清华机械设计 第3.3章滑动轴承

1、第第3.3章章 滑动轴承设计滑动轴承设计肖丽英肖丽英调查数据全世界工业能源的1/3被摩擦损耗掉失效零件的80%是由于磨损造成的20世纪80年代，我国在冶金、煤炭、农机等五个行业的调查表明：由于磨粒磨损缩小好的备件用钢材达到100万吨以上，如考虑停机等费用造成的损失每年达到几亿元。摩擦学发展的重要历史阶段史前人类的钻木取火西晋时代张华所著博物志最早记载了人类使用矿物油做润滑剂15世纪，意大利的列奥纳多达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径18世纪起摩擦学研究蓬勃兴起，到20世纪60年代摩擦学成为一门独立的交叉学科应用及研究的领域不断扩大：机械、冶金、生物、地质、音乐、体育等第第3.3章章 滑动轴

2、承滑动轴承摩擦学基本知识简介摩擦学基本知识简介3.3.1滑动轴承的典型结构滑动轴承的典型结构3.3.2滑动轴承的轴瓦结构和材料滑动轴承的轴瓦结构和材料3.3.3非液体润滑滑动轴承的承载能力设计非液体润滑滑动轴承的承载能力设计3.3.4液体动力润滑滑动轴承的承载能力设液体动力润滑滑动轴承的承载能力设计计 小结：滑动轴承设计的内容小结：滑动轴承设计的内容摩擦学基本知识摩擦学基本知识摩擦摩擦定义定义摩擦的类型：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦摩擦的类型：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦摩擦状态的判定：摩擦状态的判定：磨损磨损定义定义磨损的过程：磨损的过程：磨损的类型：磨损的类型：粘着磨损、磨

3、粒磨损、表面疲劳磨损、摩擦化学磨损粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、摩擦化学磨损改善摩擦副耐磨性能的措施改善摩擦副耐磨性能的措施 选择减磨材料、合理选择润滑剂和添加剂、控制易损件的工选择减磨材料、合理选择润滑剂和添加剂、控制易损件的工作条件作条件润滑润滑润滑润滑目的目的润滑剂分类润滑剂分类气体：空气及其它气体介质。气体：空气及其它气体介质。液体：水、矿物油及液态金属等。液体：水、矿物油及液态金属等。半固体：润滑脂半固体：润滑脂固体：石墨、二硫化钼等固体：石墨、二硫化钼等主要性能指标主要性能指标润滑油、润滑脂润滑油、润滑脂1、对于不完全液体润滑-降低摩擦及减少磨损；2、对于液体动力润滑-工作介质

4、并具有冷却作用。摩擦学基本知识摩擦学基本知识粘度粘度流体抵抗变形的能力，标志着流体内摩擦阻力的大小。平行板间液体的层流流动模型平行板间液体的层流流动模型牛顿定律dzdu剪切应力剪切应力动力粘度动力粘度速度梯度速度梯度P269式8-1润滑油的特性润滑油的特性1.动力粘度：主要用于流体动力计算中。Pas2.运动粘度：主要用于测量流体粘度。m2/s3.两种粘度之间的换算关系：2/11msNsPa/矿物有的密度矿物有的密度 kg/mkg/m3 3润滑油的特性润滑油的特性 4.4.润滑油粘度特性；润滑油粘度特性；粘温特性：粘温特性： 温度越高、粘度越低，反之亦然。温度越高、粘度越低，反之亦然。 图图8-

5、2 8-2 全损耗系统用油的粘全损耗系统用油的粘-温曲线温曲线粘压特性：粘压特性： 压力越高、粘度越高，反之亦然。压力越高、粘度越高，反之亦然。 式一般在式一般在5MPa5MPa之下影响不大。之下影响不大。 5.5.其它性能指标：油性、极压性、氧化稳定性、其它性能指标：油性、极压性、氧化稳定性、闪点、凝固点等。闪点、凝固点等。P270图8-2润滑脂的特性润滑脂的特性锥入度（稠度）锥入度（稠度）标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。锥入度越大，润滑脂越稀；反之亦然。滴点滴点在规定的加热条件下，润滑脂由标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度称为润滑脂的滴点。滴点标志着润滑脂耐高温的能力。一般润滑脂的

