第10章 滑动轴承

10滑动轴承

10.1概述轴承分为滑动摩擦轴承(简称滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)两大类。滚动轴承:摩擦系数小，起动阻力小，已标准化，选用、润滑、维护都很方便，一般机器中应用较广。滑动轴承:工作转速特高、特大冲击与振动、径向空间尺寸受到限制或必须剖分安装(如曲轴的轴承)、以及需在水或腐蚀性介质中工作等条件下应用。在轧钢机、汽轮机、内燃机、铁路机车及车辆、金属切削机床、航空发动机附件、雷达、卫星通信地面站、天文望远镜以及各种仪表中应用颇为广泛。此外，在低速且带有冲击的机器（如破碎机）中也常使用滑动轴承。按其承受载荷方向分类径向轴承(承受径向载荷)和止推轴承(承受轴向载荷)。根据其滑动表面间润滑状态分类液体润滑轴承、不完全液体润滑轴承(指滑动表面间处于边界润滑或混合润滑状态)和无润滑轴承(指工作时不加润滑剂)。根据液体润滑承载机理分类液体动力润滑轴承(简称液体动压轴承)和液体静压润滑轴承(简称液体静压轴承)。

要正确地设计滑动轴承，必须合理地解决以下问题：1）轴承的型式和结构；2）轴瓦的结构和材料选择；3)轴承的结构参数；4)润滑剂的选择和供应；5)轴承的工作能力及热平衡计算。10.2径向滑动轴承的主要结构型式径向轴承又称向心轴承，按其结构分为整体式、剖分式和自动调心式。10.2.1整体式径向滑动轴承

如图所示，它是由轴承座1和整体轴瓦2组成的。轴套是由减摩材料制成的，其上开有油孔，内表面还设有油槽以输送润滑油进行润滑。轴承座顶部制有螺纹孔，以便安装油杯或油管。整体式轴承具有结构简单、易于制造、刚度大、价格低等优点，但拆装时需要进行轴向移动，因而对于粗重的轴和有中间轴颈的轴安装不便。此外轴承磨损后轴承间隙无法调整。故仅适用于低速、轻载或间歇性工作的机器中。1—轴承座；2—整体轴瓦；3—油孔；4—螺纹孔图10-1整体式径向滑动轴承10.2.2剖分式径向滑动轴承剖分式径向滑动轴承又称对开式滑动轴承，如图10-2所示，它是由轴承座、轴承盖、剖分轴瓦等组成。剖分轴瓦是滑动轴承中最重要的零件，直接支撑轴颈。剖分式轴瓦通常是下轴瓦承受载荷，上轴瓦不承受载荷。为了便于润滑，一般在不受载荷的轴瓦上开油孔和油沟。同时轴承座与轴承盖的剖分面常被加工成阶梯形，便于安装时定位和防止工作时错动。此外，为节约贵重金属，通常在轴瓦内表面贴附一层轴承衬。剖分式轴承装拆方便，易于调整轴承间隙，应用较广。（a）

(b)图10-2剖分式向心滑动轴承10.2.3自动调心式径向滑动轴承

如图所示。其结构为轴承外支承面呈球面，球面中心恰好在轴线上，轴承可绕球形配合面自动调整位置，以适应轴弯曲时轴颈产生偏斜。当轴承宽度与轴直径比（B/d）大于1.5时，为避免因轴的挠曲或轴承孔的同轴度较低而造成轴与轴瓦端部边缘产生局部接触而磨损，常采用自动调心滑动轴承。图10-3调心式滑动轴承10.3滑动轴承的失效形式及常用材料10.3.1滑动轴承的失效形式滑动轴承的失效形式主要有磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、刮伤、微动磨损、胶合等。1）磨粒磨损

硬颗粒嵌入轴承间隙或表面，对轴颈和轴承表面产生磨损的现象。在机器启动、停车或轴颈与轴承发生边缘接触时，都将加剧轴承的磨损，导致其几何形状改变，精度丧失，轴承间隙进而加大，缩短轴承的预期使用寿命。2）疲劳磨损

在载荷反复作用下，轴承表面出现疲劳裂纹，造成轴承衬材料的剥落。3）腐蚀磨损

润滑剂氧化生成的酸性物质、极压（抗磨）添加剂等，都会对轴承材料有腐蚀作用。润滑油中的水分对铜铅合金有腐蚀；硫对含银或铜的轴承材料有腐蚀；此外，铸造铜铅合金中的铅，易受腐蚀而形成点状的脱落。4）刮伤

