滑动轴承的设计

滑动轴承的设计§1 滑动轴承概述按其承载方向的不同，轴承可分为：向轴承；为推力轴承。按轴承工作时的摩擦性质不同，轴承可分为：滑动轴承和滚动轴承。滑动轴承，依据其相对运动的两外表间油膜形成原理的不同，还可分为:流体动力润滑轴承(简称动压轴承)(Hydrodynamiclubrication)流体静力润滑轴承(简称静压轴承)(Hydrostaticlubrication)。本章主要争论动压轴承。噪声小，寿命长等优点，它广泛用于内燃机、轧钢机、大型电机及仪表、雷达、天文望远镜等方面。态亦有所不同。通常将其分为如下三种状态：1、完全液体摩擦完全液体摩擦状态(8-1a)是指滑动轴承中相对滑动的两外表完全被润滑油膜所隔开，油膜有足够的厚度，消退了两摩擦外表的直接接触。此时，只存在液体分子之间的摩擦，故摩擦系数很小(f=0.001～0.008)，显著地削减了摩擦和磨损。2、边界摩擦当滑动轴承的两相对滑动外表有润滑油存在时，由于润滑油与摩擦外表的8-1b)，它能承受很高的压强而不破坏。边界油膜的厚度比一微米还小，缺乏以将两摩擦外表分隔开，所以，相对滑动时，两摩擦外表微观的尖峰相遇就会把油膜划破，形成局f=0.008～0.01。3、干摩擦两摩擦外表间没有任何物质时的摩擦称为干摩擦状态(8-1c)，在实际生大量的摩擦损耗和严峻的磨损，故滑动轴承中不允许消灭干摩擦状态，否则，将导致猛烈的升温，把轴瓦烧毁。态设计轴承，称为非液体摩擦滑动轴承。§2滑动轴承的构造形式一、向心滑动轴承的构造形式1、剖分式8-2)由轴承盖、轴承座、剖分轴瓦和螺栓组成。8-2a、8-2b)，也有斜剖分的(8-2c、8-2d)。水平剖分斜剖分图8-2 剖分式滑动轴承剖分式滑动轴承装拆比较便利，轴承间隙调整也可通过在剖分面上增减薄JB/T2561-91、JB/T2562-912、整体式上的油沟进入摩擦面。JB/T2560-91(a)(b)图8-3 整体式向心滑动轴承3、自动调心式假设轴承的宽径比较大，当轴的弯曲变形或轴孔倾斜时，易造成轴颈与轴瓦端部的局部接触，引起猛烈的磨损和发热。因此，当>1.58-4)，这种轴承的特点是：轴瓦外外表做成球面外形，与轴承盖和轴承座的球状内外表相协作，球面中心通过轴颈的轴线。因此轴瓦可以自动调位以适应轴颈在轴弯曲时产生的偏斜。4、间隙可调式8-58-5a),与内锥形外表的轴套相协作。轴瓦上开有一条纵向槽，调整轴套两端的螺母可使轴瓦8-5b，轴瓦做成能与圆锥轴颈相协作的内锥孔。(b)图8-5 式向心滑动轴承二、推力滑动轴承的构造形式8－6(a)推力滑动轴承的典型构造向载荷，其典型构造见8-6(a)。1、实心式0，对润滑很不利，导致支撑面磨损极不均匀，使用较少。2、空心式支撑面上压强分布较均匀，润滑条件有所改善。3、单环式利用轴环的端面止推，构造简洁，润滑便利，广泛用于低速轻载场合。4、多环式特点同单环型，可承受较单环更大的载荷，也可承受双向轴向载荷。实心式 (c)空心式 (d)单环式 (e)多环式图8-6 推力轴承的构造形式8-7)。图8-7 多油楔推力轴承§3轴瓦的材料和构造一、轴瓦的材料对轴瓦材料的根本要求是：足够的抗压强度和疲乏强度；(3)热膨胀系数小，良好的导热性和润滑性能以及耐腐蚀性；(4)良好的工艺性。常用的轴瓦材料有：1、轴承合金whitemetal好，更适用于高速轴承。2、铜合金250℃。但可塑性差，不易跑合，与之相配的轴颈必需淬硬。适用于中速重载，低速重载的轴承。3、粉末冶金10～35%，可贮存润滑油，故又称为含油轴承。运转时，轴和加油不便利的场合。4、非金属材料非金属轴瓦材料以塑料用得最多，其优点是摩擦系数小，可承载冲击载的导热性差(只有青铜的1/2023～1/5000)，耐热性低(120～150℃时焦化)，瓦上使用。塑料轴承一般用于温度不高，载荷不大的场合。方。水泵，水轮机等场合。常用的轴瓦材料及性能见表8-1。表8-1 常用轴承材料的性能及用途HBSHBS材料牌号[p]/MPa[v]/(m/s)pv]/(MPa.m/s)金属模砂模应用举例铬镍合金灰口铁。用于耐耐磨铸铁-1(HT)0.05~9磨铸铁2~0.20.2~1.8180~229与经热处理(淬火或正的轴承耐磨铸铁-1(QT)0.5~125~1.02.5~12210~260球墨铸铁，用于与经热167~197用于与不经淬火的轴相磷锡青铜,用于重载,ZCuSn10P1 15 10

