机械设计及其自动化课件-滑动轴承

1、第12章 滑动轴承,合肥学院 王学军,第12章 滑动轴承,内容提要： 本章讲述液体动压滑动轴承和非液体摩擦滑动轴承的工作原理和设计方法。 主要包括： 确定轴承的结构形式； 选择轴瓦和轴承衬的材料； 选择轴承结构参数； 选择润滑剂； 计算轴承的工作能力； 滑动轴承常用的润滑方法和润滑装置。,滑动轴承是用来支承轴的一种重要部件。 12.1.1 滑动轴承的分类 12.1.2 滑动轴承的特点和应用,12.1 概述,12.1.1 滑动轴承的分类,按承受载荷方向 径向滑动轴承(承受径向载荷) 推力滑动轴承(承受轴向载荷) 按摩擦状态 液体摩擦轴承 液体动压润滑轴承 液体静压润滑轴承 非液体摩擦轴承 干摩擦

2、、边界摩擦及液体摩擦的混合摩擦状态 本章主要讨论非液体摩擦和液体动压润滑滑动轴承的设计计算,12.1.2 滑动轴承的特点和应用,在高速重载下能正常工作，寿命长。 精度高。 滑动轴承可做成剖分式的，能满足特殊结构需要。 液体摩擦轴承具有很好的缓冲和阻尼作用，可以吸收振动、缓和冲击。 滑动轴承的径向尺寸比滚动轴承的小。 起动摩擦阻力较大。 非液体摩擦滑动轴承具有结构简单、使用方便等优点，在转速不太高、不重要的轴上可以采用非液体摩擦滑动轴承。,12.2 滑动轴承的结构型式,12.2.1 径向滑动轴承 12.2.2 推力滑动轴承,12.2.1 径向滑动轴承,常用的径向滑动轴承有： 整体式、剖分式、调心

3、式,12.2.1 径向滑动轴承,整体式径向滑动轴承 典型结构：轴承座、轴瓦。 在轴承的顶部开出注油孔，以便加注润滑剂。 通常在轴瓦的内表面开有油沟。,特点：结构简单，间隙无法调整，轴颈只能从轴承端部安装和拆卸，很不方便。 在低速、轻载条件下工作的轴承和不重要的机器或手动机构中经常采用。,12.2.1 径向滑动轴承,剖分式径向滑动轴承,12.2.1 径向滑动轴承,剖分式径向滑动轴承 典型结构：轴承座与轴承盖用双头螺柱连接，剖分轴瓦装在轴承座内，轴承座与轴承盖间的定位面可保证轴瓦内孔位置准确。 特点：装拆方便、间隙可调,轴承剖分面（载荷方向） 水平的剖分面（大多数） 倾斜的剖分面,12.2.1 径

4、向滑动轴承,调心式径向滑动轴承 典型结构：轴瓦外表面做成球面形状。 特点：轴瓦外表面做成球面形状，与轴承盖及轴承座的球状内表面相配合，轴瓦可以自动调位以适应轴颈在轴弯曲时所产生的偏斜。 适用于宽径较大（B/d1.5）场合,12.2.2 推力滑动轴承,实心轴颈：这样的轴颈端面上半径大的地方速度大，磨损快，端面压力分布不均匀。 空心轴颈： 多环推力轴承：（载荷很大）,12.2.2 推力滑动轴承,多油楔形状结构： 便于形成液体摩擦状态。,12.3 轴瓦的材料和结构,轴的材料通常为碳钢或合金钢，轴经热处理后对轴颈进行精加工。 轴承座的材料为铸铁或铸钢， 轴承材料指的是轴瓦材料。 滑动轴承的失效主要是轴

5、瓦的胶合和磨损，所以对轴瓦的材料和结构有些特殊要求。,12.3.1 对轴瓦材料的要求,(1)轴瓦材料要有足够的疲劳强度，才能保证轴瓦在变载荷作用下有足够的寿命。 (2)轴瓦材料要有足够的抗压强度，以防止产生过大的塑性变形。 (3)轴瓦材料要有良好的减摩性和耐磨性，即要求摩擦系数小，轴瓦磨损小。 (4)轴瓦材料应具有较好的抗胶合性，以防止因摩擦热使油膜破裂后造成胶合(即粘着磨损)。 (5)轴瓦材料对润滑油要有较好的吸附能力，易于形成抗剪切能力较强的边界膜。,12.3.1 对轴瓦材料的要求,(6)轴瓦材料要有较好的适应性和嵌藏性，适应性好的材料跑合性能好，嵌藏性好的材料可容纳进入润滑油中微小的固体

