滑动轴承20289.ppt

第8章滑动轴承 教学基本要求 重点与难点 1 了解摩擦状态 滑动轴承的类型 特点和应用2 了解滑动轴承的结构 材料及润滑3 掌握滑动轴承的失效形式及设计准则4 掌握油膜承载机理及液体滑动轴承的设计计算方法 1 滑动轴承的失效形式及设计准则2 压力油膜承载机理 滑动轴承的分类 根据所承受载荷的方向 滑动轴承可分为径向轴承 推力轴承两大类 根据轴系和拆装的需要 滑动轴承可分为整体式和剖分式两类 根据颈和轴瓦间的摩擦状态 滑动轴承可分为液体摩擦滑动轴承和非液体摩擦滑动轴承 根据工作时相对运动表面间油膜形成原理的不同 液体摩擦滑动轴承又分为液体动压润滑轴承和液体静压润滑轴承 简称动压轴承和静压轴承 液体静压轴承 是利用外界液压泵 将具有一定压力的润滑油送入轴颈与轴承之间 靠液体的静压力将工作表面完全隔开 并承受外载荷 液体动压轴承 由于运动形成液体动压力的油膜 将工作表面完全隔开 并承受外载荷 相对运动的表面完全被液体隔开 则运动时摩擦系数小 寿命长 实际使用中很难得到完全液体润滑的运动副 8 1概述 一 摩擦 根据摩擦副表面间的润滑状态将摩擦状态分为四种 8 1 1摩擦与磨损 二 磨损及其过程 运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐损失 这种现象称为磨损 单位时间内材料的磨损量称为磨损率 工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度 如磨削 研磨 抛光 跑合等 磨损过程大致可分为以下三个阶段 1 跑合 磨合 磨损阶段 2 稳定磨损阶段 3 剧烈磨损阶段 此阶段的特征是磨损速度及磨损率都急剧增大 在跑合阶段结束后应清洗零件 更换润滑油 1 磨粒磨损 由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒 对摩擦表面起到切削或刮擦作用 从而引起表层材料脱落的现象 称为磨粒磨损 减轻磨粒磨损 满足润滑条件 合理地选择摩擦副的材料 降低表面粗糙度值以及加装防护密封装置等 磨损分类 按照磨损的机理以及零件表面磨损状态的不同把磨损分为 2 粘着磨损 粘着作用引起的磨损 称为粘着磨损 粘着磨损按程度不同可分为五级 轻微磨损 涂抹 擦伤 撕脱 咬死 涂抹 擦伤 撕脱又称为胶合 往往发生于高速 重载的场合 合理地选择配对材料 采用表面处理 限制摩擦表面的温度 控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等 都可减轻粘着磨损 3 疲劳磨损 点蚀 两摩擦表面为点或线接触时 由于局部的弹性变形形成了小的接触区 这些小的接触区形成的摩擦副如果受变化接触应力的作用 则在其反复作用下 表层将产生裂纹 合理地选择材料及材料的硬度 选择粘度高的润滑油 加入极压添加剂或及减小摩擦面的粗糙度值等 可以提抗疲劳磨损的能力 4 腐蚀磨损 在摩擦过程中 摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的现象 称为腐蚀磨损 实际上大多数磨损是以上述四种磨损形式的复合形式出现的 8 1 2滑动轴承的特点 应用及分类 在以下场合 则主要使用滑动轴承 工作转速很高 如汽轮发电机 要求对轴的支承位置特别精确 如精密磨床 承受巨大的冲击与振动载荷 如轧钢机 特重型的载荷 如水轮发电机 根据装配要求必须制成剖分式的轴承 如曲轴轴承 径向尺寸受限制时 如多辊轧钢机 滑动轴承面接触 承载能力高 零件数少制造更精确 滑动轴承的特点 径向尺寸小 对于大型轴 滚动轴承不好装拆 可采用滑动轴承剖分结构 滑动轴承的特点 径向尺寸小 在特殊无润滑介质下也能胜任 滑动轴承的特点 各类滑动轴承 1整体式 一 向心滑动轴承的结构类型 特点 1 结构简单 成本低2 轴套磨损后 间隙无法调整3 装拆不便 只能从轴端装拆 适于低速 轻载或间隙工作的机器 