9080

中速高温及工作的轴承。锡锌铅青ZQSn6-6-3铸造青铜ZCuAl10Fe3

8 3 30 8

6560110100载荷处，轴承温度可至颈需淬火稳)

12

ZCuPb3015(冲8(60)25可受很大的冲击载荷，击)也适用于精密机床主轴轴承750kW铸以下的减速锌器，各种轧铝ZZnAl10-52091610080钢机辊轴合承，工作温金度低于80℃。铸25(平稳)8020(100)用做轴承锡ZSnSb11Cu627衬，用于重基20(冲6015(10)载高速，温轴击)度低于承110℃的重合要轴承,如金汽轮机，大750kW的电动机，内燃机，高转速的机床主轴的轴承等用于不剧变的重载，高速的轴承，如车床，发ZPbSb16Sn16Ch2151210(50)30电机，压缩机，轧钢机铸等的轴承，铅温度低于基120℃轴用于冲击载承荷或稳定合载荷下工金作的轴承。ZPbSb15Sn520 15 1520电动机，拖拉机，发动机，空压机的轴承21 0.125常用于载荷平稳，低速0.5；及加油不方铁质陶瓷(含油轴承)较少而足够的润4.9~4.80.25~0.751.8；润滑充50~85便处，轴颈最好淬火，4径向间隙为轴径的0.15~0.02%用于速度不65 0.09661.6(滴油连续工作〕10102.5(滴油间歇工作)作)注：①括弧中的[pv]值为极限值，其余为润滑良好时的一般值。v1(QT),v=3m/s二、轴瓦的构造常用的轴瓦分为整体和剖分式两种构造。8-7)。为8-8)。轴瓦和轴承座不允许有相对移动，为了防止轴瓦的移动，可将其两端做出8-9)。图8-8 整体式轴瓦和剖分式轴瓦图8-9 双金属轴瓦 图8-10销钉固定轴瓦8-12孔和油沟均位于轴承的非承载区，油沟的长度均较轴承宽度短。图8-11 不正确的油沟会降低油膜的承载力量8-12油沟(非承载轴瓦)§4非液体摩擦滑动轴承的设计一、失效形式和设计约束条件设计约束条件如下所述。1、限制轴承的平均压强的过度磨损，即：(8-1)

(MPa)(8-2)式中：为径向载荷(N)；d为轴径直径(mm)；l为轴承宽度(mm)；

[] (MPa)8-1。推力轴承：(MPa)(8-3)式中：为轴向载荷(N)；Z为推力环数目；kk=0.8～0.9。8-150%。2pv值由于 擦功率损耗成正比，它表征了轴承的发热因素。限制值，以防止轴承温升过高，消灭胶合破坏。即(8-4)(8-5)

[ ] 〔MPa·m/s〕

〔MPa·m/s〕对于推力轴承：上式应取平均线速度，即： ，式中：n为轴的转速(r/min)；[pv]-轴瓦材料的许用值，见表8-1。考虑到推力轴承承受平均速度取[pv]＝2～4MPa.m/s。3v当压强较小时，即使与都在许用范围内，也可能因滑动速度过大而加剧磨损。故要求[]〔m/s〕(8-6)二、设计方法1、选择轴承的构造形式及材料。设计时，一般依据的轴径、转速和轴承载荷及使用要求，确定轴承的构造型式及轴瓦构造，并按8-1初定轴瓦材料。2、初步确定轴承的根本尺寸参数。宽径比/是轴承的重要参数，可参考8-3的推举值，依据轴径确定轴承长度及相关的轴承座外形尺寸；并按不同的使用和旋转精度要求，合理选择轴承的协作，以确保轴承具有肯定的间隙。3、校核是否满足约束条件，否则再设计。、式(8-4)和式(8-6)对轴承进展校核计算，假设不满足约束条件，则进展再设计。一般，能满足约束条件的方案不是唯一的，设计时，应初步确定数种可行的方案，经分析、评价，然后，确定出一种较好的设计方案。§5液体摩擦动压向心滑动轴承的设计一、设计约束分析1、形成动压油膜和液体摩擦的约束条件图8-13 动压向心滑动轴承的工作过程图8-13中：为轴颈中心， 为轴承中心，当、 轴颈与轴承间有一间隙，称为半径间隙，也称为设计间隙(图8-13(e))。8-13(a)：轴颈静止时，在外载荷作用下，轴颈处于轴承孔最下方的等于半径间隙。