6、颗粒，避免轴瓦和轴颈被刮伤。 (7)轴瓦材料要有良好的导热性。 (8)选择轴瓦材料还要考虑经济性，加工工艺性等。 任何一种轴瓦材料都不可能同时满足上述各项要求，设计时要根据具体条件选择能满足主要要求的材料做轴瓦或轴承衬材料。,12.3.2常用的轴瓦材料及其性质,轴承材料分三大类： 1）金属材料如轴承合金、青铜、铝基材料、锌基合金、减摩铸铁等； 2）多孔质金属材料（粉末冶金材料）； 3）非金属材料如塑料、橡胶、硬木等。,12.3.2常用的轴瓦材料及其性质,1.轴承合金（又称白合金、巴氏合金） 锡、铅、锑、铜的合金统称为轴承合金。 它以锡或铅作基体，悬浮锑锡及铜锡的硬晶粒。硬晶粒起耐磨作用，软基体

7、则增加材料的塑性。硬晶粒受重载时可以嵌陷到软基里，使载荷由更大的面积承担。 它的弹性模量和弹性极限都很低。在所有轴承材料中，轴承合金的嵌藏性和顺应性最好，很容易和轴颈磨合，它与轴颈的抗胶合能力也较好。 巴氏合金的机械强度较低，通常将它贴附在软钢、铸铁或青铜的轴瓦上使用。锡基合金的热膨胀性质比铅基合金好，所以前者更适合于高速轴承，但价格较贵。,12.3.2常用的轴瓦材料及其性质,2. 轴承青铜 铸锡锌铅青铜有很好的疲劳强度，广泛用于一般轴承。 铸锡磷青铜是很好的一种减摩材料，减摩性和耐磨性都很好，机械强度也较高，适用于重载轴承。 铜铅合金具有优良的抗胶合性能，在高温时可以从摩擦表面析出铅，在铜基

8、体上形成一层薄的敷膜，起到润滑的作用。,12.3.2常用的轴瓦材料及其性质,3. 多孔质金属材料 多孔质金属是一种粉末冶金材料，它具有多孔组织，采取措施使轴承所有细孔都充满润滑油的称为含油轴承，因此它具有自润滑性能。 常用的含油轴承材料有多孔铁（铁石墨）与多孔青铜（青铜石墨）两种。,12.3.2常用的轴瓦材料及其性质,4.轴承塑料 塑料轴承有自润滑性能，也可用油或水润滑。 优点： 1）摩擦系数较小； 2）有足够的抗压强度和疲劳强度，可承受冲击载荷 3）耐磨性和跑合性好 4）塑性好，可以嵌藏外来杂质，防止损伤轴颈。 缺点：导热性差（只有青铜的几百分之一），线膨胀系数大（约为金属的310倍），吸水

9、吸油后体积会膨胀，受载后有冷流性。,12.3.3 轴瓦结构,轴瓦是滑动轴承的主要零件。设计轴承时，除了选择合适的轴瓦材料以外，还应合理地设计轴瓦结构，否则会影响滑动轴承的工作性能。 制造方法： 单金属 双金属：当采用贵重轴承材料(如轴承合金)做轴瓦时，为了节省贵重材料和增加强度，常制成双金属轴瓦，用贵重金屑做轴承衬，用钢或铜做瓦背。瓦背强度高，轴承衬减摩性好，两者结合起来构成令人满意的轴瓦。 三金属：中间层提高连接强度,轴瓦的定位和配合 周向定位：定位销 轴向定位：凸缘定位 配合：过盈配合,12.3.3 轴瓦结构,12.3.3 轴瓦结构,油孔、油沟和油室,油孔用来供应润滑油，油沟则用来输送和分