8 2滑动轴承的结构 材料和润滑 8 2 1滑动轴承的结构 特点 结构复杂 可以调整磨损而造成的间隙 安装方便 应用场合 低速 轻载或间歇性工作的机器中 剖分式轴承 整体轴套 对开式轴承 剖分轴套 2剖分式 3调心滑动轴承 二 推力滑动轴承的结构型式 普通推力轴承 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 滑动轴承的失效形式磨粒磨损胶合 重载 油膜破裂或润滑不良 产生粘附和迁移 点蚀 疲劳剥落 腐蚀 8 2 2轴承材料和轴瓦结构 磨粒磨损 咬粘 胶合 疲劳剥落 腐蚀 气蚀 流体侵蚀 电侵蚀和微动磨损 轴承材料是指在轴承结构中直接参与摩擦部分的材料 如轴瓦和轴承衬的材料 轴承材料性能应满足以下要求 减摩性 材料副具有较低的摩擦系数 耐磨性 材料的抗磨性能 通常以磨损率表示 抗咬粘性 材料的耐热性与抗粘附性 摩擦顺应性 材料通过表层弹塑性变形来补偿轴承滑动表面初始配合不良的能力 嵌入性 材料容纳硬质颗粒嵌入 从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能 此外还应有足够的强度和抗腐蚀能力 良好的导热性 工艺性和经济性 磨合性 轴瓦与轴颈表面经短期轻载运行后 形成相互吻合的表面形状和粗糙度的能力 或性质 金属材料 粉末冶金材料 非金属材料 轴承合金 巴氏合金 白合金 是由锡 铅 锑 铜等组成的合金 铜合金分为青铜和黄铜两类 铸铁有普通灰铸铁 球墨铸铁等 由铜 铁 石墨等粉末经压制 烧结而成的多孔隙轴瓦材料 有塑料 硬木 橡胶和石磨等 其中塑料用的最多 1 常用轴承材料 轴承合金 主要是锡 铅 锑 铜的合金 具有良好的减摩性和抗胶合能力 顺应性 嵌入性和跑合性也很好 但强度低 硬度低 价格高 不能单独制成轴瓦 只能作为轴承衬材料使用 主要用于重载和中 高速的工作场合 铜合金 它是铜与锡 铅 锌 铝的合金 是广泛使用的轴承材料 铜合金分青铜和黄铜两类 铜合金具有较高的强度和较好的减摩性和耐磨性 但顺应性 嵌入性和跑合性不如轴承合金 青铜的减摩性和耐磨性比黄铜好 故是最常用的轴承材料 青铜有锡青铜 铅青铜和铝青铜等几种 其中锡青铜的减摩性 耐磨性和抗腐蚀性能最好 适用于中速 重载的场合 铅青铜具有较高的抗胶合能力和冲击强度 适用于高速 重载的场合 铝青铜的强度和硬度都较高 适用于低速 重载的场合 黄铜适用于低速 中载的场合 铜合金 它是铜与锡 铅 锌 铝的合金 是广泛使用的轴承材料 铜合金分青铜和黄铜两类 铜合金具有较高的强度和较好的减摩性和耐磨性 但顺应性 嵌入性和跑合性不如轴承合金 青铜的减摩性和耐磨性比黄铜好 故是最常用的轴承材料 青铜有锡青铜 铅青铜和铝青铜等几种 其中锡青铜的减摩性 耐磨性和抗腐蚀性能最好 适用于中速 重载的场合 铅青铜具有较高的抗胶合能力和冲击强度 适用于高速 重载的场合 铝青铜的强度和硬度都较高 适用于低速 重载的场合 黄铜适用于低速 中载的场合 铸铁 铸铁包括普通灰铸铁或加有镍 铬 钛等合金成分的耐磨铸铁和球墨铸铁 铸铁具有一定的减摩性和耐磨性 价格低廉 易于加工 但塑性 顺应性 嵌入性差 故适用于轻载 低速和不受冲击的场合 粉末冶金材料 粉末冶金材料是指金属粉末经压制和烧结而成的多孔结构材料 该材料制成的轴承工作前经热油浸泡 使孔隙内充满润滑油 又称含油轴承 具有自润滑作用 工作时由于热膨胀以及轴颈转动的抽吸作用 使油自动进入润滑表面 不工作时因毛细管作用 油被吸回轴承内部 若能定期浸油 效果更佳 这种材料耐磨性好 价格比青铜低 但强度较差 故适用于不便加油的中低速 平稳无冲击载荷的场合 非金属材料 非金属材料主要有塑料 石墨 陶瓷 木材和橡胶等 塑料轴承的塑性 跑合性 耐腐蚀性 耐磨性好 具有一定的自润滑作用 但其导热性差 所以要注意冷却 可用于不宜使用润滑油的机器中 橡胶轴承是用硬化橡胶制成 由于橡胶弹性大 所以可用于有振动的机器 也用于水润滑且有灰尘或泥沙的场合 