6、工作温度应低于滴点20-30C。为改善润滑油或润滑脂的性能，以适应某些特殊的需要，在润滑油或润滑脂中加入一些物质，称为添加剂。教材p270p271相关内容滑动轴承的分类滑动轴承的分类滑动轴承滑动轴承（面接触）（面接触）不完全液体润滑不完全液体润滑流体润滑流体润滑无润滑轴承无润滑轴承边界润滑边界润滑混合润滑混合润滑流体静压轴承流体静压轴承流体动压轴承流体动压轴承3.3.1 滑动轴承的典型结构滑动轴承的典型结构径向滑动轴承的典型结构（径向滑动轴承的典型结构（p137-138）整体式（图整体式（图3-15）、剖分式（图）、剖分式（图3-13）图图3-15整体式滑动轴承结构整体式滑动轴承结构3.3.1

7、 滑动轴承的典型结构1.径向滑动轴承的典型结构图图3-13剖分式滑动轴承结构剖分式滑动轴承结构3.3.1 滑动轴承的典型结构滑动轴承的典型结构1.径向滑动轴承的典型结构图3-14斜剖分式滑动轴承剖分式滑动轴承3.3.1 滑动轴承的典型结构滑动轴承的典型结构1.径向滑动轴承的典型结构图图3-16 3-16 调心滑动轴承调心滑动轴承3.3.1 滑动轴承的典型结构滑动轴承的典型结构1.径向滑动轴承的典型结构2.推力滑动轴承结构V图3-18 动压推力滑动轴承简图3.3.1 滑动轴承的典型结构滑动轴承的典型结构a单向旋转 b双向旋转 c可倾瓦推力轴承 轴承表面由多组斜面轴承表面由多组斜面平面组成，当轴低

8、平面组成，当轴低速旋转时依靠平面接触承载，当以工作速速旋转时依靠平面接触承载，当以工作速度旋转时依靠斜面形成液体动压润滑。度旋转时依靠斜面形成液体动压润滑。2 . 推力滑动轴承结构3.3.1 滑动轴承的典型结构滑动轴承的典型结构3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料 1.滑动轴瓦的结构滑动轴瓦的结构滑动轴承工作时滑动轴承工作时 与轴颈直接接触的与轴颈直接接触的 部分称为轴瓦或轴套部分称为轴瓦或轴套轴瓦的形式和构造轴瓦的形式和构造-整体铸造、对开式整体铸造、对开式油孔及油槽（油孔及油槽（p140，图，图3-20，3-23）轴瓦的定位轴瓦的定位-保证轴瓦与轴承座之间无轴向、周

9、保证轴瓦与轴承座之间无轴向、周向的相对移动向的相对移动 （图（图3-21）1).轴瓦结构图图3-20整体式轴瓦整体式轴瓦3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料1).轴瓦结构图图3-21 轴瓦的固定轴瓦的固定3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料1).轴瓦结构轴瓦结构：由轴瓦结构：由13层材料制成层材料制成图3-22轴瓦内表面结构3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料2). 油沟与油槽的位置油沟与油槽的位置 3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料2).油沟与油槽的位置油沟与油槽的位置 不要开在轴承的承载区内，

10、否则将急剧降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低轴承的承载能力3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料油孔与油槽的位置油孔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（承的承载能力（图图3-23）油槽的剖面形状应避免边缘有锐边或棱角，保油槽的剖面形状应避免边缘有锐边或棱角，保证润滑油能顺畅地流入润滑表面之间。证润滑油能顺畅地流入润滑表面之间。油槽的尺寸可查相关的手册。2).油沟与油槽的位置油沟与油槽的位置 图3-24 多油楔轴承3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料2).油沟

