第17章滑动轴承

滑动轴承是一种工作在滑动摩擦状态下的轴承 其基本结构包括轴瓦和轴颈 滑动轴承主要用于滚动轴承难以满足工作要求的场合 如高转速 长寿命 低摩擦阻力 承受大的冲击载荷 低噪声和无污染等场合 基本要求 重点难点 主要内容 基本要求 1 掌握混合润滑径向滑动轴承的计算及保证液体动力润滑的条件 2 理解滑动轴承的类型 结构 轴瓦材料等基本知识 3 了解轴承参数 如宽径比 相对间隙 偏心率 最小油膜厚度等大小对轴承性能的影响 掌握选取原则 混合润滑径向滑动轴承的计算 液体动压润滑径向滑动轴承的计算 液体动力润滑的基本方程式 重点 难点 17 1概述 17 2径向滑动轴承的主要类型 17 3滑动轴承的材料 17 4轴瓦结构 17 5轴承润滑材料 17 6润滑方法 17 7滑动轴承的条件性计算 17 8液体动力润滑的基本方程式 17 9液体动力润滑径向轴承的计算 1 支承轴及轴上零件 并保持轴的旋转精度 2 减小转轴与支承间的摩擦和磨损 17 1概述 2 分类 1 功用 轴承分类 流体摩擦 边界摩擦 混合摩擦必须在一定润滑条件下实现 称为液体润滑 边界润滑和混合润滑 当载荷很大 工作温度很低或很高时 常用石墨 二硫化钼等润滑剂润滑 称为固体润滑 17 1概述 本章主要讨论混合润滑轴承和液体润滑轴承 3 摩擦种类 4 滑动轴承的应用 5 滑动轴承设计内容1 决定轴承的结构型式 2 选择轴瓦和轴承衬材料 3 决定轴承结构参数 4 选择润滑剂和润滑方法5 计算轴承的工作能力 17 1概述 优点 结构简单 用于低速 载荷不大 间歇工作的机器上 图17 1整体式径向滑动轴承 17 2径向滑动轴承的主要类型 17 2 1整体式 组成 轴承座 轴套 磨损间隙无法调整 轴颈只能从端部装入 对中间轴颈的轴无法安装 缺点 图17 2剖分式径向滑动轴承 17 2 2剖分式 剖分面 17 2径向滑动轴承的主要类型 结构 宽径比 B d 1 5自动调心轴承 17 2 2剖分式 主要参数 宽径比 B d 17 3 1对轴承材料的要求 17 3滑动轴承的材料 轴承材料 轴瓦和轴承衬的材料 主要失效形式 轴瓦磨损 胶合 疲劳损坏及轴承衬脱落 1 强度 塑性 顺应性和嵌藏性 2 磨合性 耐磨性 减摩性好 3 耐腐蚀 4 润滑性能和热化学性 5 工艺性 6 经济性 17 3 2轴承材料的分类 1 金属材料 2 多孔质金属材料 3 非金属材料 轴承合金 青铜 表17 1 粉末冶金材料 塑料 橡胶 硬木等 常用材料 17 4轴瓦结构 17 4 1轴瓦和轴承衬 剖分轴瓦 轴瓦内表面上浇注一层或两层减摩材料 轴承衬 整体式轴瓦 剖分式轴瓦 1 防移凸缘2 防转销 17 4 1轴瓦和轴承衬 轴承衬的厚度应随轴承直径的增大而增大 一般由十分之几毫米到6mm 17 4 2油孔 油沟和油室 油室 起贮油 稳定供油的作用 常见油沟的形状见图17 6 非承载轴瓦 17 4 1轴瓦和轴承衬 油孔 用来供油 油沟 输送和分布润滑油 轴向油沟较B小 图17 7不正确的油沟会降低油膜的承载能力 油沟位置不能开在承载区 17 4 2油孔 油沟和油室 轴向油沟也可开在轴瓦剖分面上 但轴向油沟应较轴承宽度短 以免油从油沟端部大量流失 17 4 2油孔 油沟和油室 17 5轴承润滑材料 润滑的目的 减小摩擦功耗 降低磨损率 同时还起冷却 防尘 防锈以及吸振等作用 常用的润滑材料 主要物理及化学性能指标 17 5 1润滑油 选择轴承用油的粘度时 应考虑轴承压力 滑动速度 摩擦表面状况 润滑方式等条件 粘度 黏度指数 油性 闪点 凝点 酸值 残碳量等 对于动压润滑轴承 粘度是最重要的指标 也是选择用油的主要依据 润滑油粘度 润滑油层流流动 液体的动力粘度 1 粘度单位 切向力与速度梯度成正比 长宽高各1m的液体 上 下平面发生1m s相对速度需要的切向力为1N时 该液体的粘度为1Pa s即1N