2 轴瓦结构 整体式轴瓦 整体 单层 双层 多层卷制轴瓦 可在内表面镶嵌金属或非金属的轴承衬 剖分式轴瓦 厚壁与薄壁厚壁用铸造方法制造 将轴承合金用离心铸造法浇铸在其表面 轴瓦内表面制出各种形式的榫头 沟槽 薄壁用双金属板轧制方法制造 用于汽车发动机 轴瓦刚性小 受力后形状取决于轴承座的形状 轴瓦与轴承座需精密加工 轴瓦结构 由1 3层材料制成 轴瓦内表面结构 整体式轴瓦 轴瓦的固定 轴瓦结构 整体式轴瓦 轴套一般开有油沟以便润滑 剖分式轴瓦 由上 下两半瓦组成 上轴瓦开有油沟以便润滑 为了使润滑油能均匀流到整个工作表面上 轴瓦上要开出油沟 油沟和油孔应开在非承载区 以保证承载区油膜的连续性 整体轴套 油槽开在油膜厚度最大位置 对于液体动压径向轴承油槽有周向和轴向两种 剖分式 油槽开在剖分面处 油沟与油槽的位置 不要开在轴承的承载区内 否则将急剧降低轴承的承载能力 油沟与油槽的形状与位置 在轴瓦剖分面处开有较大的油沟 油室 以便稳定供油容纳污物 润滑的主要作用是 减小摩擦系数 提高机械效率 减轻磨损 延长机械的使用寿命 还可起到冷却 防尘以及吸振等作用 8 2 3润滑方式及润滑装置 一 润滑剂 主要有矿物油 合成油 动植物油等 其中应用最广泛的为矿物油 粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻力的大小 粘度愈大 内摩擦阻力就愈大 液体的流动性就愈差 1 润滑油 粘度可用动力粘度 运动粘度 条件粘度 恩氏粘度 等表示 我国的石油产品常用运动粘度来标定 1 粘度 牛顿的粘性液体的摩擦定律 流体中任意点处的剪应力均与其剪切率 或速度梯度 成正比 为剪应力 为流体沿垂直运动方向的速度梯度 式中 号表示随y的增大而减小 比例常数 即流体的动力粘度 国际单位1帕 秒 Pa S 1 动力粘度 长宽高各1米的液体 若使上下面发生1m s的相对滑动所加的力为1N时 液体的粘度为1个国际单位制的动力粘度 粘度愈大 内摩擦阻力就愈大 液体的流动性就愈差 2 运动粘度 国际单位 m2 s 动力粘度与同温度下液体的密度的比值 工业用 但当压强小于20MPa时 其影响甚小 可不予考虑 一般润滑油的牌号就是该润滑油在40 C 或100 C 时运动粘度 以为单位 的平均值 3 相对粘度 用润滑油与水做比较所测得的粘度 以表示恩氏粘度 即为相对粘度 运动粘度和恩氏粘度之间可通过下式进行换算 当1 35 E 3 2时 当 E 3 2时 2 油性 在金属摩擦表面形成吸附膜的性能 3 凝点 冷却到不能流动的温度 4 闪点 润滑油蒸气在火焰下闪烁的温度 2 润滑脂 润滑脂是在润滑油中加入稠化剂 如钙 钠 锂等金属皂基 而形成的脂状润滑剂 又称为黄油或干油 润滑脂的流动性小 不易流失 所以密封简单 不需经常补充 润滑脂对载荷和速度变化不是很敏感 有较大的适应范围 但因其摩擦损耗较大 机械效率较低 故不宜用于高速传动的场合 1 滴点是指润滑脂受热后从标准测量杯的孔口滴下第一滴油时的温度 2 锥入度即润滑脂的稠度 目前使用最多的是钙基润滑脂 其耐水性强 但耐热性差 3 润滑剂的选择 润滑剂选用的基本原则是 在低速 重载 高温 间隙大的情况下 应选用粘度较大的润滑油 而在高速 轻载 低温 间隙小的情况下应选粘度较小的润滑油 润滑脂主要用于速度低 载荷大 不需经常加油 使用要求不高或灰尘较多的场合 气体 固体润滑剂主要用于高温 高压 防止污染等一般润滑剂不能适用的场合 根据公式算出K值 通过查表确定滑动轴承的润滑方法和润滑剂类型 式中 p为轴颈上的平均压强 单位MPa v为轴颈的圆周速度 单位m s K值 润滑方式 1900 1900 16000 16000 30000 30000 润滑脂润滑 润滑油滴油润滑 飞溅式润滑 循环压力润滑 二 润滑方式及润滑装置 润滑装置 间歇供油 注油杯 低速和间歇工作的轴承 可以定期用油枪向轴承的油孔内注油 为防止污物进入轴承 