硬颗粒或轴颈表面粗糙的轮廓峰，在轴承表面上划出线状划痕，导致轴承因刮伤而失效。硬颗粒多半是铁末和砂粒，刮伤导致摩擦副表面粗糙化，从而降低了润滑油膜的承载能力，并且会形成新的可以刮伤摩擦表面的硬颗粒和轮廓峰，造成恶性循环。5）

微动磨损

在衬层与衬背，轴瓦与轴承座的结合面上，由于金属表面间的微振动（滑移）和氧化的联合作用，形成黏着磨损、氧化（腐蚀）磨损和磨粒磨损三种形式的复合磨损称为微动磨损。6）胶合

在润滑油膜破裂或缺油的状态下，大的摩擦因数导致产生大量的摩擦热，轴承温度升高。在高温下，一个摩擦表面的低熔点金属因软化而黏附在另一摩擦表面上，随着轴径旋转运动形成的剪切作用，黏连的金属从原表面脱离，转移到另一摩擦表面，造成摩擦表面明显的凹坑和凸起状伤痕。这种损伤属黏着磨损。

出现咬黏时，摩擦急剧增大，轴承温度进一步升高，形成恶性循环。当黏附严重，轴径转动的动力不再能剪切开黏结点时，将使轴径运动终止，俗称“抱轴”，轴承将彻底损坏。磨损及胶合点蚀及金属剥落10.3.2滑动轴承常用材料滑动轴承材料包括轴瓦和轴承衬材料，轴颈材料通常就是轴的材料，比较简单，绝大多数采用钢。滑动轴承常用材料见表10-1。1）对轴承材料的性能要求轴承失效形式决定了对轴承材料性能的要求，其基本要求有：①良好的减摩性、耐磨性和抗咬黏性。减摩性是指材料的摩擦因数较小。耐磨性是指抗磨性能，通常以磨损率表示。抗咬黏性是指材料的耐热性和抗黏附性。②具有足够的强度（包括抗冲击、抗压、抗疲劳强度）和抗腐蚀性。③具有良好的摩擦顺应性和嵌入性。顺应性是指轴瓦材料靠表层的弹塑性变形来补偿滑动表面初始配合不良的性能，材料弹性模量低则顺应性好。嵌入性指材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动的刮伤和磨粒磨损的性能。④具有良好的导热、工艺性、经济性和润滑性等。2）滑动轴承常用材料

①铜合金铜合金的强度高、减摩性和耐磨性好，但可塑性及跑合性较差。由于青铜的摩擦因数小，耐磨性和导热性好，故青铜是最常用的材料。青铜包括锡青铜、铅青铜和铝青铜等几种，其中锡青铜的减摩性和耐磨性最好，应用也最广。与轴承合金相比，锡青铜硬度大，磨合性和嵌人性差，因而只适用于重载及中速场合。铅青铜抗黏附能力强，高温时，可从摩擦表面析出铅，进而在铜基体上形成一层薄的敷层，起到润滑的作用，铅青铜多应用于高速、重载轴承。铝青铜的强度和硬度均较高，抗黏附能力较差，仅用于低速、重载轴承。有50％的机械中使用青铜材料所制备的滑动轴承。

②轴承合金轴承合金又称白合金或巴氏合金，是锡、铅、锑、铜的合金。它在锡或铅的基体上悬浮锑锡及铜锡的硬晶粒而成。硬晶粒起支撑载荷和抵抗磨损作用，软基体具有良好的顺应性、嵌入性和跑合性，增加了材料的塑性。轴承合金的弹性模量和弹性极限都很低，但其嵌人性和摩擦顺应性最好，不易与轴颈发生胶合，易与轴颈磨合。轴承合金的强度较低，因而不能单独做成轴瓦，通常贴附在青铜、软钢或铸铁轴瓦上作轴承衬使用。此外，轴承合金的耐磨性、塑性、导热及吸附油的特性好，适用于重载、中高速场合，但价格较贵。其中，锡基合金的热膨胀性质比铅基合金好，更适于高速传动。③铝基合金

