第15章滑动轴承

第15章滑动轴承§15-1摩擦状态§15-2滑动轴承的结构型式§15-3轴瓦及轴承衬材料§15-5非液体摩擦滑动轴承的计算§15-4润滑剂和润滑装置§15-6动压润滑的基本原理§15-8静压轴承与空气轴承简介§15-7液体动压多油楔轴承简介1）支承轴及轴上零件，并保持轴的旋转精度；2）减少转轴与支承之间的摩擦和磨损分类：滚动轴承轴承的功用：滑动轴承应用实例：汽轮机、离心式压缩机、内燃机、大型电机、水泥搅拌机、滚筒清砂机、破碎机等机械常采用滑动轴承。优点多，应用广用于高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合。1.干摩擦

固体表面直接接触，因而

不用许出现干摩擦！2.边界摩擦§15-1摩擦状态

→功耗↑

磨损↑

温度↑

→烧毁轴瓦

运动副表面有一层厚度<1μm的薄油膜，不足以将两金属表面分开，其表面微观高峰部分仍将相互搓削。比干摩擦的磨损轻，f≈0.1~0.3v有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此不直接接触。3.液体摩擦摩擦和磨损极轻，f≈0.001~0.01vvvfηn/po在一般机器中，处于以上三种情况的混合状态。边界摩擦混合摩擦液体摩擦摩擦特性曲线称无量纲参数ηn/p为轴承特性数。

η-动力粘度，p-压强，n-每秒转数一、向心滑动轴承组成：轴承座、轴套或轴瓦、联接螺栓等。§15-2滑动轴承的结构型式整体式向心滑动轴承剖分式向心滑动轴承榫口螺纹孔轴承座轴承轴承座轴承盖联接螺栓剖分轴瓦薄壁轴瓦轴瓦非承载区内表面开有进油口和油沟，以利于润滑油均匀分布在整个轴径上。进油孔油沟F整体轴套厚壁轴瓦卷制轴套作用：用来承受轴向载荷

二、推力滑动轴承

结构特点：在轴的端面、轴肩或安装圆盘做成止推面。在止推环形面上，分布有若干有楔角的扇形快。其数量一般为6~12。---倾角固定，顶部预留平台，

类型固定式可倾式用来承受停车后的载荷。---倾角随载荷、转速自行

调整，性能好。

FF巴氏合金绕此边线自行倾斜F材料要求：§15-3轴瓦及轴承衬材料1）摩擦系数小；2）导热性好，热膨胀系数小；3）耐磨、耐腐蚀、抗胶合能力强；4）有足够的机械强度和塑性。能同时满足这些要求的材料是难找的，但应根据具体情况主要的使用要求。工程上常用浇铸或压合的方法将两种不同的金属组合在一起，性能上取长补短。轴承衬一、轴承合金（白合金、巴氏合金）1）锡锑轴承合金优点：f小，抗胶合性能好、对油的吸附性强、耐腐蚀性好、容易跑合、是优良的轴承材料，常用于高速、重载的轴承。2）青铜缺点：价格贵、机械强度较差；只能作为轴承衬材料浇注在钢、铸铁、或青铜轴瓦上。工作温度：t<120℃

由于巴式合金熔点低优点：青铜强度高、承载能力大、耐磨性和导热性都优于轴承合金。工作温度高达250℃。缺点：可塑性差、不易跑合、与之相配的轴径必须淬硬。青铜可以单独制成轴瓦，也可以作为轴承衬浇注在钢或铸铁轴瓦上。铝青铜铅青铜锡青铜→中速重载→中速中载→低速重载3）具有特殊性能的轴承材料含油轴承：用粉末冶金法制作的轴承，具有多孔组织，可存储润滑油。可用于加油不方便的场合。橡胶轴承：具有较大的弹性，能减轻振动使运转平稳，可用水润滑。常用于潜水泵、沙石清洗机、钻机等有泥沙的场合。塑料轴承：具有摩擦系数低、可塑性、跑合性良好、耐磨、耐腐蚀、可用水、油及化学溶液等润滑的优点。运转时轴瓦温度升高，由于油的膨胀系数比金属大，油自动进入摩擦表面起到润滑作用。含油轴承加一次油，可使用较长时间。铸铁：用于不重要、低速轻载轴承。缺点：导热性差、膨胀系数大、容易变形。为改善此缺陷，可作为轴承衬粘复在金属轴瓦上使用。表15-1常用轴瓦及轴承衬材料的性能材料及其代号铸锡锑轴承合金ZSnSb11Cu6铸铅锑轴承合金ZPbSb16Sn16Cu2铸锡青铜ZCuSn10P1铸锡青铜ZCuSn5Pb5Zn5铸铝青铜ZCuAl10Fe3[p]Mpa[pv]Mpa.m/s平稳冲击25202015HBS金属型砂型最高工作温度℃轴径硬度150HBS150HBS45HBC45HBC45HBC150150280280280273090806560110100151581510151512§15-4润滑剂和润滑装置一、润滑剂作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。分类液体润滑剂----润滑油半固体润滑剂----润滑脂固体润滑剂1.润滑油在用的大部分润滑油为矿物油（石油）粘度----重要参数