可以在油孔上加装压注油杯 针阀式油杯油绳式油杯 芯捻润滑 中速中载的轴承 应采用连续供油的润滑方式 油环润滑 油脂杯润滑 采用润滑脂进行润滑时 一般使用黄油杯 杯内贮满润滑脂 定时或随时旋转杯盖 即可将润滑脂挤入轴承 压力循环润滑 对于高速重载或变载荷的滑动轴承 采用压力循环润滑 它是利用油泵经油路系统将润滑油压到轴承表面 油泵的供油压力通常为0 1 0 5MPa 一 向心滑动轴承的计算 F 径向载荷 N B 轴承宽度 P 轴瓦材料的许用压力N mm2d 轴颈直径 1 验算轴承的平均压力p 8 3非液体摩擦滑动轴承的设计计算 2 验算轴承的pV值 pv 轴承材料pV的许用值N mm2 m s 3 验算滑动速度V 轴颈转速 r min v 许用滑动速度 m s 轴颈圆周速度 即滑动速度 m s n 轴颈转速 r min v v Fa 轴向载荷 z 推力环的数目d1 d2 推力环的内径和外径k 考虑推力环面上有油沟使面积减小的系数 k 0 8 0 9 p 许用压力 二 推力滑动轴承的计算 1 验算轴承的平均压力 验算轴承的pV值 n 轴颈转速 r min vm 推力环面的平均速度 m s pv pv的许用值 N mm2 m s dm 推力环面的平均直径 mm 3 验算轴承的vm值 一 流体动力学基本方程 8 4液体摩擦动压径向滑动轴承的设计计算 压力沿 方向及速度沿 方向的变化关系 整理后得 由牛顿粘性定律知 流体动力学基本方程 对y积分并取边界条件 由式 得 油层的速度分布 由压力流引起呈抛物线分布的速度 流体动力学基本方程 由剪切流引起呈线性分布的速度 流体动力学基本方程 整理后得 一维雷诺方程 不计侧漏 沿x方向 任一截面单位宽度的流量Q为 当p pmax时处油膜厚度为h0 流量 二流体动压润滑的承载机理 若B板静止不动 板以速度 移动 板间各流层的速度呈三角形分布 两板间的油量保持不变 1 当两板平行时 油膜无承载能力 当两板倾斜时 油膜具有承载能力 移动件的运动方向是由间隙大的方向移向间隙小的方向 假设油不可压缩板宽无穷大 产生油压p 入口处流速呈凹形抛物线出口处流速呈凸形抛物线必有一处流速呈直线 1 相对运动的两表面间必须形成楔形间隙 形成动力润滑的必要条件 3 润滑油须有一定的粘度 供油要充分 2 被油膜分开的两表面须有一定的相对滑动速度 其方向应保证润滑油由大口进 从小口出 三 流体静力润滑 动压轴承的油膜形成 8 4 2液体动力润滑径向滑动轴承的计算 起动阶段 不稳定润滑阶段 动力润滑阶段 a 起动阶段 直径间隙 D d 半径间隙 R r 无论向哪边转 均可形成收敛油楔 b 不稳定润滑阶段 爬坡 润滑不稳定 半液体摩擦 c 流体动力润滑阶段 n足够大 轴颈中心逐渐向轴承中心漂移 单油楔向心动压轴承设计计算 一动压轴承的油膜形成 二 径向滑动轴承的几何关系和承载能力 1 几何关系 直径间隙 半径间隙 相对间隙 偏心距 偏心率 表偏心程度与流体动力特性有关 根据余弦定律可得 任意位置的油膜厚度 1 压力最大处油膜厚度h0 2 油膜最小厚度hminhmin 2 油膜承载能力 得到极坐标形式的雷诺方程 从压力区起始角至任意角进行积分 得任意角处的压力 无限宽轴承 将上式乘以轴承宽度B 代入 经整理得有限宽度轴承不考虑端泄时的油膜承载力与外载荷F平衡 即 整理得 上式右端的值称之为索氏数 用 表示 是轴承包角 和偏心率 的函数 索氏数是无量纲数群 实际承载力比上式低 因为端泄不可避免 因此在实际计算中 常用图8 24线图进行计算 图中给出了轴承包角 时的 曲线 此时 索氏数为偏心率 和宽径比B d的函数 油膜能承受的载荷 承载量系数无量纲 是偏心率和长径比的函数 可见 1 越大 hmin越小 B d越大 越大 轴承的承载能力F越大 但受hmin的限制 2 轴承的承载能力F越大 3 最小油膜厚度hmin hmin不能小于轴颈与轴瓦表面微观不平度之和 上式与流体动力润滑的三个基本条件 流体动力润滑的充分必要条件 为