变速箱径向滑动轴承的优化设计

变 速 稻 径 滑 功 轴 承 的 优 化 设 计 口李健 口鄢万斌 广 西柳 工机械 股份 有 限公 司 传动 件研 究所 广西柳 州 5 4 5 0 0 7 摘要 滑动轴承是机械设备 中的重要支撑部件 其设计参数的选取直接影响轴承使用性能 分析 了径向滑动轴承油膜形成原理及 常见运动故障 归纳 了影响径向滑动轴承性能的主要 因素 对一种变 速 箱 径 向滑动 轴承 的运行 故 障进 行 了详 细分析 及优 化设 计 关 键词 滑 动轴承轴颈轴 瓦油膜 中图分类号 T H1 3 3 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 5 0 7 0 0 1 7 0 3 滑 动 轴 承 是 机 械 设 备 中 的重 要 支 承 部 件 在 高 速 高 精 度 重 载 和 结 构 要 求 剖 分 等 场 合 滑 动 轴 承 仍 占有 重 要 地 位 滑 动 轴 承 主 要 有 以 下 作 用 1 运 转 噪 声 低 2 载 荷 转 速 几 乎 不 受 限 制 3 实 现 了油 膜 润 滑 后 其 理 论 寿 命 无 限 即使 滑 动 轴 承 不 能 使 用 了 对 与 它 有 关 的 零 部 件 通 常 不 造 成 损 坏 或 只 造 成 轻 微 的 损 伤 滑 动 轴 承 按 其 承 受 载 荷 方 向 的 不 同 可 分 为 径 向 滑 动 轴 承 承 受 径 向 载 荷 和 止 推 滑 动 轴 承 承 受 轴 向 载 荷 机 械 设 备 的 使 用 寿 命 及 其 运 行 的 稳 定 性 与 滑 动 轴 承 有 直 接 关 系 滑 动 轴 承 设 计 参 数 选 取 是 否 合 适 直 接 影 响 了其 使 用 性 能 1 径 向滑动轴承油膜形成原理 径 向 滑 动 轴 承 承 受 的 载 荷 通 过 两 滑 动 面 间 的 油 膜 来 传 递 工 作 时 应 保 证 润 滑 的最 小 油 膜 厚 度 使 两 工 作 面 不 发 生 接 触 且 油 液 系 统 允 许 的 最 大 杂 质 颗 粒 不 会 卡 滞 在 轴 承 工 作 表 面 之 间 的 间 隙 中 径 向 滑 动 轴 承 动 压 油 膜 形 成 的 原 理 为 径 向 滑 动 轴 承 的 轴 颈 与 轴 孔 间 必 须 留 有 间 隙 轴 静 止 时 轴 颈 处 于 轴 承 孔 最 下 方 的 稳 定 位 置 并 与 轴 瓦 接 触 两 表 面 间 自然 形 成 一 收 敛 的楔 形 空 间 满 足 形 成 动 压 油 膜 的 首 要 条 件 如 图 1 a 所 示 当 轴 颈 开 始 转 动 时 速 度 极 低 此 时 轴 承 与 轴 瓦 主 要 是 金 属 接 触 和 直 接 摩 擦 进 入 轴 承 间 隙 中 的 油 量 较 少 轴 瓦 对 轴 颈 摩 擦 力 的 7 9 向 与 轴 颈 表 面 圆 周 速 度 方 向 相 反 迫 使 轴 颈 在 摩 擦 力 作 用 下 沿 孔 壁 向 右 爬 升 图 1 b 随 着 转 速 的 增 大 轴 颈 表 面 的 圆 周 速 度 增 大 进 入 楔 形 空 间 的 油 量 也 逐 渐 加 多 这 时 右 侧 楔 形 油 膜 产 生 了 一 定 的 动 压 收稿 日期 2 0 1 5年 1 月 机械制造 5 3卷 第 6 1 1 期 力 将 轴 颈 向左 浮起 当轴 颈 达到 稳 定 运转 时 轴 颈 便 稳 定 在 一 定 的 偏 心 位 置 上 图 1 c 轴 承 处 于 流 体 动 力 润 滑 状 态 油 膜 产 生 的 动 压 力 与 外 载 荷 F相 平 衡 此 时 由 于 轴 承 内 的 摩 擦 阻 力 仅 为 液 体 的 内 阻 力 故 摩 擦 因 数 达 到 最 小 值 2 滑 动轴 承常见运动故障 滑 动 轴 承 工 作 时 轴 颈 与 轴 瓦 处 于 高 速 相 对 旋 转 运 动 状 态 