在轴承中，润滑油最重要的物理参数是粘度，它是选择润滑油的主要依据。粘度表征液体流动的内摩擦特性。A、B两板之间充满了液体，B板静止，A板水平移动速度为v。由于液体与金属表面的吸附作用，A板表面的液体速度为v，而B板表面的液体速度为0。两板之间的速度呈线性分布。液体层与层之间摩擦切应力：τ=ηdudy-----牛顿液体流动定律

η----液体的动力粘度，简称粘度量纲：力·时间/长度2单位：N·s/m2(Pa·s)或泊：1P=1dyn

·s/cm2

运动粘度：ν

=ηρ

单位：

m2

/

s或斯St：cm2/s或厘斯cSt：1St=100cSt实验结果：

oxyydydu分析位置y处薄层的受力AB我国石油产品是用运动粘度标定的表15-2常用常用润滑油的主要性质名称全损耗系统用油GB443-89汽轮机油GB11120-89代号40℃的粘度mm2/sL-AN76.12~7.48-10110凝点≤

C闪点(开式)≥C用于高速底负荷机械、精密机床、纺织纱锭的润滑和冷却。普通机床的液压油。用于一般滑动轴承、齿轮、蜗轮的润滑用于重型机床导轨、矿山机械的润滑。用于汽轮机、发电机等高速高负荷轴承和各种小型液体润滑轴承L-AN10090~1100210L-AN109.0~11.0-10125L-AN1513.5~16.5-10165L-AN3228.8~32.2-10170L-AN4641.4~50.6-10180L-AN6861.2~74.8-10190L-TSA3228.8~35.2-7180L-TSA4641.4~50.6主要用途0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃η2.

润滑脂润滑油的特性：1）温度t↑2）压力p

↑选用原则：1)载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；2)载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油；----润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。优点：密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度不敏感，适用范围广。→η↓ 但p<10Mpa时可忽略。变化很小→η↑ 粘--温图

L-TSA32L-TSA46L-AN100L-AN1503.

固体润滑剂缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。目前使用最多的是钙基脂，有耐水性，常用于60℃以下的各种机械设备的轴承。聚氟乙烯树脂用于润滑油不能胜任工作的场合：高温、低速重载。石墨二流化钼（MoS2）---性能稳定、t>350℃才开始氧化，可在水中工作。-----摩擦系数低，使用温度范围广

(-60~300℃)，但遇水性能下降。-----摩擦系数低，只有石墨的一半。其应用日渐广泛

在油、脂中加入少量石墨或二流化钼粉末，形成边界油膜，填平粗糙表面而减少磨损。不能完全排除磨损。使用方式：1.调和在润滑油中；2.涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜；3.混入金属或塑料粉末中烧结成型。二、润滑装置1.油杯针阀式油杯旋盖式油杯脂用压注式油杯弹簧盖油杯2.油环