11、与油槽的位置油沟与油槽的位置 多油楔轴承多油楔轴承可倾瓦式多油楔轴承可倾瓦式多油楔轴承3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料2.滑动轴承的材料滑动轴承的材料 滑动轴承的失效形式滑动轴承的失效形式材料选用原则材料选用原则常用的轴瓦材料（常用的轴瓦材料（p142，表，表3-16）3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料轴承材料的选用原则轴承材料的选用原则滑动轴承的失效形式滑动轴承的失效形式* 磨粒磨损磨粒磨损* 刮伤刮伤* 咬粘（胶合）咬粘（胶合）* 疲劳剥落疲劳剥落* 腐蚀腐蚀对材料性能的要求对材料性能的要求* 良好的减摩性、耐磨性良好的减摩性、耐磨性和

12、抗咬粘性和抗咬粘性* 良好的摩擦顺应性、嵌良好的摩擦顺应性、嵌入性和磨合性入性和磨合性* 足够的强度和抗腐蚀能足够的强度和抗腐蚀能力力* 良好的导热性、工艺性良好的导热性、工艺性和经济性等和经济性等轴瓦的材料轴瓦的材料常用的轴瓦材料（表常用的轴瓦材料（表3-16）F金属材料：轴承合金巴士合金金属材料：轴承合金巴士合金F粉末冶金材料粉末冶金材料 （多孔质金属材料）（多孔质金属材料）F非金属材料非金属材料3.3.2 滑动轴承的轴瓦结构与材料滑动轴承的轴瓦结构与材料3.3.3 非液体润滑滑动轴承设计计算非液体润滑滑动轴承设计计算失效形式失效形式磨粒磨损与粘着磨损为主、多种失效形式并存磨粒磨损与粘着磨

13、损为主、多种失效形式并存的情况的情况设计准则设计准则边界膜不遭破坏，维持粗糙表面微腔内有液体边界膜不遭破坏，维持粗糙表面微腔内有液体润滑存在润滑存在径向滑动轴承的计算径向滑动轴承的计算推力滑动轴承的设计计算推力滑动轴承的设计计算（自学）（自学）1.1.非液体润滑径向滑动轴承设计算典型问题非液体润滑径向滑动轴承设计算典型问题1.1.已知条件：已知条件：轴颈的直径轴颈的直径d d（mmmm）轴转速轴转速n n（r/minr/min）轴承的径向外载荷轴承的径向外载荷F F（N N）2.设计的目的：确定轴承的材料与宽度B1.1.非液体润滑径向滑动轴承设计算典型问题非液体润滑径向滑动轴承设计算典型问题2

14、.设计的目的：确定轴承的材料与宽度B验算轴承的平均压力p-防止磨损验算轴承的pV值-限制温升验算滑动速度V-防止磨损MPapBdFp式（3-24）smMPapvpv/式（式（3-253-25） smvv/式（式（3-263-26）见表见表3-163-16 vpvp、3.3.43.3.4液体动压滑动轴承的承载能力设计液体动压滑动轴承的承载能力设计一一. 流体动压的基本理论流体动压的基本理论雷诺方程雷诺方程二二.流体动压径向滑动轴承的设计计算流体动压径向滑动轴承的设计计算 三三.径向滑动轴承的几何参数径向滑动轴承的几何参数四四.液体动力润滑径向滑动轴承的工作能力计液体动力润滑径向滑动轴承的工作能力

15、计算算五五.轴承参数的选择轴承参数的选择一一.流体动压的基本理论流体动压的基本理论雷诺方程雷诺方程1.假设条件：1)忽略重力、磁力、惯性力的影响；2）流体在界面上无滑动，即贴于界面的油层速度与界面速度相同；3）沿油膜厚度方向上，不计油膜压力的变化；4)润滑油沿膜厚方向没有流动；0yp一一.流体动压的基本理论流体动压的基本理论雷诺方程雷诺方程1.假设条件：5）流体为牛顿流体；6）润滑油流动为层流；7）润滑油不可压缩。zu一一.流体动压的基本理论流体动压的基本理论雷诺方程雷诺方程dxdydzzdydzdxxppdxdypdydz)()(zxpzu22zuxp一一.流体动压的基本理论流体动压的基本理