轴 承 需 要 承 受 旋 转 的 轴 颈 及 作 用 于 轴 颈 的 轴 向 载 荷 若 轴 承 的 润 滑 不 良 设 计 不 合 理 轴 承 在 使 用 过 程 中 就 容 易 发 生 故 障 滑 动 轴 承 的 主 要 故 障有 磨 损 胶 合 烧 瓦 及 疲 劳 等 具 体 表 现 及 分 析 见 表 1 3影响径 向滑动轴承性能 的主要 因素 1 轴 承 的 宽 径 比 轴 承 宽 径 比 B D 不 同 压 力 分 布 也 不 同 小 宽 径 比 有 利 于 增 大 单 位 面 积 压 力 提 高 运 转 稳 定 性 增 加 流 量 降低 温 升 减 小 轴 向 尺 寸 但 承 载 能 力 降 低 油 膜 压 力 分 布 曲线 陡 峭 易 出 现 轴 瓦 局 部 过 热 宽 径 比越 大 油 压 越 大 油 膜 刚 度 高 承 载 能 力 就 越 大 侧 漏 带 走 的摩 擦 热 就 越 小 但 若 宽 径 比 过 大 轴 承 的 工 作 温 度 就 会 升 高 油 的 黏 度 将 相 应 降 低 也 就 降 低 了 轴 承 的 承 载 能 力 通 常 滑 动 轴 承 的 宽 2 o 15 7 回 表 1 滑动轴承主 要运动故障 故障类 型 故障表现 故障原因 故障结果 轴瓦 与轴 配 合表 面 超 速 超载运行 润滑 油中 磨损 轴承失效 全部 局部磨损 含有较多杂质 轴瓦 与轴 配 合各 表 超 负荷 的运行导致局部 的 胶合 面直 接接 触并 局 部 温度过 高 载荷过大且缺 轴承失效 熔合在一起 少润滑油 轴承座振动 轴承 间 隙消 失使 金 高温 高速 高载荷 的运 烧瓦 属接触 导致润滑油 行 轴 颈与轴瓦材料发生 轴承失效 燃烧 热膨胀 轴承 表面 产 生细 微 交 变载荷 轴承表面往复 疲劳破坏 作用拉应 力 压应力 以及 轴承失效 裂纹 形成疲劳破坏 剪切应力 径 比 取 0 3 1 5较 为 合 适 2 轴 承 间 隙 轴 承 间 隙 对 轴 承 的 运 转 性 能 影 响 很 大 轴 承 间 隙 过 小 两 摩 擦 表 面 磨 损 就 大 产 生 的 热 量 多 轴 承 间 隙 过 大 不 能 形 成 油 压 侧 漏 过 大 同 时 不 能 保 证 轴 的 导 向 作 用 总 之 从 摩 擦 学 的 机 理 得 出 载 荷 大 滑 动 速 度 低 要 求 轴 承 的 问 隙 就 小 载 荷 小 滑 动 速 度 高 要 求 轴 承 的 间 隙 就 大 3 轴 颈 与 轴 颈 表 面 制 造 精 度 对 于 滑 动 轴 承 轴 颈 与 轴 承 表 面 间 的 流 体 油 膜 厚 度 越 小 轴 承 的 承 载 能 力 就 越 大 但 轴 承 的 油 膜 厚 度 是 不 能 无 限 缩 小 的 当 最 小 油 膜 厚 度 小 于 轴 颈 与 轴 承 表 面 的 微 观 不 平 度 之 和 时 两 表 面 就 会 接 触 使 两 表 面 因 混 合 摩 擦 而 产 生 磨 损 从 而 影 响 轴 承 的 安 全 运 转 轴 颈 表 面 和 轴 承 内孔 的 加 工 失 圆 也 会 破 坏 承 载 抽 膜 从 而 磨 蚀 较 软 的 轴 瓦 使 轴 瓦 表 面 受 到 损 伤 因 此 提 高 轴 颈 和 轴 承 内孔 表 面 制 造 质 量 将 会 提 高 轴 承 的 承 载 能 力 和 使 用 寿 命 4 润 滑 剂 的 黏 度 和 润 滑 方 式 使 用 高 黏 度 润 滑 油 可 提 高 轴 承 承 载 能 力 但 润 滑 流 量 小 摩 擦 功 耗 大 会 导 致 轴 承 温 升 高 油 温 高 会 使 润 滑 油 黏 度 降 低 靠 提 高 润 滑 油 黏 度 的方 式 增 加 轴 承 承 载 能 力 有 一 定 限 制 因 此 合 理 选 择 润 滑 油 的 黏 度 是 对 轴 承 散 热 及 承 载 能 力 的 重 要 保 证 由于 润 滑 油 的黏 度 随 温 度 的 升 