的连线)＝8-13(b)：润滑油进入轴承间隙并吸附在轴径和轴承外表上。轴颈开头向上爬。8-13〔c〕：随着轴颈转速的上升，润滑油顺着旋转方向被不断的带入态。8-13〔d〕：当轴颈转速升至肯定值时，油膜压力完全将轴颈托起，形成将两外表完全隔开的油膜厚度 。此时，轴承开头工作在完全液体摩擦状当轴颈转速进一步上升时，油膜压力进一步上升，轴颈不断抬高，使轴承偏心距不断削减，导致两外表形成的楔形角削减。楔形角减小会降低油的挤压，使油膜压力下降。然而，油膜压力下降，又将使轴心下移，增大楔形角，使油压上升。如此反复，直至油膜压力的合力与外载荷到达的平衡为止。理论上当轴颈转速到达无穷大时，轴承偏心距将趋于零。从上述滑动轴承运行机理可见，形成动压油膜的必要条件为：1、两工作外表间必需构成楔形间隙；2、两工作外表间应布满具有肯定粘度的润滑油或其它流体；流进，小截面流出。为保证动压轴承完全在液体摩擦状态下工作，轴承工作时的最小油膜厚度 必需大于油膜允许值。同时，考虑到轴承工作时，不行避开存在摩起轴承升温，因此，还必需掌握轴承的温升不超过允许值。另外，动压轴承在起动和停车时，处于非液体摩擦状态，受到平均压强、滑动速度及的约束。这些约束条件分别为：[](8-7)[ ](8-8)[](8-9)[ ](8-10)[](8-11)有关平均压强、滑动速度及 要争论最小油膜厚度和温升的约束。2hmin设、分别为轴承孔和轴颈的半径，则称：半径间隙为两半径之差，＝-。相对间隙为半径间隙和轴径之比，即＝/。偏心率为轴承偏心距与半径间隙之比，即＝/。偏心率表示了轴颈的偏心程度，愈大，偏心越厉害。如图8-14所示，假设选轴颈中心与轴承孔中心的连心线 为极坐标角的基准，则任意角处，轴承的油膜厚度为：＝＋(8-12)当=0＝＋当＝时，得最小间隙，即最小油膜厚度：＝-＝(1-)= (1-)(8-13)作时的流体动力特性直接相关。3、雷诺方程

的关键是确定，而与轴承工8-15)，并假设：润滑油沿Z向无流淌；润滑油流淌为层流，即润滑油的剪切力与垂直于速度方向的速度梯度成正比，；油与工作外表吸附结实，外表的油分子随工作外表一同运动或静止；不计油的惯性和重力等。8-15(a))，油膜间的压力为8-15(b)所示，其压力变化与有关参数的关系为：(8-14)式中：为油压最大处的间隙(两工作外表间)；为任一截面处间隙；为润滑油粘度。该方程称为一维雷诺方程。明显，如能找到与间的函数关系，通过对的一次积分，就能求出油压的分布。假设对上式整理，并考虑润滑油沿向的流淌，则可得：(8-15)上式称为二维雷诺方程，它是计算液体动压轴承的根本方程。力的起始角为、油膜终止角为，在=处，油膜压力达最大，则结合式(8-12)，可将一维雷诺方程(8-14)改为极坐标形式，设 ，得：(8-16)4、偏心率利用式(8-16)，沿轴承的周向和轴向积分，并考虑有限宽度轴承因端泄而8-16)，经具体推导后，可得与外载荷相平衡的油膜总压力为：(8-17)式中：l为轴承的实际宽度(mm)；为外载荷F作用的位置角(图8-14)；象，且两端的压力为零。端泄对轴承油膜压力的影响如8-16所示。令上式中＝(8-18)则得：(8-19)