铝基合金有相当好的耐蚀性和较高的疲劳强度，摩擦性能也很好。这些特性使铝合金在部分领域取代了较贵的轴承合金和青铜。铝基合金可以制成单金属零件（如轴套、轴承等），也可制成双金属零件，双金属轴瓦以铝基合金为轴承衬，以钢为衬背。④灰铸铁及耐磨铸铁

普通灰铸铁或加有镍、铬、钦等合金成分的耐磨铸铁都可用作轴承材料。在材料表面上贴附石墨后，能起到润滑作用，还具有一定的减摩性和耐磨性。采用灰铸铁作轴承材料时，应加润滑油。铸铁类材料的塑性以及磨合性差，但价格低，故其只适用于轻载、低速和不受冲击的场合。⑤多孔质金属材料利用不同金属的粉末经压制、烧结而成的轴承材料，具有多孔组织。使用前先将轴瓦在热油中浸，使孔隙中充满润滑油，通常把这种材料制成的轴承称为含油轴承。此种轴承材料具有自润滑性。粉末合金是用金属粉末或金属粉末加入石墨、硫等粉末，经制粉、定型、烧结而成的多孔性材料。其缺点是性脆、不耐冲击，故只适用于载荷平稳情况。⑥非金属材料非金属材料有塑料、石墨、橡胶、和木材等，其中塑料应用最广。塑料包括酚醛树脂、尼龙、聚四氟乙烯等。塑料轴承具有良好的自润滑性、吸振性、嵌入性、耐磨性和跑合性，也可用油或水润滑。其摩擦因数小，但有足够的抗压强度和抗疲劳强度；塑料的导热性差，线膨胀系数大，因此塑料轴承的间隙大、常温下会出现蠕变现象，尺寸稳定性差。橡胶具有较大的弹性，能减轻振动使运动平稳，可用水润滑。其内壁上带有纵向沟槽，便于润滑剂的流通，加强冷却效果并冲走污物。常用于水轮机、潜水泵、钻机等有泥沙或在水中工作的场合。木材可用填充剂来改善其性能。多用在灰尘较多的环境中。10.4轴瓦结构轴瓦是轴承上直接与轴颈接触的零件，其结构是否合理对轴承的承载能力及使用寿命有很大影响。轴瓦应具有一定的强度和刚度，在轴承中定位要可靠，便于输入润滑剂，容易散热，且装拆、调整方便。由于是直接接触，因此轴瓦需要用耐磨性、减摩性好的材料制造。同时为了提高其承载能力并节省贵重金属，常在轴瓦工作表面浇铸一层耐磨性和减摩性好的金属材料，称为轴承衬。

轴瓦的内表面还需开设油孔和油沟，便于润滑充分。油孔用于注入润滑油，油沟用来输送分布润滑油。10.4.1轴瓦结构轴瓦结构轴瓦有整体式和剖分式两种。整体式轴瓦又称轴套，其结构如图10-4所示，其上开有油孔和油沟。整体式轴瓦用于整体式轴承，轴承合金、多孔质金属材料、石墨及其他非金属材料都可以制成整体轴瓦。整体式轴瓦需从轴端进行安装和拆卸，可修复性差。图10-4整体式轴瓦整体式轴瓦轴承衬为了节省贵重金属或其它需要，常在轴瓦内表面上贴附一层轴承衬。

剖分式轴瓦剖分式轴瓦分为上轴瓦和下轴瓦，如图10-5所示。轴瓦两端有凸肩，可进行轴向定位，并能承受一定的轴向力。剖分式轴瓦分为薄壁轴瓦和厚壁轴瓦，厚壁轴瓦用铸造方法制备，内表面附有轴承衬；薄壁轴瓦用双金属板连续扎制方法制造，用于汽车发动机，由于此种轴瓦刚度小，受力后形状取决于轴承座的形状，且轴瓦和轴承座需要进行精加工。图10-5剖分式轴瓦10.4.2轴瓦的定位为防止轴瓦做轴向和周向移动，常将轴瓦两端做出凸缘进行轴向定位，也可用紧定螺钉或销钉将其固定在轴承座上。10.4.3油孔和油槽

