第15章滑動軸承

第15章滑動軸承§15-1摩擦狀態(tài)§15-2滑動軸承的結構型式§15-3軸瓦及軸承襯材料§15-5非液體摩擦滑動軸承的計算§15-4潤滑劑和潤滑裝置§15-6動壓潤滑的基本原理§15-8靜壓軸承與空氣軸承簡介§15-7液體動壓多油楔軸承簡介1）支承軸及軸上零件，并保持軸的旋轉精度；2）減少轉軸與支承之間的摩擦和磨損分類：滾動軸承軸承的功用：滑動軸承應用實例：汽輪機、離心式壓縮機、內燃機、大型電機、水泥攪拌機、滾筒清砂機、破碎機等機械常采用滑動軸承。優(yōu)點多，應用廣用于高速、高精度、重載、結構上要求剖分等場合。1.干摩擦

固體表面直接接觸，因而

不用許出現(xiàn)干摩擦！2.邊界摩擦§15-1摩擦狀態(tài)

→功耗↑

磨損↑

溫度↑

→燒毀軸瓦

運動副表面有一層厚度<1μm的薄油膜，不足以將兩金屬表面分開，其表面微觀高峰部分仍將相互搓削。比干摩擦的磨損輕，f≈0.1~0.3v有一層壓力油膜將兩金屬表面隔開，彼此不直接接觸。3.液體摩擦摩擦和磨損極輕，f≈0.001~0.01vvvfηn/po在一般機器中，處于以上三種情況的混合狀態(tài)。邊界摩擦混合摩擦液體摩擦摩擦特性曲線稱無量綱參數ηn/p為軸承特性數。

η-動力粘度，p-壓強，n-每秒轉數一、向心滑動軸承組成：軸承座、軸套或軸瓦、聯(lián)接螺栓等?！?5-2滑動軸承的結構型式整體式向心滑動軸承剖分式向心滑動軸承榫口螺紋孔軸承座軸承軸承座軸承蓋聯(lián)接螺栓剖分軸瓦薄壁軸瓦軸瓦非承載區(qū)內表面開有進油口和油溝，以利于潤滑油均勻分布在整個軸徑上。進油孔油溝F整體軸套厚壁軸瓦卷制軸套作用：用來承受軸向載荷

二、推力滑動軸承

結構特點：在軸的端面、軸肩或安裝圓盤做成止推面。在止推環(huán)形面上，分布有若干有楔角的扇形快。其數量一般為6~12。---傾角固定，頂部預留平臺，

類型固定式可傾式用來承受停車后的載荷。---傾角隨載荷、轉速自行

調整，性能好。

FF巴氏合金繞此邊線自行傾斜F材料要求：§15-3軸瓦及軸承襯材料1）摩擦系數?。?）導熱性好，熱膨脹系數小；3）耐磨、耐腐蝕、抗膠合能力強；4）有足夠的機械強度和塑性。能同時滿足這些要求的材料是難找的，但應根據具體情況主要的使用要求。工程上常用澆鑄或壓合的方法將兩種不同的金屬組合在一起，性能上取長補短。軸承襯一、軸承合金（白合金、巴氏合金）1）錫銻軸承合金優(yōu)點：f小，抗膠合性能好、對油的吸附性強、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。2）青銅缺點：價格貴、機械強度較差；只能作為軸承襯材料澆注在鋼、鑄鐵、或青銅軸瓦上。工作溫度：t<120℃

由于巴式合金熔點低優(yōu)點：青銅強度高、承載能力大、耐磨性和導熱性都優(yōu)于軸承合金。工作溫度高達250℃。缺點：可塑性差、不易跑合、與之相配的軸徑必須淬硬。青銅可以單獨制成軸瓦，也可以作為軸承襯澆注在鋼或鑄鐵軸瓦上。鋁青銅鉛青銅錫青銅→中速重載→中速中載→低速重載3）具有特殊性能的軸承材料含油軸承：用粉末冶金法制作的軸承，具有多孔組織，可存儲潤滑油?？捎糜诩佑筒环奖愕膱龊?。橡膠軸承：具有較大的彈性，能減輕振動使運轉平穩(wěn)，可用水潤滑。常用于潛水泵、沙石清洗機、鉆機等有泥沙的場合。塑料軸承：具有摩擦系數低、可塑性、跑合性良好、耐磨、耐腐蝕、可用水、油及化學溶液等潤滑的優(yōu)點。運轉時軸瓦溫度升高，由于油的膨脹系數比金屬大，油自動進入摩擦表面起到潤滑作用。含油軸承加一次油，可使用較長時間。鑄鐵：用于不重要、低速輕載軸承。缺點：導熱性差、膨脹系數大、容易變形。為改善此缺陷，可作為軸承襯粘復在金屬軸瓦上使用。表15-1常用軸瓦及軸承襯材料的性能材料及其代號鑄錫銻軸承合金ZSnSb11Cu6鑄鉛銻軸承合金ZPbSb16Sn16Cu2鑄錫青銅ZCuSn10P1鑄錫青銅ZCuSn5Pb5Zn5鑄鋁青銅ZCuAl10Fe3[p]Mpa[pv]Mpa.m/s平穩(wěn)沖擊25202015HBS金屬型砂型最高工作溫度℃軸徑硬度150HBS150HBS45HBC45HBC45HBC150150280280280273090806560110100151581510151512§15-4潤滑劑和潤滑裝置一、潤滑劑作用：降低摩擦功耗、減少磨損、冷卻、吸振、防銹等。分類液體潤滑劑----潤滑油半固體潤滑劑----潤滑脂固體潤滑劑1.潤滑油在用的大部分潤滑油為礦物油（石油）粘度----重要參數