或为承载量系数，是个无量纲系数，为偏心率

和宽径比/函数。图8-17为轴瓦包角为180°时 与偏心率等的关系曲线。当轴承承受8-19)和此曲线图求得偏心率，从而计算出最小油膜厚度 。5、最小油膜厚度允许值[hmin]＝＝-＝= (1-(1-))对于构造参数和工况条件已定的轴承，从式(8-19)和图8-17可知，偏心率愈大，则 值愈大，轴承的承载力量愈高，然而，由式(8-13)可知，最大偏心率受到最小油膜厚 的限制。为了保证轴承获得完全液体摩擦，避开轴径与轴瓦的直接接触，最小油膜厚度 必需大于轴颈和轴瓦两接触外表粗糙度 、 之和，即：＋(8-20)S来评判油膜厚度，要求：(8-21)6、温升计算，掌握温升不超过允许值。相平衡，即：(8-22)式中：f为液体摩擦系数；F为轴承承载力量，即载荷(N)；v为轴颈圆周速度(m/s)；c为润滑油比热，一般为1680～2100J/(kg 为润滑油密度，一般为850～900kg/ ；Q为轴承耗油量(A为轴承散热面积(

/s)；)， ；为润滑油的出油温度与进油温度之差(温升)(；

)，＝－为轴承的散热系数，依轴承构造尺寸和通风条件而定：轻型轴承或散热困难的环境，＝50J/( .S. )；中型轴承及一般通风条件，＝80J/( .S. )；重型轴承及散热条件良好，＝140J/( .S. )。热平衡时润滑油的温度差(温升)为：(8-23)式中： 擦特性系数；称为流量系数；、都为无量纲数，是轴承宽径比/和偏心率的函数，如8-17和8-18所示。均温度下的粘度。平均温度为：(8-24)35～45℃(太低，30℃。二、设计方法1、设计方法初步确定一种设计方案依据轴承直径、转速及轴承上的外载荷等工作条件，参考有关阅历数据，初步确定一种轴承的设计方案，具体包括：确定轴承的构造型式；选定有关参数：/、选择轴瓦构造和材料

、、和几何外形偏差等；校核计算校核性计算主要包括轴承最小油膜厚度和润滑油温升计算。综合评定与再设计一般而言，满足设计约束的轴承设计方案不是唯一的，设计时，应提出多种可行方案，经综合分析比较后，确定较优的设计方案。同时，设计过程中，满足要求时，则需重设计。只有如此不断的反复设计，才能获得较好的设计结果。2、参数选择择，必要时须参考有关成熟的阅历数据。相对间隙相对间隙越小，轴承承载力量愈高。但另一方面，相对间隙小，又增大摩擦系数，轴承升温，降低油的粘度，使轴承承载力量下降。相对间隙对运转平稳性也有较大影响，减小相对间隙可提高轴承运转平稳性。通常状况，载荷重、速度低时宜取较小的值；载荷轻，速度高时，宜取较大的值；旋转精度要求高的轴承宜取较小的值。设计时，可按如下阅历公式计算：(8-25)各种典型机器常用的轴承相对间隙推举值如表8-2。表8-2 各种机器的相对间隙推举值机器轧钢机、铁路机车机床、内燃机

相对间隙0.001～0.0020.0002～0.00150.0002～0.0010.001～0.003宽径比/宽径比对轴承承载力量、耗油量和轴承温升影响极大。/小，承载力量小，耗油量大，温升小。同时，占空间小。反之不然。通常/掌握在0.3～1.5/宜取小值；低速重载轴承为提高轴承刚度，/宜取大值；高速轻载轴承，如无刚性过高要求，/可取小值。典型机器的/8-3。机器发动机空气压缩机及往复式泵汽轮机表8-3 机器发动机空气压缩机及往复式泵汽轮机轴承l/d机器轴承l/d曲轴主轴承0.75～1.75曲轴主轴承0.6～2.0连杆轴承0.75～1.75柴油机连杆轴承0.6～1.5活塞销1.5～2.2活塞销1.5～2.0主轴承1.0～2.0电机主轴承0.6～1.5连杆轴承1.0～1.25机床主轴承0.8～1.2活塞销1.2～1.5冲剪床主轴承1.0～2.0轮轴支承1.8～2.0起重设备1.5～2..0主轴承0.4～1.0齿轮减速器1.0～2.0润滑油粘度般轴承，可按转速用下式计算：轴承外表粗糙度和几何外形偏差轴承最小油膜厚度受轴承外表粗糙度限制。故加工精度越高，可越RZ8-4表8-4 轴瓦外表粗糙度轴承工作条件 轴承工作条件 度Rz油环润滑轴承 6.3压强低(p<3MPa)和转速高(v=17～60m/s)的轴承(如汽轮 不大于机、发电机) 3.2中、高速和大偏心率(≥0.90)的重型轴承(如轧钢机轴0.2～0.8承)1/5～1/2；圆柱1/10～1/4。例 题d=200mm，载载荷垂直向下，装配要求轴承剖分，拟2240℃左右。解：计算工程计算工程计算依据式使用和装配要求1180°2311l/d8-30.80.81轴承宽度 l 0.16m 0.16m 0.2ml=(l/d)×d选轴瓦材料平均压强 p