为使润滑油均匀分布在轴瓦的工作表面，轴瓦上常开有油孔和油槽。油槽的开设长度要适宜，不能过长也不能太短。过长会使润滑油从轴端溢出，过短不能进行充分润滑。油槽分轴向和周向，整体式径向轴承，常采用单轴向油槽，开式径向轴承，多采用双轴向油槽。油孔、油槽的开设位置和形状对轴承的工作能力和寿命影响很大，因而开设时需遵循以下原则：①开设在非承载区，以免降低承载能力；②轴向油槽不能开通至轴端部，要留有油封面。图10-6常见的油槽形式10.5滑动轴承润滑剂的选用滑动轴承润滑的目的主要是减小摩擦和降低磨损，同时还可以起到冷却、防尘、防锈以及吸振等作用。滑动轴承常用的润滑剂有润滑油、润滑脂和固体润滑剂。其中润滑油最常用；当轴颈的圆周速度为低速，小于2m/s或作间歇运动，以及要求对污染物和水分密封时采用润滑脂润滑；工作温度特高或特低时可使用固体润滑剂（如石墨）。高速度时可使用气体润滑剂。10.5.1润滑油的选择考虑的主要因素如下：1）载荷

重载荷时采用高黏度的油，轻载荷时采用低黏度的油。2）速度

根据油楔形成理论：高速时，主轴与轴承之间的润滑处于液体润滑的范围，必须采用低黏度的油以降低内摩擦；低速时，处于边界润滑的范围，必须采用高黏度的油。主轴线速度的高低是选择润滑油黏度的重要因素。3）主轴与轴承的间隙

主轴与轴承之间的间隙取决于工作温度、载荷、最小油膜厚度、摩擦损失、轴与轴承的偏心度、轴与轴承的表面粗糙度的要求。间隙小的轴承要求采用低薪度油，间隙大的采用高赫度油。4）温度

工作温度高时，选用黏度大的润滑油，反之选择黏度小的润滑油。但黏度过高，功率损耗和运转温度将会不必要地过高；黏度过低，轴承的承载能力会不满足要求。10.5.2润滑脂的选择选择润滑脂为润滑剂的一般原则为：1）当压力高、重载荷、滑动速度低时，选择锥入度小一些的润滑脂；反之，选择锥入度大一些的润滑脂。2）所选润滑脂的滴点一般应高于工作温度20~30℃，以免工作时润滑脂流失过多。3）滑动轴承在有水淋或潮湿的环境下工作时，应选择防水性强的钙基或铝基润滑脂。在温度较高处应选用钠基或复合钙基润滑脂。10.5.3固体润滑剂的选择固体润滑剂可以在摩擦表面上形成固体膜以减小摩擦阻力，通常只用于一些有特殊要求的场合。

二硫化钼用粘结剂调配涂在轴承摩擦表面上可以大大提高摩擦副的磨损寿命。在金属表面上涂镀一层钼，然后放在含硫的气氛中加热，可生成MoS2膜。这种膜粘附最为牢固，承载能力极高。在用塑料或多孔质金属制造的轴承材料中渗入MoS2粉末，会在摩擦过程中连续对摩擦表面提供MoS2薄膜。将全熔金属注到在石墨或碳—石墨零件的孔隙中，或经过烧结制成轴瓦可获得较高的粘附能力。聚四氟乙烯片材可冲压成轴瓦，也可以用烧结法或粘结法形成聚四氟乙烯膜粘附在轴瓦内表面上。软金属薄膜(如铅、金、银等薄膜)主要用于真空及高温的场合。10.6流体润滑原理简介根据油楔承载机理，流体润滑可分为流体动压润滑及流体静压润滑。流体动压润滑是由于润滑油的黏性和油在轴承副中的楔形间隙形成的流体动力作用而产生油压，形成承载油膜的润滑；流体静压润滑是从外部将油加压送人摩擦面间，强迫形成承载油膜的润滑，进而达到降低摩擦、减少磨损的目的。10.6.1流体动压润滑流体动压润滑的主要优点为摩擦力小，磨损小，减缓振动和冲击。流体动力润滑通常是研究低摩擦副零件接触润滑的问题，并将摩擦表面视为刚体，认为润滑剂的黏度不随压力而改变。流体动压润滑的基本方程是流体膜压力分布的微分方程，又称雷诺（Reynolds）方程。它是以黏性流体动力学的基本方程为基础，作了一些假设后简化所得的。具体假设条件为：①流体为不可压缩的牛顿流体；②流体膜中流体的流动是层流；③忽略压力对流体黏度的影响；④忽略惯性力及重力的影响；⑤认为流体膜中的压力沿膜厚方向是不变的。如图（a）所示，A、B为两平行平板，板间为黏性润滑油。板B静止不动，若板A以速度v，由于润滑油的粘性及平板间的吸附作用各流层的流速则按直线规律分布，这是由于流动的油层受到剪切作用而产生的，故称剪切流。这时通过两平行平板间的任意垂直截面处的流量都相等，润滑油虽能维持连续流动状态，但油膜并不能承受外载荷。当两平板相互倾斜形成楔形收敛间隙，且动板B的运动方向是从间隙大的一侧向间隙小的一侧移动时，若各油层的分布规律如图（b）中的虚线所示，则进入间隙的油量必大于流出间隙的油量。假设流体不可压缩，那么进入此楔形间隙的过多油量，必将由进、出口两处截面被挤出，从而产生压力而引起流动，即压力流。此时，楔形间隙中油层流动速度将是剪切流和压力流的叠加，进而得到进口油的速度曲线呈内凹形，出口呈外凸形。只要供油连续、充分，且两板相对速度足够大，流体流入楔形收敛间隙产生的动压力是能够稳定存在。这种具有一定黏性的流体流人楔形收敛间隙而产生压力的效应叫流体动力润滑的楔效应。图10-7相对运动平板间油层中的压力和速度分布10.6.2流体静压润滑