在軸承中，潤滑油最重要的物理參數是粘度，它是選擇潤滑油的主要依據。粘度表征液體流動的內摩擦特性。A、B兩板之間充滿了液體，B板靜止，A板水平移動速度為v。由于液體與金屬表面的吸附作用，A板表面的液體速度為v，而B板表面的液體速度為0。兩板之間的速度呈線性分布。液體層與層之間摩擦切應力：τ=ηdudy-----牛頓液體流動定律

η----液體的動力粘度，簡稱粘度量綱：力·時間/長度2單位：N·s/m2(Pa·s)或泊：1P=1dyn

·s/cm2

運動粘度：ν

=ηρ

單位：

m2

/

s或斯St：cm2/s或厘斯cSt：1St=100cSt實驗結果：

oxyydydu分析位置y處薄層的受力AB我國石油產品是用運動粘度標定的表15-2常用常用潤滑油的主要性質名稱全損耗系統(tǒng)用油GB443-89汽輪機油GB11120-89代號40℃的粘度mm2/sL-AN76.12~7.48-10110凝點≤

C閃點(開式)≥C用于高速底負荷機械、精密機床、紡織紗錠的潤滑和冷卻。普通機床的液壓油。用于一般滑動軸承、齒輪、蝸輪的潤滑用于重型機床導軌、礦山機械的潤滑。用于汽輪機、發(fā)電機等高速高負荷軸承和各種小型液體潤滑軸承L-AN10090~1100210L-AN109.0~11.0-10125L-AN1513.5~16.5-10165L-AN3228.8~32.2-10170L-AN4641.4~50.6-10180L-AN6861.2~74.8-10190L-TSA3228.8~35.2-7180L-TSA4641.4~50.6主要用途0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃η2.

潤滑脂潤滑油的特性：1）溫度t↑2）壓力p

↑選用原則：1)載荷大、溫度高的軸承，宜選用粘度大的油；2)載荷小、轉速高的軸承，宜選用粘度小的油；----潤滑油與各種稠化劑（鈣、鈉、鋁、鋰等金屬皂）混合稠化而成。優(yōu)點：密封簡單、不需要經常添加、不易流失；對速度和溫度不敏感，適用范圍廣。→η↓ 但p<10Mpa時可忽略。變化很小→η↑ 粘--溫圖

L-TSA32L-TSA46L-AN100L-AN1503.

固體潤滑劑缺點：摩擦損耗較大、機械效率低，不適宜高速場合。目前使用最多的是鈣基脂，有耐水性，常用于60℃以下的各種機械設備的軸承。聚氟乙烯樹脂用于潤滑油不能勝任工作的場合：高溫、低速重載。石墨二流化鉬（MoS2）---性能穩(wěn)定、t>350℃才開始氧化，可在水中工作。-----摩擦系數低，使用溫度范圍廣

(-60~300℃)，但遇水性能下降。-----摩擦系數低，只有石墨的一半。其應用日漸廣泛

在油、脂中加入少量石墨或二流化鉬粉末，形成邊界油膜，填平粗糙表面而減少磨損。不能完全排除磨損。使用方式：1.調和在潤滑油中；2.涂覆、燒結在摩擦表面形成覆蓋膜；3.混入金屬或塑料粉末中燒結成型。二、潤滑裝置1.油杯針閥式油杯旋蓋式油杯脂用壓注式油杯彈簧蓋油杯2.油環(huán)