高 而 降 低 故 对 处 于 边 界 润 滑 状 态 下 的 低 速 重 载 轴 承 必 须 采 用 黏 度 较 高 的 润 滑 油 在 循 环 和 供 油 充 足 的 润 滑 条 件 下 可 降 低 其 黏 度 5 轴 颈 和 轴 瓦 材 料 轴 瓦 材 料 一 般 应 具 备 摩 擦 相 容 性 嵌 入 性 磨 合 性 摩 擦 顺 应 性 耐 磨 性 耐 疲 劳 性 耐 蚀 性 耐 气 蚀 性 及 一 定 的 抗 压 强 度 在 实 际 应 用 中 当 轴 正 常 运 转 时 只 要 轴 颈 和 轴 瓦 材 料 相 对 润 滑 剂 呈 中 性 使 其 较 好 地 粘 附 在 滑 动 表 面 上 便 能 保 持 油 膜 的 最 佳 承 载 状 态 但 对 于 低 速 重 载 情 况 滑 动 轴 承 大 都 处 于 边 界 润 滑 状 态 在 启 动 和 停 车 时 还 将 处 于 2 0 1 5 7 混 合 摩 擦 甚 至 干 摩 擦 状 态 因 此 对 材 料 的 滑 动 性 能 耐 磨 性 提 出 了 较 高 的要 求 特 别 是 在 不 易 形 成 流 体 动 压 润 滑 状 态 的 前 提 下 轴 颈 及 轴 瓦 材 料 的 选 取 对 形 成 油 膜以及 轴 承 的 承 载 能 力 起 着 决 定 性 的 作 用 同 时 要 求 轴 颈 与 轴 瓦 配 对 材 料 具 有 较 高 的 韧 性 和 相 容 性 以保 证 其 耐 磨 和 承 载 能 力 6 轴 的 转 速 在 形 成 油 膜 的 前 提 下 转 速 越 高 油 膜 越 厚 油 层 间 的 相 对 速 度 越 大 液 体 的 内 摩 擦 增 大 油 膜 的 黏 滞 摩 擦 因 数 升 高 产 生 的 摩 擦 热 相 应 增 多 会 降 低 了 轴 承 的 承 载 能 力 转 速 过 低 滑 动 表 面 处 于 混 合 摩 擦 状 态 将 导 致 承 载 能 力 降 低 或 轴 承 损 伤 要 使 轴 承 处 于 正 常 的 工 作 状 态 就 必 须 保 证 转 速 能 形 成 足 以 使 接 触 面 分 开 的 油 膜 厚 度 使 油 层 内 压 力 的 合 力 与轴 颈 所 受 外 载 达 到 平 衡 总 之 影 响 轴 承 的 承 载 能 力 及 其 寿 命 的 诸 多 因 素 最 终 必 然 归 结 到 最 小 油 膜 厚 度 和 形 成 此 油 膜 所 容 许 的 最 高 温 度 7 最 小 油 膜 厚 度 的确 定 最 小 油 膜 厚 度 h为 1 一 1 式 中 为 平 均 相 对 间 隙 D 为 轴 瓦 直 径 mm 占为 偏 一 率 为 确 保 滑 动 轴 承 在 液 体 润 滑 状 态 下 安 全 运 转 需 要 限 定 最 小 油 膜 厚 度 极 限 值 以使 磨 损 降 到 最 低 程 度 和 减 小 轴 承 对 装 配 制 造 误 差 的敏 感 性 最 小 油 膜 厚 度 极 限 值 的 计 算 十 分 复 杂 一 般 当 粗 糙 度 R 4 I x m 时 滑 动 表 面 的 几 何 误 差 很 小 装 配 良好 润 滑 剂 经 过 滤 可 按 表 2的 经 验 值 确 定 最 小 油 膜 厚 度 极 限值 h 表 2 h b 的经验值 Ix m 轴 颈直径 轴颈滑动速度 v m d mi l l 1 1 3 3 1 0 1 O 3 O 3 0 2 4 6 3 3 4 5 7 1 0 6 3 1 O 0 4 5 7 9 l 2 1 6 0 4 O 0 6 7 9 1 1 1 4 4 0 0 1 0 0 0 8 9 l 1 1 3 1 6 1 0 0 0 2 5 0 0 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 4变速箱径 向滑动轴承设计优化 4 1 滑 动 轴 承 运 动 故 障 及 分 析 某 变 速 箱 在 试 验 过 程 中 出 现 变 速