一、向心轴承1.轴承的压强pF----径向载荷，B----轴瓦宽度，d----轴径，[p]----许用压强。§15-5非液体摩擦滑动轴承的计算限制轴承压强p，以保证润滑油不被过大的压力挤出，从而避免轴瓦产生过渡的磨损。

p=≤[p]FBd2.轴承的pv值

压强限制p以保证润滑剂不被挤出n----转速，[pv]----许用值。

pv=

·

FBdπdn60×1000≤[pv]pv与功耗成正比，它表征了轴承的发热因素，pv越大，温升越高，越容易引起油膜的破裂二、推力轴承

z----轴环数,

pvm=[pv]≤[p]考虑承载的不均匀性，

[p]、[pv]应降低20~40%Fd1d2Fd1d2一、动压润滑的形成和原理和条件§15-6动压润滑的基本原理FFFF先分析平行板的情况。板B静止，板A以速度向左运动，板间充满润滑油，无载荷时，液体各层的速度呈三角形分布，近油量与处油量相等，板A不会下沉。但若板A有载荷时，油向两边挤出，板A逐渐下沉，直到与B板接触。两平形板之间不能形成压力油膜！

v

vvh1aah2cc如两板不平行板。板间间隙呈沿运动方向由大到小呈收敛楔形分布，且板A有载荷，当板A运动时，两端速度若程虚线分布，则必然进油多而出油少。由于液体实际上是不可压缩的，必将在板内挤压而形成压力，迫使进油端的速度往内凹，而出油端的速度往外鼓。进油端间隙大而速度曲线内凹，出油端间隙小而速度曲线外凸，进出油量相等，同时间隙内形成的压力与外载荷平衡，板A不会下沉。这说明了在间隙内形成了压力油膜。这种因运动而产生的压力油膜称为动压油膜。各截面的速度图不一样，从凹三角形过渡到凸三角形，中间必有一个位置呈三角形分布。动压油膜----因运动而产生的压力油膜。vvvh0bbFF形成动压油膜的必要条件：1.两工件之间的间隙必须有楔形间隙；2.两工件表面之间必须连续充满有粘性的液体；3.两工件表面必须有相对滑动速度。其运动方向必须保证润滑油从大截面流进，从小截面出来。∑

Fy=F∑

Fx

≠0∑

Fy=F∑

Fx

=0向心轴承动压油膜的形成过程：静止→爬升→将轴起抬转速继续升高→质心左移→稳定运转达到工作转速e----偏心距eB二、流体动压润滑的基本方程假设条件：1.Z向无限长，润滑油在Z向没有流动；2.压力p不随y值的大小而变化；3.润滑油粘度

η不随压力而变化；4.润滑油处于层流状态。取微单元进行受力分析:

ττ+dτp+dppAxzypdydz+(τ+dτ)dxdz-(p+dp)dydz

–τdxdz=0=dτdydxdpdyduτ=η整理后得：又有：=ηdxdpd2udy2得：任意一点的油膜压力p沿x方向的变化率，与该点y向的速度梯度的导数有关。对y积分得：u=y2+C1y+C2

2η1dxdp边界条件：当y=0时，u=-v→C2=-v当y=h时，u=0→C1=h+2η1dxdphvvvFaaccxzy代入得：u=(y2-hy)+2η1dxdpvhy-h任意截面内的流量：依据流体的连续性原理，通过不同截面的流量是相等的b-b截面内的流量：该处速度呈三角形分布，间隙厚度为h0负号表示流速的方向与x方向相反，因流经两个截面的流量相等，故有：=6ηvdxdph0-hh3得：---一维雷诺方程由上式可得压力分布曲线:p=f(x)在b-b处：h=h0，p=pmax速度梯度du/dy呈线性分布，其余位置呈非线性分布。流量相等，阴影面积相等。液体动压润滑的基本方程，它描述了油膜压力p的变化与动力粘度、相对滑动速度及油膜厚度h之间的关系。pmaxxph0bb三、径向滑动轴承的几何关系和承载量系数最小油膜厚度：

hmin=δ－e＝

rψ(1-χ)

定义:χ＝e/δ为偏心率

直径间隙：Δ＝D－d半径间隙：δ＝R－r＝Δ/2定义连心线OO1为极坐标的极轴：

相对间隙：ψ

＝

δ/r＝Δ/d

hlim稳定工作位置如图所示，连心线与外载荷的方向形成一偏位角，

eφah0设轴孔半径为：R,r

直径为：

D，d，偏心距:e

偏位角：φa在三角形中有：R2

＝

e2+（r+h)2–2e(r+h)cosv

hDd=6ηvdxdph0-hh3将一维雷诺方程：改写成极坐标的形式

略去二次微量，并取根号为正号，得：任意位置油膜厚度：将dx=rdφ,v=rω，h0,h代入上式得：压力最大处的油膜厚度：φ0为压力最大处的极角。

积分得：积分可得轴承单位宽度上的油膜承载力：

在外载荷方向的分量：

理论上只要将py乘以轴承宽度就可得到油膜总承载能力，但在实际轴承中，由于油可能从轴承两端泄漏出来，考虑这一影响时，压力沿轴向呈抛物线分布。油膜压力沿轴向的分布：理论分布曲线----水平直线，各处压力一样；实际分布曲线----抛物线且曲线形状与轴承的宽径比B/d有关。FdD