一、向心軸承1.軸承的壓強pF----徑向載荷，B----軸瓦寬度，d----軸徑，[p]----許用壓強?！?5-5非液體摩擦滑動軸承的計算限制軸承壓強p，以保證潤滑油不被過大的壓力擠出，從而避免軸瓦產生過渡的磨損。

p=≤[p]FBd2.軸承的pv值

壓強限制p以保證潤滑劑不被擠出n----轉速，[pv]----許用值。

pv=

·

FBdπdn60×1000≤[pv]pv與功耗成正比，它表征了軸承的發(fā)熱因素，pv越大，溫升越高，越容易引起油膜的破裂二、推力軸承

z----軸環(huán)數,

pvm=[pv]≤[p]考慮承載的不均勻性，

[p]、[pv]應降低20~40%Fd1d2Fd1d2一、動壓潤滑的形成和原理和條件§15-6動壓潤滑的基本原理FFFF先分析平行板的情況。板B靜止，板A以速度向左運動，板間充滿潤滑油，無載荷時，液體各層的速度呈三角形分布，近油量與處油量相等，板A不會下沉。但若板A有載荷時，油向兩邊擠出，板A逐漸下沉，直到與B板接觸。兩平形板之間不能形成壓力油膜！

v

vvh1aah2cc如兩板不平行板。板間間隙呈沿運動方向由大到小呈收斂楔形分布，且板A有載荷，當板A運動時，兩端速度若程虛線分布，則必然進油多而出油少。由于液體實際上是不可壓縮的，必將在板內擠壓而形成壓力，迫使進油端的速度往內凹，而出油端的速度往外鼓。進油端間隙大而速度曲線內凹，出油端間隙小而速度曲線外凸，進出油量相等，同時間隙內形成的壓力與外載荷平衡，板A不會下沉。這說明了在間隙內形成了壓力油膜。這種因運動而產生的壓力油膜稱為動壓油膜。各截面的速度圖不一樣，從凹三角形過渡到凸三角形，中間必有一個位置呈三角形分布。動壓油膜----因運動而產生的壓力油膜。vvvh0bbFF形成動壓油膜的必要條件：1.兩工件之間的間隙必須有楔形間隙；2.兩工件表面之間必須連續(xù)充滿有粘性的液體；3.兩工件表面必須有相對滑動速度。其運動方向必須保證潤滑油從大截面流進，從小截面出來?！?/p>

Fy=F∑

Fx

≠0∑

Fy=F∑

Fx

=0向心軸承動壓油膜的形成過程：靜止→爬升→將軸起抬轉速繼續(xù)升高→質心左移→穩(wěn)定運轉達到工作轉速e----偏心距eB二、流體動壓潤滑的基本方程假設條件：1.Z向無限長，潤滑油在Z向沒有流動；2.壓力p不隨y值的大小而變化；3.潤滑油粘度

η不隨壓力而變化；4.潤滑油處于層流狀態(tài)。取微單元進行受力分析:

ττ+dτp+dppAxzypdydz+(τ+dτ)dxdz-(p+dp)dydz

–τdxdz=0=dτdydxdpdyduτ=η整理后得：又有：=ηdxdpd2udy2得：任意一點的油膜壓力p沿x方向的變化率，與該點y向的速度梯度的導數有關。對y積分得：u=y2+C1y+C2

2η1dxdp邊界條件：當y=0時，u=-v→C2=-v當y=h時，u=0→C1=h+2η1dxdphvvvFaaccxzy代入得：u=(y2-hy)+2η1dxdpvhy-h任意截面內的流量：依據流體的連續(xù)性原理，通過不同截面的流量是相等的b-b截面內的流量：該處速度呈三角形分布，間隙厚度為h0負號表示流速的方向與x方向相反，因流經兩個截面的流量相等，故有：=6ηvdxdph0-hh3得：---一維雷諾方程由上式可得壓力分布曲線:p=f(x)在b-b處：h=h0，p=pmax速度梯度du/dy呈線性分布，其余位置呈非線性分布。流量相等，陰影面積相等。液體動壓潤滑的基本方程，它描述了油膜壓力p的變化與動力粘度、相對滑動速度及油膜厚度h之間的關系。pmaxxph0bb三、徑向滑動軸承的幾何關系和承載量系數最小油膜厚度：

hmin=δ－e＝

rψ(1-χ)

定義:χ＝e/δ為偏心率

直徑間隙：Δ＝D－d半徑間隙：δ＝R－r＝Δ/2定義連心線OO1為極坐標的極軸：

相對間隙：ψ

＝

δ/r＝Δ/d

hlim穩(wěn)定工作位置如圖所示，連心線與外載荷的方向形成一偏位角，

eφah0設軸孔半徑為：R,r

直徑為：

D，d，偏心距:e

偏位角：φa在三角形中有：R2

＝

e2+（r+h)2–2e(r+h)cosv

hDd=6ηvdxdph0-hh3將一維雷諾方程：改寫成極坐標的形式

略去二次微量，并取根號為正號，得：任意位置油膜厚度：將dx=rdφ,v=rω，h0,h代入上式得：壓力最大處的油膜厚度：φ0為壓力最大處的極角。

積分得：積分可得軸承單位寬度上的油膜承載力：

在外載荷方向的分量：

理論上只要將py乘以軸承寬度就可得到油膜總承載能力，但在實際軸承中，由于油可能從軸承兩端泄漏出來，考慮這一影響時，壓力沿軸向呈拋物線分布。油膜壓力沿軸向的分布：理論分布曲線----水平直線，各處壓力一樣；實際分布曲線----拋物線且曲線形狀與軸承的寬徑比B/d有關。FdD