10、布润滑油。,油沟的形状和位置影响轴承中油膜压力分布情况。润滑油应该自油膜压力最小的地方输入轴承。油沟不应该开在油膜承载区内，否则会降低油膜的承载能力（图12.7）。轴向油沟应较轴承宽度稍短，以免油从油沟端部大量流失。,油室的结构，它可使润滑油沿轴向均匀分布，并起着贮油和稳定供油的作用。,12.3.3 轴瓦结构,12.4 非液体摩擦滑动轴承的计算,非液体摩擦滑动轴承工作在混合摩擦状态下，在摩擦表面间有些地方呈现液体摩擦，有些地方呈现边界摩擦。如果边界膜被破坏将会产生干摩擦，摩擦系数增大，磨损加剧，严重时导致粘着磨损(胶合)。所以在非液体摩擦轴承中保持边界膜不被破坏是十分重要的。 边界膜抗破坏的能

11、力，即边界膜的强度与油的油性有关，也与轴瓦材料有关，还与摩擦表面的压力和温度有关。温度高，压力大，边界膜容易破坏。 非液体摩擦轴承设计时一旦材料选定则应限制温度和压力。但计算每点的压力很困难，目前只能用限制压强的办法进行条件性计算。轴承温度对边界膜的影响很大，轴承内各点的温度不同。 目前尚无适用的温度计算公式。,12.4 非液体摩擦滑动轴承的计算,轴承温度的升高是由摩擦功耗引起的，fpv为单位时间内单位面积上的摩擦功，因此可以用限制表征摩擦功的特征值pv，来限制摩擦功耗，亦即限制轴承温度。 进行滑动轴承计算时，已知条件通常是轴颈承受的径向载荷Fr。轴的转速n，轴颈的直径d(由轴的强度计算和结构

12、设计确定的)和轴承的工作条件。轴承计算的任务是确定轴承的长径比L/d，选择轴承材料，然后校核p,pv和v。一般取L/d=(0.51.5)。,12.4.1 非液体摩擦径向轴承的计算,1.限制轴承平均压强p（压强p过大不仅可能使轴瓦产生塑性变形破坏边界膜，而且一旦出现干摩擦状态则 加速磨损） 式中，Fr轴承径向载荷，N；d和L轴颈直径和有效宽度，mm；p许用压强，MPa。 2.限制轴承pv值（pv值大表明摩擦功大，温升大，边界膜易破坏，） 3.限制滑动速度v,12.4.2 非液体摩擦推力滑动轴承的计算,1验算压强P 2验算PVm 式中，Fa轴向载荷，N；Vm推力轴颈平均直径处的圆周速度，m/s；n

13、轴转速，r/min；d0,d轴颈内、外径，mm；z轴环数。,12.5 液体动力润滑轴承,用润滑油把摩擦表面完全分隔开时的摩擦，称为液体摩擦。 获得液体摩擦主要有两种方法： 1）在滑动表面间用足以平衡外载的压力输入润滑油，人为地使两个表面分离，或者说，用油压把轴颈顶起，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，用这种方法来实现液体摩擦的轴承称为液体动压轴承。,12.5.1 一维雷诺润滑方程式,一维雷诺方程式的推导是建立在以下假设的基础上（6点假设）： 1）忽略压力对润滑油粘度的影响； 2）润滑油沿z向没有流动

14、； 3）润滑油是层流流动； 4）油与工作表面吸附牢固，表面油分子随工作表面一同运动或静止； 5）不计油的惯性力和重力的影响； 6）润滑油不可压缩。,12.5.1 一维雷诺润滑方程式,取微单元体进行分析 左右两侧的压力 上下两面的切应力 根据x方向系的平衡得 整理后得,12.5.1 一维雷诺润滑方程式,由粘度的定义： 积分得,12.5.1 一维雷诺润滑方程式,边界条件： y=0时， u=v（随移动件移动）； y=h（油膜厚度）时， u=0（随静止件不动）。 任何截面沿x方向的单位宽度流量,12.5.1 一维雷诺润滑方程式,假设：油压最大处的间隙为h0 即 又 由于，油连续流动时流量不变,12.5