B

B

FdDB/d=1/4FdDB/d=1/3FdDB/d=1/2FdDB/d=1FdD……B/d=∞

油膜沿轴承宽度上的压力分布表达式为：

py为无限宽度轴承沿轴向单位宽度上的油膜压力；C’为取决于宽径比和偏心率的系数;

对于有限宽度轴承，油膜的总承载能力为

式中Cp为承载量系数，计算很困难，工程上可查表确定。dDFyz

B

或解释这些参数的含义表12-8有限宽度滑动轴承的承载量系数Cp四、最小油膜厚度

动力润滑轴承的设计应保证：hmin≥[h]其中：[h]=S(Rz1+Rz2)S——安全系数，常取S≥2。一般轴承可取为3.2μm和6.3μm，1.6μm和3.2μm。重要轴承可取为0.8μm和1.6μm，或0.2μm和0.4μm。Rz1、Rz2——分别为轴颈和轴承孔表面粗糙度十点高度。考虑表面几何形状误差和轴颈挠曲变形等五、轴承的热平衡计算

热平衡方程：产生的热量=散失的热量

Q=Q1+Q2

其中，摩擦热：Q=fρvW式中:q----润滑油流量m3/s；ρ----滑油密度kg/m3；c

----润滑油的比热容，J/(kg.℃)；ti----油出口温度℃；to----油入口温度℃；α3----表面传热系数W/(m2.℃)。滑油带走的热：Q1=qρc(to-ti)W轴承散发的热：Q2=α3πdB(to-ti)W温升公式：其中----润滑油流量系数；

0.30.40.50.60.70.80.9χ

0.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.04qψvBd－=0.4Bd

1.3

2.0

1.5

1.0

0.8

0.7

0.6

0.5

0.9摩擦系数：系数ξ与宽径比有关，若B/d<1，则ξ=(B/d)1.5

若B/d≥1，则ξ=1由于轴承内部各处温度不一样，计算时采用平均温度:为了保证轴承能正常，其平均温度:tm≤70~80℃

设计时，应使进油温度:ti=tm-∆t/2≤35~40℃

当ti>35~40℃时，表明轴承承载能力有冗余，可采取如下措施：

▲增大表面粗糙度，以降低成本；

▲减小间隙，提高旋转精度；▲加宽轴承，充分利用轴承的承载能力。六、参数选择1.宽径比B/d宽径比小，有利于提高运转稳定性，增大端泄漏量以降低温升。但轴承宽度减小，轴承承载能力也随之降低。B/d=0.3～1.512-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算Designofthehydrodynamiclubricationbearings2.相对间隙

相对间隙主要根据载荷和速度选取。速度愈高，

值应愈大；载荷愈大，

值应愈小。此外，直径大、宽径比小，调心性能好，加工精度高时，

值取小值，反之取大值。六、参数选择12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算Designofthehydrodynamiclubricationbearings3.粘度

粘度对轴承的承载能力、功耗和温升影响很大，通常按平均温度计算润滑油粘度。平均温度过低，则油的粘度较大，算出的承载能力偏高；反之，则承载能力偏低。六、参数选择12-5液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算Designofthehydrodynamiclubricationbearings液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算7七、液体动力润滑径向滑动轴承的设计过程１．已知条件：外加径向载荷F(N)，轴颈转速n(r/min)及轴颈直径d(mm)。２．设计及验算：

保证在平均油温tm下hmin

≥[h]

验算温升

选择轴承材料，验算p、v、pv。

选择轴承参数，如轴承宽度(B)、相对间隙(ψ)和润滑油(η)。

计算承载量系数(Cp)并查表确定偏心率(χ)。

计算最小油膜厚度(hmin)和许用油膜厚度([h])。

计算轴承与轴颈的摩擦系数(f)。

计算轴承温升(Δt)和润滑油入口平均温度(ti

)。

根据宽径比(B/d)和偏心率(χ)查取润滑油流量系数

。详细过程