B

B

FdDB/d=1/4FdDB/d=1/3FdDB/d=1/2FdDB/d=1FdD……B/d=∞

油膜沿軸承寬度上的壓力分布表達式為：

py為無限寬度軸承沿軸向單位寬度上的油膜壓力；C’為取決于寬徑比和偏心率的系數;

對于有限寬度軸承，油膜的總承載能力為

式中Cp為承載量系數，計算很困難，工程上可查表確定。dDFyz

B

或解釋這些參數的含義表12-8有限寬度滑動軸承的承載量系數Cp四、最小油膜厚度

動力潤滑軸承的設計應保證：hmin≥[h]其中：[h]=S(Rz1+Rz2)S——安全系數，常取S≥2。一般軸承可取為3.2μm和6.3μm，1.6μm和3.2μm。重要軸承可取為0.8μm和1.6μm，或0.2μm和0.4μm。Rz1、Rz2——分別為軸頸和軸承孔表面粗糙度十點高度?？紤]表面幾何形狀誤差和軸頸撓曲變形等五、軸承的熱平衡計算

熱平衡方程：產生的熱量=散失的熱量

Q=Q1+Q2

其中，摩擦熱：Q=fρvW式中:q----潤滑油流量m3/s；ρ----滑油密度kg/m3；c

----潤滑油的比熱容，J/(kg.℃)；ti----油出口溫度℃；to----油入口溫度℃；α3----表面?zhèn)鳠嵯禂礧/(m2.℃)。滑油帶走的熱：Q1=qρc(to-ti)W軸承散發(fā)的熱：Q2=α3πdB(to-ti)W溫升公式：其中----潤滑油流量系數；

0.30.40.50.60.70.80.9χ

0.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.04qψvBd－=0.4Bd

1.3

2.0

1.5

1.0

0.8

0.7

0.6

0.5

0.9摩擦系數：系數ξ與寬徑比有關，若B/d<1，則ξ=(B/d)1.5

若B/d≥1，則ξ=1由于軸承內部各處溫度不一樣，計算時采用平均溫度:為了保證軸承能正常，其平均溫度:tm≤70~80℃

設計時，應使進油溫度:ti=tm-?t/2≤35~40℃

當ti>35~40℃時，表明軸承承載能力有冗余，可采取如下措施：

▲增大表面粗糙度，以降低成本；

▲減小間隙，提高旋轉精度；▲加寬軸承，充分利用軸承的承載能力。六、參數選擇1.寬徑比B/d寬徑比小，有利于提高運轉穩(wěn)定性，增大端泄漏量以降低溫升。但軸承寬度減小，軸承承載能力也隨之降低。B/d=0.3～1.512-5液體動力潤滑徑向滑動軸承的設計計算Designofthehydrodynamiclubricationbearings2.相對間隙

相對間隙主要根據載荷和速度選取。速度愈高，

值應愈大；載荷愈大，

值應愈小。此外，直徑大、寬徑比小，調心性能好，加工精度高時，

值取小值，反之取大值。六、參數選擇12-5液體動力潤滑徑向滑動軸承的設計計算Designofthehydrodynamiclubricationbearings3.粘度

粘度對軸承的承載能力、功耗和溫升影響很大，通常按平均溫度計算潤滑油粘度。平均溫度過低，則油的粘度較大，算出的承載能力偏高；反之，則承載能力偏低。六、參數選擇12-5液體動力潤滑徑向滑動軸承的設計計算Designofthehydrodynamiclubricationbearings液體動力潤滑徑向滑動軸承的設計計算7七、液體動力潤滑徑向滑動軸承的設計過程１．已知條件：外加徑向載荷F(N)，軸頸轉速n(r/min)及軸頸直徑d(mm)。２．設計及驗算：

保證在平均油溫tm下hmin

≥[h]

驗算溫升

選擇軸承材料，驗算p、v、pv。

選擇軸承參數，如軸承寬度(B)、相對間隙(ψ)和潤滑油(η)。

計算承載量系數(Cp)并查表確定偏心率(χ)。

計算最小油膜厚度(hmin)和許用油膜厚度([h])。

計算軸承與軸頸的摩擦系數(f)。

計算軸承溫升(Δt)和潤滑油入口平均溫度(ti

)。

根據寬徑比(B/d)和偏心率(χ)查取潤滑油流量系數

。詳細過程