15、.2 油楔承载机理,由图可以看出，在油膜厚度为 在其左边， 可知， 即油压随x的增加而增大； 在其右边 ，可知 ， 即油压随x的增加而减小。,12.5.2 油楔承载机理,若 即油压随x的增加而不变。 这表示平行油膜各处油压总是等于入口和出口处的压力，应此不能产生高于外面压力的油压以支承外载。,12.5.2 油楔承载机理,若两滑动表面呈扩散楔形移动件带着润滑油从小口走向大口，油压必将低于出口和入口处的压力，不仅不能产生油压支承外载，而且会产生使两表面相吸的力。 液体动力润滑轴承形成条件：两相对运动的摩擦表面，利用其收敛性油楔，使具有一定粘度的液体形成的承载油膜，将摩擦表面完全分离开，以形成液体润

16、滑状态。 油楔必收敛 具有相对速度 一定的粘度,12.6 液体动压径向滑动轴承简介,液体滑动轴承：两相对运动的摩擦表面，存在着一定厚度的润滑油膜，其厚度足以使两摩擦表面完全分离开而不直接接触。 形成条件复杂 技术要求高 维护困难,12.6.1 滑动轴承工作过程,径向轴承建立液体动力润滑的过程,12.6.1 滑动轴承工作过程,径向轴承建立液体动力润滑的过程可分为三个阶段 轴的起动阶段 不稳定润滑阶段，这时轴颈沿轴承内壁上爬，不时发生表面接触 液体动力润滑运行阶段，这时由于转速足够高，带入到摩擦面间的油量能充满油楔，并建立承载油膜使轴颈抬起,12.6.2 滑动轴承的几何参数和压力曲线,12.6.3

17、 滑动轴承摩擦特性曲线,12.7 其他轴承简介,多油楔径向滑动轴承,12.7 其他轴承简介,摆动瓦多油楔径向滑动轴承,12.7 其他轴承简介,推力多油楔轴承,12.8 轴承润滑剂与润滑装置,轴承润滑的目的主要是：减小摩擦功耗，降低磨损率，同时还可起冷却、防尘、防锈以及吸振等作用。 常用的润滑材料是润滑油和润滑脂。此外，有使用固体（如石墨、二硫化钼）或气体（如空气）作润滑剂的。润滑油中以矿物油用的最多。,12.8.1 润滑油,润滑油的主要物理及化学性能指标是：粘度、粘度指数、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，也是选择轴承用油的主要依据。 选择轴承用润滑油的粘

18、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。,12.8.1 润滑油,润滑油选择的一般原则如下： 在压力大或冲击、变载等工作条件下，应选用粘度较 高的油。 滑动速度高时，容易形成油膜，为了减小摩擦功耗，应采用粘度较低的油。 加工粗糙或未经跑合的表面，应选用粘度较高的油。 循环润滑、芯捻润滑或油垫润滑时，应选用粘度较低的油；飞溅润滑应选用高品质、能防止与空气接触而氧化变质或因激烈搅拌而乳化的油。 低温工作的轴承应选用凝点低的油。,12.8.1 润滑油,液体动力润滑轴承的润滑油粘度可以通过计算和参考同类轴承的使用经验初步确定。 混合润滑轴承的润滑油选择可参考表。,12.8.2 润滑

19、脂,润滑脂是用矿物油与各种稠化剂混合制成。它的稠度大，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。润滑脂的主要物理性能指标是稠度（锥入度）和滴点。 轴颈速度小于1m/s2m/s的滑动轴承可以采用脂润滑。 钙基润滑脂，它在100摄氏度附近开始稠度急剧降低，因此只能在60摄氏度以下使用。钠基润滑脂滴点高，一般用在120摄氏度以下，比钙基脂耐热，但怕水。 锂基润滑脂有一定的抗水性和较好的稳定性，适用于20摄氏度120摄氏度。,12.8.3 润滑润滑装置的选择,滑动轴承的润滑方式可根据系数k选定式中： p=F/(dB)平均压强，MPa；v轴颈的线速度，m/s； k32压力循环润滑。,12.8.3 润滑方法,润滑油供给可以是间歇的或连续的，连续供油比较可靠。 用油壶注油，只能达到间歇润滑的作用。,12.8.3 润滑方法,连续供油主要有下列方法： 1.滴油润滑 为针阀式注油油杯。当手柄卧倒时，针阀受弹簧推压向下而堵住底部油孔。手柄转90度变为直立状态时针阀上提