18 滑动轴承.ppt

第四篇轴系零部件 滑动轴承 滚动轴承 轴 联轴器 离合器 第十八章滑动轴承 18 1滑动轴承概述 18 2滑动轴承的结构 18 3滑动轴承的失效形式及常用材料 18 4滑动轴承的润滑 18 5不完全液体润滑滑动轴承的设计计算 18 6液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算 18 7其它形式滑动轴承简介 第十八章滑动轴承 轴承的作用是支承轴 轴在工作时可以是旋转的 也可以是静止的 1 能承担一定的载荷 具有一定的强度和刚度 2 具有小的摩擦力矩 使回转件转动灵活 3 具有一定的支承精度 保证被支承零件的回转精度 一 轴承应满足如下基本要求 18 1概述 轴承按摩擦性质分 滑动轴承和滚动轴承 工作时轴承和轴颈的支撑面间形成直接或间接滑动摩擦的轴承 称为滑动轴承 二 轴承的分类 滚动轴承 滑动轴承 滑动轴承特点 轴与瓦面接触 承载大 抗冲击 油膜缓冲 减振 降噪 液体润滑状态摩擦系数小 寿命长 极限转速高 特殊结构要求 特大结构 滑动轴承成本低 剖分式结构 便于曲轴上安装 径向尺寸小 适合特殊工况 水 油 腐蚀 无润滑介质条件 缺点 起动阻力大 润滑 维护较滚动轴承复杂 三 应用 1 转速特高或特低的轴承 高速离心机 2 对回转精度要求特别高的轴承 精密磨床 3 承受特大载荷的轴承 汽轮机 水轮机主轴轴承 4 冲击 振动较大的轴承 内燃机 锻压设备 5 特殊工作条件下的轴承 化工机械 泵 6 径向尺寸受限制的轴承 机械手表 或轴承要做成剖分式的结构 曲轴的轴承 应用实例 滑动轴承的分类 液体润滑轴承 不完全液体润滑滑动轴承 自润滑轴承 设计滑动轴承时应解决的问题 1 确定轴承的结构形式 2 选择轴瓦和轴承衬的材料 3 确定轴承结构参数 4 选择润滑剂和润滑方法 5 计算轴承的工作能力及热平衡计算 1 整体式 应用 低速 轻载或间歇性工作的机器中 一 径向轴承的结构形式 18 2滑动轴承的典型结构 如图 由轴承座 整体轴套 油孔等组成 组成 轴承盖 轴承座 剖分轴瓦和双头螺柱等 2 对开式 特点 结构复杂 安装方便 磨损后可通过减少剖分面垫片厚度来调整轴承间隙 轴承中直接支承轴颈的零件是轴瓦 为了节省贵重金属或因其他需要 常在轴瓦表面粘附一层轴承衬 螺纹孔 轴承座 轴承盖 双头螺柱 剖分轴瓦 为了安装时容易对中 在轴承盖与轴承座的剖分面作出阶梯形的榫口 轴承盖上制有螺纹孔 以便安装油杯或油管 当载荷垂直向下或略有偏斜时 轴承剖分面常为水平方向 若载荷方向有较大偏斜时 则轴承的剖分面也斜着布置 通常倾斜45 使剖分平面垂直于或接近垂直于载荷方向 斜开向心轴承 3 调心式径向滑动轴承 轴瓦的瓦背制成凸球面将其支承面制成凹球面 从而组成调心轴承 4 调隙式径向滑动轴承 轴上的轴向力应采用止推轴承来承受 止推滑动轴承由轴承座和止推面组成止推面可以利用轴的端面 也可在轴的中段做出凸肩或装上推力圆盘 二 止推滑动轴承的结构形式 推力滑动轴承 空心式 轴颈接触面上压力分布较均匀 润滑条件较实心式的改善 单环式 利用轴颈的环形端面止推 结构简单 润滑方便 广泛用于低速 轻载的场合 多环式 不仅能承受较大的轴向载荷 有时还可承受双向轴向载荷 由于各环间载荷分布不均 其单位面积的承载能力比单环式低50 空心式 单环式 多环式 空心式 单环式 多环式 其结构设计是否合理对轴承性能影响很大 轴瓦应具有以下要求 一定的强度和刚度 定位可靠 便于输入润滑剂 容易散热 并装拆 调整方便 轴瓦 滑动轴承中直接与轴颈接触的重要零件 滑动轴承轴瓦结构 一 轴瓦的形式和结构 按构造分类 整体式 对开式 按加工分类 按尺寸分类 按材料分类 需从轴端安装和拆卸 可修复性差 