流体静压润滑是靠外压将流体送入两摩擦表面之间的，利用流体静压力来平衡外载荷。图10-8为典型流体静压润滑系统示意图，由液压泵将润滑剂加压，通过补偿元件送入摩擦件的油腔，再经过油腔周围的封油面与另一摩擦面所构成的间隙流出，润滑剂流出后压力降至环境压力。被环境压力包围的封油面和油腔总称为油垫，一个油垫可以有多个油腔。油腔一般开在承导件上。一个单油腔油垫不能承受倾覆力矩。两静止、平行的摩擦表面间可以采用流体静压润滑形成流体膜。其承载能力不取决于流体的黏度，故能用黏度极低的润滑剂，既提高了摩擦副的承载能力，又降低了摩擦力矩。图10-8典型流体静力润滑系统10.6.3动、静压润滑近年来，随着科学技术的发展，在工业生产中出现了新型的动、静压润滑的轴承。流体动、静压联合轴承充分发挥了流体动压轴承和流体静压轴承优点，克服了二者的不足。其主要工作原理为：当轴承副在启动或制动过程中，采用静压流体润滑的办法，将高压润滑油注入轴承承载区，保证流体润滑条件，避免在启动或制动过程中因速度变化不能形成动压油膜而产生的摩擦与磨损。当轴承副进入全速稳定运转时，可停止静压供油系统，使用动压润滑供油，形成动压油膜，进而保持住轴颈在轴承中的流体润滑条件。动、静压润滑是摩擦表面完全被静压油膜和动压油膜分隔开，所以正常情况下几乎没有磨损，从而延长了轴承的工作寿命，节约了动能消耗。10.7不完全液体滑动轴承设计计算除流体静压轴承外，滑动轴承几乎都在不完全液体摩擦状态下工作或经历不完全液体摩擦状态。由于轴承摩擦表面不能被润滑油完全隔开，只能形成边界油膜，存在金属表面局部的直接接触，所以不完全液体滑动轴承的主要失效形式是磨损和胶合，因此工程上常以维持边界膜不遭破坏为最低设计准则，采用间接条件性计算方法，根据边界油膜的机械强度和破裂温度来决定轴承的工作能力。该方法只适用于对工作可靠性要求不高的低速、重载或间歇工作的滑动轴承。轴承宽径比B/d对承载能力和工作温升有一定的影响。一般情况下，宽径比大，承载能力强，但轴承的散热能力降低；若取较小的宽径比，轴承的散热能力有所提高，但轴承的承载能力相对降低。实际选取时，B/d不应小于0.25，一般情况可取B/d≈1.常用机器中滑动轴承的宽径比可参考表10-4。机械名称汽轮机电动机、发电机离心压缩机、离心泵轧钢机齿轮减速器机床传动轴车辆轴承箱B/d值0.25～1.00.6～1.50.5～1.20.6～0.90.6～1.20.8～1.20.8～1.51.4～2.0表10－4常用机器的宽径比B/d值注：应优先选用下限值

不完全液体润滑滑动轴承的计算准则有以下几种：a）b)c)d)