16、论雷诺方程雷诺方程2.根据层流运动的流体膜中一微元体的受力平衡、流量连续的分析，并利用假设条件及必要的边界条件，可得到如下的流体膜压力分布方程，即：一维雷诺方程一维雷诺方程。油膜的压力变化与润滑油的黏度、表面相对滑动速度、油膜的厚度变化有关)(U603hhhxph式（式（3-373-37）最大压力处对应最大压力处对应的油膜厚度。的油膜厚度。图图3-273-27两相对运动平板间油层的速度和压力分布两相对运动平板间油层的速度和压力分布一一.流体动压的基本理论流体动压的基本理论雷诺方程雷诺方程一一.流体动压的基本理论流体动压的基本理论雷诺方程雷诺方程3.3.形成液体动力润滑的条件形成液体动力润滑的条

17、件 （图（图3-273-27）润滑油要有一定的粘度，且其它条件不变时，粘度越高，承载能力越高。两相对运动表面要有相当的相对滑动速度。相对滑动表面形成收敛的油楔。有充足的供油。一一.流体动压的基本理论流体动压的基本理论雷诺方程雷诺方程判断下图中有没有收敛的油楔判断下图中有没有收敛的油楔1、流体动力润滑的形成过程、流体动力润滑的形成过程二二.流体动压径向滑动轴承的设计计算流体动压径向滑动轴承的设计计算 2.2.稳定状态下径向滑动轴承的几何参数稳定状态下径向滑动轴承的几何参数1.1.直径间隙直径间隙dD 2.2.半径间隙半径间隙rR3.3.相对间隙相对间隙rd4.4.偏心距偏心距e5.5.偏心率偏心

18、率e6.6.最小油膜厚度最小油膜厚度)1 ()1 (minreh7.7.偏位角偏位角8.8.任意位置的油膜厚度任意位置的油膜厚度h h)cos1 ()cos1 (rh空气润滑油油楔油膜压力二二.流体动压径向滑动轴承的设计计算流体动压径向滑动轴承的设计计算 3、稳定状态下滑动轴承的承载能力、稳定状态下滑动轴承的承载能力 承载量计算承载量计算 热平衡计算热平衡计算 最小油膜厚度的计算最小油膜厚度的计算 流体动压润滑径向轴承的参数选择流体动压润滑径向轴承的参数选择 轴承的承载量计算轴承的承载量计算总承载量计算的无量纲参数总承载量计算的无量纲参数-索氏数定义：索氏数定义：式（3-25）),(0dBS图

19、3-30P14920BdSF 其中：为润滑油在轴承平均工作温度下的动力粘度，Ns/m2为轴颈的转速，rad/sB为轴承的宽度，m；d为轴颈的直径，m。BdFS20热平衡计算热平衡计算定义：轴承的摩擦特性系数定义：轴承的摩擦特性系数图3-31 FFvFvFP摩擦力：摩擦力：摩擦功耗：摩擦功耗：根据能量守恒：每秒产生的热量根据能量守恒：每秒产生的热量 带走热量带走热量1H2H达到热平衡时的润滑油温度差达到热平衡时的润滑油温度差式(3-45)为保证轴承的正常工作，一般要求平均工作为保证轴承的正常工作，一般要求平均工作温度温度不超过不超过7575。vBdcqpvcBdvQpdBcQBdpvtspvspsp210)(10)(10666热平衡计算热平衡计算P1H6210QtdBcHsp）（流量BdpvuFvuPH1平均工作温度平均工作温度2入出平均ttt入口油温入口油温t入入一般为一般为3045C热平衡计算热平衡计算 最小油膜厚度的计算最小油膜厚度的计算 轴承中的最小油膜厚度，不