s m2 运动粘度 m2 s 2 粘度单位换算 1cm2 s 1St 斯 1cSt 厘斯 0 01St 1mm2 s 1Pa s 1N s m2 国际单位制P 泊 物理单位1Pa s 10P1P 100cP 17 5 2润滑脂 轴颈速度 1 2m s可采用脂润滑 润滑脂 用矿物油与各种稠化剂 钙 钠 铝等金属皂 混合制成 特点 稠度大不易流失 承载力也较大 但物理和化学性质不如润滑油稳定 摩擦功耗大 不宜在温度变化大或高速下使用 工业上应用最广的润滑脂是钙基润滑脂 向轴承供应润滑油或润滑脂的方法 17 6润滑方法 17 6 1油润滑 间歇供油 用油壶或油杯供油 见图17 9 连续 供油比较可靠 连续供油方法见图17 10 润滑脂只能间歇供油 润滑杯 黄油杯 是应用最广的脂润滑装置 也常用黄油枪向轴承补充润滑脂 17 6 2脂润滑 润滑方式的选择 根据系数k选定 k 2 16 针阀式注油油杯润滑 k 16 32 油环或飞溅润滑 k 32 压力循环润滑 用润滑脂 油杯润滑 17 6 2脂润滑 17 7滑动轴承的条件性计算 混合摩擦 工作要求不高 v较低 载荷不大 难以维护等条件下工作的轴承 往往设计成非流体摩擦滑动轴承 混合润滑轴承 失效形式图例 失效形式图例 磨损及胶合 点蚀及金属剥落 防止失效的关键在于能否保证轴颈和轴瓦间形成一层边界油膜 17 7滑动轴承的条件性计算 混合摩擦滑动轴承失效形式 胶合 磨损等 设计准则 至少保持在边界润滑状态 即维持边界油膜不破裂 计算方法 简化计算 条件性计算 混合润滑轴承的设计计算 设计时 一般已知d n r min 和轴承载荷F 按如下步骤 17 7 1径向轴承 1 限制轴承平均压强p 目的 防止p过高 油被挤出 产生 过度磨损 2 限制轴承pv MPa 3 限制滑动速度v 轴承材料的最高许用 p v pv 值见表17 1 17 2 常用机器径向轴承的 p v pv 见表17 4 17 7 1径向轴承 目的 防止v过高而加速磨损 目的 限制轴承温升 防止胶合 17 7 2推力轴承 结构如图17 12所示 用来承受轴向载荷 图17 12普通推力轴颈 d d0 当与径向轴承联合使用时 可承受复合载荷 a 实心端面轴颈 b 空心端面轴颈 c 环状轴颈 d 多环轴颈 混合摩擦润滑推力轴承 应验算p pv 17 5 17 6 17 7 2推力轴承 多环轴颈 各环受力不均匀 p pv 应降低50 液体动力润滑轴承在起动 停车时处于混合摩擦状态 所以设计时也需进行上述计算 17 7 2推力轴承 已知 径向载荷F 转速n 宽径比 v p pv 求 保证混合润滑条件下的轴颈直径d 解 1 由 2 由 1 d 2 1 在滑动表面间用足以平衡外载的压力输入润滑油 人为使两表面分离 用这种方法来实现液体摩擦的轴承称为液体静压轴承 2 利用轴颈本身回转时的泵油作用 把油带入摩擦面间 建立压力油膜而把摩擦面分开 用此方法实现液体摩擦的轴承称为液体动压轴承 17 8液体动力润滑的基本方程式 获得液体摩擦的两种方法 17 8 1雷诺润滑方程式 液体动压润滑基本方程 1 P对粘度的影响 2 油沿z向无流动 3 层流 4 油与工作表面吸附 5 不计油惯性力 重力 6 油不可压缩等 设 1 忽略压力对油粘度的影响 2 油沿z向无流动 3 油为层流流动 4 油与工作表面吸附牢固 5 不计油惯性力 重力 6 油不可压缩等 17 8 1雷诺润滑方程式 据X方向的平衡条件得 12 7积分得 17 8 1雷诺润滑方程式 上式整理后得 将 对Y求导代入上式 12 7 12 6 1 油层的速度分布 边界条件 y 0 u v y h u 0 求得 将C1 C2代入上式 得到 分析任一截面沿x方向单位宽度流量 a 2 润滑油流量 17 8 1雷诺润滑方程式 连续流动方程 任何截面沿x方向单位宽度流量qx相等 设油压最大处间隙 在此截面上 