2.03MPa

1.625MPa轴承速度 v 31.4m/s 31.4m/s31.4m/spv值

pv63.74MPa.m/s

63.74MPa.m/s 51.03MPa.m/s轴瓦材料

ZSnSb11Cn6

ZCuPbSb16-16-2牌号

自定 22号汽轮机油同方案1 同方案1度

tm

50℃20 /s

50℃

/s20

50℃/s参 数 度η选 择 隙ψ

， 900ka/

0.018Pa.s0.00145

0.018 0.018Pa.sPa.s0.0019 0.0023度度

8-4，精磨8-4Rz2承载量系数校 核计 最小油

0.7560.5

1.2970.66

1.520.625算 膜厚度S

＝d - 15.1>>2图8-17 3.5

0.0646mm0.08625mm13.5>>2 17.9>>22.3 2.0油 温计 数算

图8-18 0.138 0.165 0.13832.8℃ 18.2℃ 15.2℃49.1℃49.1℃54.74℃>>50℃47.6℃平均油tm与初始假设不符，需再设计要求与假设平均油温接近，满足需求综合评价与再设计：算直至与假设根本相符为止。23323§8-6滑动轴承的润滑相关。一、润滑剂可作为润滑剂，用于一些特别场合。1、润滑油虑，评判润滑油性能优劣的性能指标主要有：小，粘度越大，内摩擦阻力越大，液体的流淌性越差。依据牛顿粘性定律，有：式中：为流体单位面积上的剪切阻力；为流体沿垂直于运动方向的速度梯度，“-“号表示随的增大而减小。粘度常用的单位有：A、动力粘度图8-19 流体的动力粘度8-191mab发生＝1m/s1N1Pa.s(帕.秒)表示，1Pa.s=1N.s/。动力粘度P(泊)。P1%cP(厘泊)，其换算单位为：1P＝1dyn.s/c =100cP=0.1Pa.sB、v工业上常用动力粘度与同温度下该液体的密度

的比值表示粘度，称为运动粘度，它的国际单位为＝/运动粘度的物理单位是c斯)。

/s。( /s)/s，St(斯)，c

/s1%cSt(厘1St=1c /s=100cSt=0.0001 /s值得留意的是：温度和压力对粘度都有影响，温度的影响尤其显著。粘度随温度的上升而降低，衡量温度对粘度影响的程度常用粘度指数表示，大的油，说明其粘度受温度的影响较小。 35为低粘度指数；为高粘度指数；>1108-20。5MPa100MPa粘度的影响。8-20机械油系列粘度-温度曲线油性。指润滑油在金属外表的吸附力量。工作过程中，【上一页】 润滑油中的极性分子在金属外表吸附，形成一层边界油膜。一页】吸附力量愈强，油性愈好。滑油中的某些成份发生化学反响，生成一种低溶点、低剪切强度的反响膜，使外表变得平滑而且具有防止粘着和擦伤的性能。极压性能对高负荷条件下工作的齿轮、滚动轴承等有重要意义。。润滑油在使用过程中假设发生氧化现象，会产生酸性物质并聚合成大分子的胶质、沥青等沉淀物，影响润滑性能，并对金属有腐蚀作用。润滑油的氧化稳定性不但与化学组成有关，而且受工作条件的影响，其氧化程度随工作温度上升、工作压力加大以及与空气接触面积增大而加强。一般在150℃以上氧化猛烈。。润滑油加热到肯定温度，油蒸汽与空气的混合气体在接近火焰时有闪光发生，此油温称为闪点。假设闪光时间长达5秒以上，此油温称为燃点。闪点低表示油料在高温下稳定性不好。高温下工作的机械，必需依据工作温度选用高闪点的润滑油以保证安全。能显著变差。低温下工作的机械，必需选用低凝固点的润滑油。2、润滑脂(1)钙基润滑脂55～65℃。价格比较廉价。钠基润滑脂但抗水性较差，与钙基润滑脂相比，有较好的防腐性。锂基润滑脂145℃，100℃条件下可长期工作。且具有较好的机