體不可壓縮（即粘度、密度是定值）6.沿z方向液體無流動(dòng)（z向無窮大）第一步：力平衡分析整理得：2.雷諾方程的推導(dǎo)將牛頓液體代入得：由邊界條件確定c1、c2任一點(diǎn)速度：積分得：第二步：計(jì)算任一截面沿x方向的單位寬度（即dz=1）流量第三步：計(jì)算沿x方向油壓最大處的流量該截面沿x方向的單位寬度上流量為：第四步：根據(jù)液體不可壓縮，流量處處相等，有：第五步：整理得一維雷諾方程：設(shè)油壓最大處，間歇h=h0，該處有：1.雷諾方程的討論17.8.2油楔承載機(jī)理（1）當(dāng)h=h0時(shí)而因u的變化與y成線性關(guān)系，如圖（2）當(dāng)h＞h0時(shí)單調(diào)上升u的曲線是凹的，如圖（3）當(dāng)h＜h0時(shí)u的曲線是凸的，如圖單調(diào)下降可利用積分法求出全部油膜壓力之和——油膜的承載能力。正常情況下，油膜的承載能力與外載荷相平衡如果沿x方向，始終保持h=h0，則不能形成動(dòng)壓，如下圖所示。2.油膜承載能力的計(jì)算影響油膜承載能力的因素均可提高承載能力，其中h的影響最大。安全度系數(shù)，一般S≥2表面不平度值（1）分析vF兩摩擦表面平行，不會(huì)產(chǎn)生壓力油膜vp兩摩擦表面成楔形間隙，產(chǎn)生了壓力油膜進(jìn)油口出油口3.形成動(dòng)壓油膜的條件間隙內(nèi)的潤滑油形成了擁擠（2）形成動(dòng)壓油膜的必要條件●兩摩擦表面必須形成楔形●潤滑油必須從大口進(jìn)小口出●必須具有足夠的滑動(dòng)速度●必須充滿足夠的具有一定粘度的潤滑油v1V2=0v1V1=0V1=0v2v2v1v1v1v1v2v2v2v2vv√×××√√√√××v1v2＜v1v2＞v1v2＞v1v2＜17.9液體動(dòng)力潤滑徑向軸承的計(jì)算計(jì)算項(xiàng)目：1.驗(yàn)算p，pv，v，因?yàn)槠饎?dòng)時(shí)屬于混合摩擦狀態(tài)；2.液體動(dòng)力潤滑時(shí)承載能力的計(jì)算：（1）坐標(biāo)的變換：直角坐標(biāo)——極坐標(biāo)（2）作用力方向上的合力（承載能力）（3）軸承寬度的影響（即z方向）：端部泄漏問題本節(jié)主要內(nèi)容為：如何利用雷諾方程的原理，計(jì)算液體動(dòng)力潤滑徑向軸承的承載能力，并分析有哪些因素影響軸承的承載能力。17.9.1幾何關(guān)系R——軸承孔半徑相對(duì)間隙Ψ：r——軸半徑半徑間隙δ：偏心距e：偏心率ε：與工作狀態(tài)有關(guān)hmin：最小油膜厚度h：任意位置的油膜厚度17.9.2動(dòng)壓潤滑狀態(tài)的建立no1oo1oo1oo1onn靜止啟動(dòng)不穩(wěn)定運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行RRRR1.動(dòng)力潤滑狀態(tài)建立的過程2.檢驗(yàn)層流條件雷諾方程式是建立在層流基礎(chǔ)上的。一般認(rèn)為雷諾數(shù)Re≤2000時(shí)為層流流動(dòng)。 ——層流流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯倪^渡雷諾數(shù)對(duì)于徑向軸承，層流必須滿足的條件為：17.9.3承載能力和索氏數(shù)S0β——軸承包角α1+α2——承載油膜角θ——偏位角φ——任意位置油膜角φ1——油膜起始角φ2——油膜終止角設(shè)φ=φ0處，油膜壓力最大，此時(shí)，油膜厚度為h0：假設(shè)軸承為無限寬，則可以認(rèn)為滑動(dòng)軸承沿軸向沒有流動(dòng)。這時(shí)可利用一維雷諾方程計(jì)算其承載能力。第1步：坐標(biāo)變換具體步驟如下：代入雷諾方程：將上式積分，得在任意角φ處的油膜壓力：得：第2步：計(jì)算在φ1至φ2區(qū)間內(nèi)，沿外載荷方向單位寬度的油膜壓力第3步：計(jì)算整個(gè)寬度B的油膜的承載力F（不考慮端部泄露）第4步：變換整理S0——索氏數(shù)3.索氏數(shù)S0是軸承包角β和偏心率ε的函數(shù)，ε和β大，索氏數(shù)S0大，滑動(dòng)軸承的承載能力大，但同時(shí)，hmin也?。▓D17.18）。討論影響滑動(dòng)軸承承載能力的因素：1.η大，ω大，滑動(dòng)軸承的承載能力大，因此溫升對(duì)軸承的承載能力影響很大。2.ψ小，滑動(dòng)軸承的承載能力大。但ψ小，hmin就小，表面要求高，加工困難，且發(fā)熱量大，溫升高。4.Ｂ/d大，端部泄露小，承載能力大，但占用空間大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性降低。目前Ｂ/d有減小的趨勢(shì)。17.9.4流量計(jì)算17.9.5功耗計(jì)算——無量綱體積流量，是ε、B/d和β的函數(shù)，由圖17.19查得β為180°和120°時(shí)的值?！Σ撂匦韵禂?shù)，是ε、B/d和β的函數(shù)，由圖17.19查得β為180°和120°時(shí)的值。徑向軸承在承載區(qū)的摩擦功耗：軸承的體積流量：17.9.6熱平衡計(jì)算熱平衡條件：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)軸承所產(chǎn)生的摩擦熱量等于同時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的油所帶走的熱量及軸承散發(fā)的熱量之和。對(duì)于非壓力供油的向心軸承，熱平衡表述為：其中，Δt=t2-t1，t1和t2分別為潤滑油流入和流出間隙的溫度；cp為潤滑油的比容；ρ為潤滑油的密度；αb軸承的表面散熱系數(shù)。代入流量和功耗計(jì)算公式，可得：潤滑油的平均溫度：結(jié)合有：潤滑油的平均溫度一般不應(yīng)超過75℃，軸承的最高允許溫度t2max見表17.5（p352）。17.9.7保證液體動(dòng)力潤滑的條件17.9.8參數(shù)選擇1.寬徑比B/d

B/d小，占用空間小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好，但承載能力小。目前，B/d有減小的趨勢(shì)。軸承直徑與軸頸直徑的名義尺寸是相同的。軸頸直徑一般由軸的尺寸和結(jié)構(gòu)確定，除滿足強(qiáng)度和剛度外，還要滿足潤滑及散熱要求。此外，還