b 连续流动时 流量不变 a b 得到 17 7 17 8 1雷诺润滑方程式 一维雷诺动力润滑方程式 若再考虑油液沿z向流动 二维雷诺动力润滑方程式 17 9 上式对x取偏导数 可得 17 8 17 8 17 8 2油楔承载机理 由 油压变化与 v 油膜厚度变化有关 由式17 7 可求任一位置处的油膜压力p 17 7 p 积分 油膜承载能力 平衡外载 1 润滑油要有一定粘度 越大 承载力越大 2 要有相当的相对滑动速度v 一定范围内 油膜承载力与v成正比关系 3 足够充分的供油量 4 相对滑动表面间必须形成收敛形间隙 称油楔 即移动件带着油从大口进入 从小口流出 17 8 2油楔承载机理 油膜承载力的建立必须满足的条件 液体动压润滑形成的必要条件 可见 对收敛形油楔 油楔内各处油压大于入口 出口处油压 正压力 承载 进口小 出口大 油压p低于出口 入口压力 负压 不能承载 相反使两表面相吸 P沿x方向呈抛物线分布 油膜必须呈收敛楔形 才能使各处油压p p 人口或出口 产生正压力以支撑外载 17 8 2油楔承载机理 1 起动阶段 n 0 干摩 17 9液体动力润滑径向轴承的计算 17 9 1动力润滑状态的建立 2 不稳定润滑阶段 3 液体动力润滑阶段 17 9 2几何关系及层流条件校核 1 几何关系 偏心距e OO 偏心率 半径间隙 相对间隙 最小油膜厚度 2 校核层流条件 故 任意 处的油膜厚度h 雷诺润滑方程式是建立在层流流动基础上的 17 9 2几何关系及层流条件校核 如图17 17所示 17 9 3承载能力和索氏数 17 9 2几何关系及层流条件校核 层流流动条件 1 油膜起始角 2 油膜终止角 从oo 连线起至任意油膜处的油膜角 图17 17承载油膜 e hmin F 1 2 O 设B 无穷大 则认为油沿轴向无流动 利用17 7计算 由于轴承为圆柱形 用极坐标更方便 v r 代入17 7 整理得到 17 9 3承载能力和索氏数 积分得任意角度的油膜压力 沿F方向单位宽度的油膜力为 将上式乘以B 代入r d 2 得有限宽轴承不计端泄时油膜承载力F 整理得 17 9 3承载能力和索氏数 索氏数S0 不计端泄时 有限宽轴承 17 9 3承载能力和索氏数 S0 4 相对滑动表面间自动形成收敛形间隙 17 9 4保证液体动力润滑的条件 1 润滑油要有一定粘度 2 两表面要有相当的相对滑动速度v 3 足够充分的供油量 5 保证最小油膜厚度处的表面不平度高峰不直接接触 m 一般取S 2 17 9 5热平衡计算 非压力供油的径向轴承 一般 17 9 5热平衡计算 17 9 6流量计算 体积流量 17 9 7功耗计算 径向轴承承载区的摩擦功耗 流量系数与 B d有关 17 19 见图17 20 17 9 8参数选择 参数 d B d p等 常用范围 B d 0 5 1 5 宽径比小 d一定时 B小 占用空间小 高速轻载轴承 由于P大 可提高运转平稳性 但B d小 轴承承载力也随之降低 1 宽径比B d 主要据载荷 速度选取 速度高 载荷大 2 相对间隙 P取值大 可减少轴承尺寸 运转平稳 但p过高 轴承易损坏 3 平均压强p 17 9 8参数选择 应取大些 可减少发热 应取小些 可提高承载力 2 边界摩擦 1 干摩擦 摩擦系数在10 1量级 17 1概述 弹性变形 边界膜 3 摩擦种类 摩擦系数在10 2量级 17 1概述 4 混合摩擦 一般机器 摩擦面多处于干摩擦 边界摩擦和流体摩擦的混合状态 称为混合摩擦 3 流体摩擦 流体 摩擦系数在10 3量级 滑动轴承 摩擦损耗一般较大 维护也比较复杂 很多场合常为滚动轴承取代 一些独特的特点 使在某些特殊场合仍占重要地位 滑动轴承主要应用 4 滑动轴承的应用 17 1概述 1 工作转速高的轴承 2 特重型轴承 3 要求对轴的支承位置特别精确的轴承 滑动轴承影响精度的零件数要少 4 