可以直接从轴的中部安装和拆卸 可修复 轴瓦的类型 整体轴套 对开式轴瓦 按构造分类 按加工分类 按尺寸分类 按材料分类 轴瓦的类型 厚壁 薄壁 整体式 对开式 节省材料 但刚度不足 故对轴承座孔的加工精度要求高 具有足够的强度和刚度 可降低对轴承座孔的加工精度要求 按构造分类 按加工分类 按尺寸分类 按材料分类 轴瓦的类型 单材料 多材料 单一材料 强度足够的材料可以直接作成轴瓦 如黄铜 灰铸铁 轴瓦衬强度不足 故采用多材料制作轴瓦 厚壁 薄壁 整体式 对开式 按构造分类 按加工分类 按尺寸分类 按材料分类 轴瓦的类型 铸造轴瓦 卷制轴套 铸造 轧制 铸造工艺性好 单件 大批生产均可 适用于厚壁轴瓦 只适用于薄壁轴瓦 具有很高的生产率 单材料 多材料 厚壁 薄壁 整体式 对开式 轴承衬 整体式轴瓦 剖分式轴瓦 二 轴瓦的定位方法 轴向定位 凸耳 定位唇 定位 凸耳 凸缘 目的 防止轴瓦与轴承座之间产生轴向和周向的相对移动 紧定螺钉 周向定位 销钉 三 轴瓦的油孔和油槽 作用 把润滑油导入轴颈和轴承所构成的运动副表面 进油孔 油沟 开孔原则 形式 按油槽走向分 沿轴向 绕周向 斜向 螺旋线等 2 轴向油槽不能开通至轴承端部 应留有适当油封面 1 尽量开在非承载区 尽量不要降低或少降低承载区油膜的承载能力 开孔原则 5 水平安装轴承油槽开半周 不要延伸到承载区 全周油槽应开在靠近轴承端部处 3 润滑油应从油膜压力最小处输入轴承 4 油槽轴向不能开通 以免油从油槽端部大量流失 18 3滑动轴承的失效形式及常用材料 一 滑动轴承常见失效形式 其它失效形式气蚀 电侵蚀 流体侵蚀和微动磨损 详细说明 磨粒磨损 刮伤 咬粘 胶合 疲劳剥落 腐蚀 轴承材料 轴瓦和轴承衬的材料 二 滑动轴承的材料 对材料性能要求 金属材料多孔质金属材料非金属材料 常用轴承材料 在较软的金属 锡 铅 基体中加入适量的硬金属 锑 铜 而成 优点 嵌入性和耐磨性较好 很容易与轴颈磨合 也不易与轴颈发生咬粘缺点 强度很低 价格很贵因此不能单独制作轴瓦 只能贴附在青铜 钢或铸铁轴瓦上作轴承衬 特点 一 金属材料1 轴承合金 白合金 巴氏合金 2 铜合金 特点 锡青铜减摩性和耐磨性最好 铅青铜抗粘附能力强 铝青铜强度及硬度较高 应用 锡青铜适用于重载 中速场合 铅青铜适用于高速 重载场合 铝青铜适用于低速 重载场合 类型 锡青铜铅青铜铝青铜 3 铸铁 4 铝基轴承合金具有很好的耐蚀性和较高的疲劳强度 摩擦性能也较好 在部分领域取代了较贵的轴承合金和青铜 二 多孔制金属材料 粉末冶金 利用铁或铜和石墨粉末 树脂混合经压型 烧结 整形 浸油而制成的 其特点是组织疏松多孔 孔隙中能大量吸收润滑油 称含油轴承 具有自润滑的性能 多孔质金属材料的韧性小 只适应于平稳的无冲击载荷及中 小速度情况下 18 5滑动轴承润滑剂的选用 轴承润滑的目的 在于降低摩擦功耗 减少磨损 同时还起到冷却 吸振 防锈等作用 1 润滑剂的选择 工作载荷 相对滑动速度 工作温度和特殊工作环境 1 润滑油 1 压力大 温度高 载荷冲击变动大 粘度大的润滑油 2 滑动速度大 粘度较低的润滑油 3 粗糙或未经跑合的表面 粘度较高的润滑油 2 润滑脂 3 固体润滑剂 一 润滑脂及其选择 特点 无流动性 可在滑动表面形成一层薄膜 适用场合 要求不高 难以经常供油 或者低速重载以及作摆动运动的轴承中 选择原则 当压力高和滑动速度低时 选择针入度小一些的品种 反之 选择针入度大一些的品种 所用润滑脂的滴点 一般应较轴承的工作温度高约20 30 以免工作时润滑脂过多地流失 在有水淋或潮湿的环境下 应选择防水性能强的钙基或铝基润滑脂 在温度较高处应选用钠基或复合钙基润滑脂 润滑脂牌号表 二 润滑油及其选择 特点 有良好的流动性 可形成动压 静压或边膜界润滑膜 适用场合 不完全液体滑动轴承和完全液体润滑滑动轴承 选择原则 主要考虑润滑油的粘度 转速高 压力小时 油的粘度应低一些 反之 粘度应高一些 高温时 粘度应高一些 低温时 粘度可低一些 润滑油牌号表 2 润滑方法 1 油润滑 连续供油 间歇供油 油壶或油枪 1 滴油润滑 2 绳芯润滑 3 油环润滑 4 浸油润滑 5 飞溅润滑 6 压力循环润滑 2 脂润滑 旋盖式油脂杯 黄油枪 润滑方法 三 固体润滑剂及其选择 特点 可在滑动表面形成固体膜 常用类型 二硫化钼 碳 石墨 聚四氟乙烯等 使用方法 涂敷 粘结或烧结在轴瓦表面 制成复合材料 依靠材料自身的润滑性能形成润滑膜 适用场合 有特殊要求的场合 如环境清洁要求处 真空中或高温中 18 6不完全液体润滑滑动轴承的设计计算 轴承只能在混合摩擦润滑状态下工作 不完全液体润滑滑动轴承 可靠的工作条件 边界油膜不遭破裂 维持粗糙表面微腔内有液体润滑存在 主要失效形式 边界油膜破裂 产生磨损和胶合 其次是表面压溃和点蚀 目前采用的计算方法是间接的 条件性的 设计准则 保证边界油膜不致破裂 一 计算公式 1 限制轴承压强p p 2 限制轴承压强与轴颈圆周速度的乘积pv pv 目的 防止轴瓦过度磨损 目的 控制轴承的发热量 限制温升 防止胶合破坏 pv f 单位面积上的摩擦功率损失 所以 pv值表征了轴承发热量的大小 pv 发热量 温升 润滑效果 轴颈圆周速度 摩擦系数 胶合 3 限制滑动速度v v v 目的 防止滑动速度过高而加速磨损 1 验算轴承的平均压力 压强 p 一 径向滑动轴承的计算 平均压力 式中 F为轴承径向载荷 N n为轴颈的转速 r min B为轴承宽度 mm d为轴颈直径 mm p 为轴瓦材料的许用压力 MPa 表18 1 已知条件 外加径向载荷F N 轴颈转速n r mm 及轴颈直径d mm 2 验算轴承的pv值 式中 F为轴承径向载荷 N B为轴瓦宽度 mm d为轴颈直径 mm pv 为轴瓦材料的许用值 MPa m s 许用pv值查表18 1 3 验算滑动速度v 目的 防止滑动速度过高而引起磨损 轴承材料许用滑动速度 见表18 1 选择配合 p v pv 的选择 一般可选H9 d9或H8 f7 H7 f6 许用压力 多环 将表18 1的值适当降低50 z 推力环的数目 二 止推滑动轴承的计算 1 限制轴承的压强p 推力轴承止推面多采用环形止推面 很少用实心的 采用多环轴颈可承受较大的载荷 同时能承受双向载荷 轴环直径 轴承孔直径 轴向载荷 2 验算轴承的pv值 式中 止推环的平均速度 平均直径 平均速度 对于多环推力轴承 由于制造和装配误差使各支承面上所受的载荷不相等 p 和 pv 值应减小50 不完全液体润滑滑动轴承设计步骤 确定轴承结构形式 确定轴承宽度B和直径d 验算p pv v 选择轴承的配合 选择润滑剂与润滑装置 选择轴瓦材料 例 试按非液体摩擦状态设计图示的滑动轴承 F 20kN 轴承内轴颈转速为n 20r min 轴颈直径d 60mm F n d 4 计算速度v 5 计算pv值 6 验算并选取润滑剂 因此 该轴承满足强度和功率损耗条件 由于速度很低 采用脂润滑 用油杯加脂 3 计算压强p 18 7液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算 流体动力润滑的楔效应承载机理 第四章 本章将讨论流体动力润滑理论的基本方程 雷诺方程及其在液体动力润滑径向滑动轴承设计计算中的应用 流体动力润滑 两个作相对运动物体的摩擦表面 借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开 流体润滑 