承受巨大冲击和振动载荷的轴承 5 据装配要求须做成剖分的轴承 6 特殊工作条件下工作的轴承 4 滑动轴承的应用 径向滑动轴承 推力轴承 不正确的油沟会降低油膜的承载能力 油沟 非承载轴瓦 图8 3整体式向心滑动轴承 SF 4系列青铜卷制轴承 Seriesofwrappedbronzebearings 特点是薄壁结构 不占据很大的装配空间 轴套材料高密度铜合金带材 与传统的铸型铜套相比 具有密度高 无气缩孔 承载能力大 又有耐磨耐疲劳等优点 可在带材摩擦面上加工出适应各种工况条件的油穴 油坑 油槽 从而使轴套在使用中可储存大量润滑油脂 延长加油间隔时间 有效地提高了使用寿命 广泛应用于农业机械 建筑机械 工程机械 汽车行业等 SF 7系列含油轴承Oil retainingbearings 应用特点 该产品是以铜粉或铁粉为原料 经模具压制 高温烧制 真空浸油后加工而成 产品广泛应用于家用电器 电动工具 纺织机械 化工机械 汽车工业等 SF 5系列固体润滑轴承以高强度铜合金作为基础材料 并在其工作面上钻出孔穴嵌入固体润滑剂 以使其能在摩擦过程中释放和生成一层固体润滑膜达到自我润滑的目的 其材料结合了金属与非金属的优点 特别适用于高载 高温 低速等无法加油的工作场合 SF 5系列镶嵌式固体润滑轴承Seriesofsolid lubricant inlaidbearings 用户在使用和设计时应当根据轴承的使用温度 轴承的承载面压 线速度 耐磨性能要求 运动类型 安装情况 轴承成本等方面因素综合考虑 液体动力润滑径向轴承的设计计算 已知 F d n 需解决的问题 1 轴承材料 p p v v pv pv 2 润滑剂 润滑方法 3 参数 B d 等 4 承载力计算 层流校核 热平衡计算 流量计算 摩擦功耗 安全度计算 hmin 滑动轴承的主要失效形式有哪些 什么是轴承材料 常用的轴承材料有哪几类 滑动轴承设计包括哪些主要内容 滑动轴承上开设油沟应注意哪些问题 5混合润滑滑动轴承应进行哪些条件性计算 6在混合润滑滑动轴承设计中 限制p值的主要目的是什么 限制pv值的主要目的是什么 液体动压润滑油膜形成的必要条件是什么 径向轴承保证液体动力润滑的充分条件是什么 9推力滑动轴承常用的结构形式有哪些 思考题 v1 V1 v2 V1 v2 c 10 可能形成动压润滑的有 11 验算最小油膜厚度的目的是 a 确定轴承是否能获得液体摩擦b 控制轴承的发热量c 计算轴承内部的摩擦阻力 12 混合润滑轴承 限制pv值的主要目的是防止 a 过度磨损b 过热产生胶合c 产生塑性变形 2 滑动轴承材料指 A 轴承座及轴瓦材料 B 轴瓦及轴承衬材料 3 滑动轴承开设油沟时 应开在 A 承载区 B非承载区 4 滑动轴承轴向油沟应较轴承宽度 a 短 b 一样长 1 滑动轴承按受载荷方向的不同 可分为轴承和轴承 6 宽径比较大的滑动轴承 d 1 5 为避免因轴的挠曲而引起轴承 边缘接触 造成轴承早期磨损 可采用轴承 5 滑动轴承的主要失效形式有哪些 油沟 油室的作用各是什么 滑动轴承设计内容1 决定轴承的结构型式 2 选择轴瓦和轴承衬材料 3 决定轴承结构参数 4 选择润滑剂和润滑方法5 计算轴承的工作能力 矿物油 矿物油 依据习惯 把通过物理蒸馏方法从石油中提炼出的基础油称为矿物油 加工流程是在原油提炼过程中 在分馏出有用的轻物质后 残留的塔底油再经提炼而成 称为老三套 溶剂精制 酮苯脱蜡 白土补充精制 矿物油 以远古动物残骸为载体 吸取了天地之精华后 又奉献给大自然的一种可供人类使用的物质 它的直观表象为 亮泽 鲜艳 能与人类自然亲近无伤害性 内在潜质为 有燃烧欲望 有爆发力 和相融的有机质结合会成为具震撼力的物质 SF 1无油润滑轴承 以钢板为基体 中间烧结球形青铜粉 表面轧制聚四氟乙稀 PTFE 和铅的混合物 是卷制而成的滑动轴承 广泛应用于各种机械的滑动部位 如