由流体膜产生的压力来平衡外载荷 优点 摩擦力小 磨损小 缓和振动与冲击 液体动压轴承 流体动力润滑的基本方程是描述流体膜压力分布的微分方程 是从粘性流体动力学的基本方程出发 做了一些假设条件简化后得到的简化形式的流体动力平衡方程 这些假设条件是 假设 一 流体动压润滑基本方程 雷诺方程 1 忽略油层的重力和惯性力影响 2 润滑油不可压缩 忽略粘压效应 3 油压沿膜厚方向不变 4 油为牛顿流体 处于层流状态 取某一油层中的单元体作为研究对象 通过建立平衡方程和给定边界条件 可得流体动力润滑滑动轴承的基本方程 1 模型建立 相互倾斜A B板被润滑油隔开 B静止 A板沿x轴方向的速度为V 假定油沿Z方向没有流动 一维雷诺方程 2 力平衡条件 压力沿 方向与速度沿 方向的变化关系 整理得 由牛顿粘性定律知 dx 一维雷诺方程 3 雷诺方程意义 两工作表面必须形成收敛的楔形间隙 两工作表面必须具有一定的相对滑动速度 相对滑动速度方向必须使润滑油从大口进小口出 间隙中必须连续充满具有一定粘度的润滑油 2 形成流体动压润滑必要条件 二 油楔承载机理 1 分析 2 结论 因此 油膜压力形成图示上部曲线所示的分布 油楔内各处油压都大于入口和出口处的压力 产生正压力以支承外载 形成流体动力润滑的必要条件是 1 相对运动两表面必须形成一个收敛楔形 2 被油膜分开的两表面必须有一定的相对滑动速度vs 其运动方向必须使润滑从大口流进 小口流出 3 润滑油必须有一定的粘度 供油要充分 3 稳定运转阶段 图A静止 1 停车状态n 0 轴颈与轴承孔在最下方位置接触 如图A所示 流体动力润滑的工作过程 起动 不稳定运转 稳定运转三个阶段 三 径向滑动轴承形成流体动力润滑的过程 轴承的孔径D和轴颈的直径d名义尺寸相等 直径间隙 是公差形成的 构成了收敛的楔形间隙 形成动压油膜的首要条件 3 不稳定运转阶段 随n 进入油楔腔内油逐渐增多 动压油膜逐渐形成 将轴颈与轴承表面逐渐分开 摩擦力也逐渐减小 如图c所示 因油膜内各点压力的合力有向左推动轴颈的分力存在 因此轴颈将向左下方移动 2 启动阶段 开始起动时 由于轴颈转速不高 进入楔形空间的油量很少 尚不足以形成压力油膜将轴颈与轴承表面分开 两者间直接接触 在摩擦力的作用下 轴颈沿轴承孔内壁向右滚动爬升 如图B所示 图D稳定运行 但图C情况不能持久 因油膜内各点压力的合力有向左推动轴颈的分力存在 因而轴颈继续向左移动 在转速增大到一定数值后 足够多的润滑油进入楔形空间 形成能平衡外载荷的动压油膜 轴颈被动压油膜抬起 稳定地在轴承孔中心偏左的某一位置上转动 如图D所示 动画演示 4 稳定运转阶段 此时油膜内各点的压力 其垂直方向的合力与载荷F平衡 其水平方向的压力 左右自行抵消 于是轴颈就稳定在此平衡位置上旋转 若外载荷 转速及润滑油粘度保持不变 轴颈将在这一位置稳定地转动 轴颈最终的平衡位置可用 a和偏心距e来表示 四 径向滑动轴承的几何关系和承载量系数 偏心率 e 为直径间隙 D d 为半径间隙 R r 2 e OO1为偏心距 相对间隙 r d 1 几何关系 1 压力最大处油膜厚度 2 油膜最小厚度hmin 轴承工作能力取决于hmin 它与 和F等有关 应保证hmin h hmin e r 1 积分一维雷诺方程 并考虑到压力沿轴承宽度方向的分布 Cp 承载量系数 与轴承包角 宽径比B d和偏心率 有关 可得油膜的承载能力 详细说明 五 径向滑动轴承工作能力计算简介 1 轴承的承载量计算和承载量系数 分析思路 1 根据已知条件计算求得Cp 2 根据Cp和B d由承载量系数表 表18 6 查取偏心率 CP B d 3 计算最小油膜厚度hmin r 1 2 最小油膜厚度hmin的确定 其中 h S Rz1 Rz