结构设计课题设计-提高强度和刚度的结构设计

《结构设计》课题设计

题目：1）提高强度和刚度的结构设计

2）提高耐磨性的结构设计

组员：

李秀彦1004040136

张策升1004040122

王宇1004040143

目录

一、提高强度和刚度的结构设计

1、载荷分担

2、载荷均布

3、减少及其零件的应力集中

4、利用设置肋板的设施提高刚度

二、提高耐磨性的结构设计

1、改善润滑条件

2、合理选择摩擦副的材料和处理

3、使磨损均匀，避免局部磨损

4、调节和补偿

一、提高强度和刚度的机构设计

机械结构设计包括两种：一是应用新技术、新方法开发创造新机械；二是在

原有机械的基础上重新设计或进行局部改进，从而改变或提高原有机械的性

能。因此掌握丰富的工程知识是机械专业的教师应具备的素质之一；是连接

基础理论与实践经验的桥梁；是正确进行机械结构设计的前提；同时也是从事

科研活动、将力学、材料、工艺、制图等多学科知识综合运用的过程。

机械结构形式虽然千差万别，但其功能的实现几乎都与力（力矩）的产生、

转换、传递有关。机械零件具有足够的承载能力是保障机械结构实现预定功

能的先决条件。所以在机械结构设计中，根据力学理论对零件的强度、刚度

和

稳定性进行分析是必不可少的，并在此基础上，进行结构设计。改善力学性能

在机械结构设计中合理地运用力学知识，遵循以下几个原则：

一、载荷分担原则

作用在零件上的外力、弯矩、扭矩等统称为载荷。这些载荷中不随时间变

化或随时间变化缓慢的称为静载荷。随时间作周期性变化或非周期性变化的称

为变载荷。它们在零件中引起拉、压、弯、剪、扭等各种应力，并

产生相应的变形。如果同一零件上同时承担了多种载荷的作用，则可考虑将

这些载荷分别由不同的零件来承担。设计时采取一定的结构形式，将载荷分给

两个或多个零件来承担，从而减轻单个零件的载荷，称为载荷分担原则。这样

有利于提高机械结构的承载能力。

1.改变结构，减小轴的受力

如图1-a所示，轴已经承受了弯矩的作用，如果齿轮再经过轴将转矩传递给

卷筒，则轴为转轴（工作时既承受弯矩又承受转矩），受力较大。如果将齿轮

和卷筒改用螺栓直接联接，则轴不受转矩作用，轴为转动心轴（用来支承转

动零件，只承受弯矩而不传递转矩），轴的受力情况得到改善，结构较合理。

如图1-b所示。

图1转轴改进为心轴

图2螺栓联接中的减载元件

a）较差结构b）改进结构

2.采用减载装置，提高螺纹联接的可靠性

如图2所示，靠摩擦力传递横向载荷的紧螺栓联接，要求保持较大的预紧力，

结果会使螺栓的结构尺寸增大。此外，在振动、冲击或变载荷下，摩擦系

数的变动，将使联接的可靠性降低，有可能出现松脱。为了避免上述缺点，

常用销、套筒、键等减载元件来承担部分横向载荷，提高螺纹联接的可靠

性。

二、载荷均布原则

在工作载荷大小确定的情况下，可以通过在结构上均匀分布载荷的方法，来提

高结构承载能力。设计时尽量避免集中载荷，尽可能地将载荷分散在结构上，

即为载荷均布原则。

1.将集中力改为均布力

如图3所示，经过简单的受力分析可知，受集中力的简支梁在C点所受弯

矩如图a）比受均布力的简支梁在C点所受弯矩如图b）大了一倍，所以图3

-b简支梁的强度要好于图3-ao

图3简支梁受力分析

a）集中力b）均布力

2.改善螺纹牙间的载荷分布

普通螺栓和螺母的刚度不同、变形不一样。一般螺栓联接受载后，各圈螺

纹牙间的载荷分布是不均匀的（见图4-a）,螺母支承面上第一圈所受的力为

总载荷的1/3以上。为改善螺纹牙间载荷分配不均匀的现象，可采用：悬置

螺母图4-b）:使螺母与螺栓均受拉，减小两者的刚度差，使其变形趋于协

调。内斜螺母图4-c）:螺母内斜10°-15°可减小原受力大的螺纹牙的刚

度，从而把力分流到原受力小的螺纹牙上，使其螺纹牙间的载荷分配趋于合

理。环槽螺母图4-d）:与悬置螺母类似。

图4改善螺纹牙间载荷分布

a）螺纹受载示意图b）悬置螺母c）内斜螺母d）环槽螺母

三、载荷平衡原则

在力的传递过程中，一些机械结构常常不可避免地出现不做功的附加力，例

如，斜齿轮啮合的轴向力，产生摩擦力的正压力，往复和旋转运动的惯性力

等，这些对结构功能毫无作用的附加力，加大了结构的负载，降低了机械结

构的承载能力。如果在设计时使其在同一零件内与其它同类载荷构成平衡力

系，则其它零件不受这些载荷的影响，有利于提高结构的承载能力，这就是

载荷平衡原则。主要措施为：引入平衡件和对称安装。在高速回转机械中，

必须靠结构的措施及动平衡的方法使旋转惯性力降低到允许的大小，这就要求

回转件的质量相对于回转中心尽量对称分布。通过对回转件在动平衡机做动平

衡实验，测出并消除超出允许值的不平衡质量。做往复运动的机械，如连杆机

构，可在设计中采取结构措施和动平衡的方法，使其在运转时产生尽可能小的

惯性力。

四、减小应力集中原则

对承受交变应力的结构，应力集中是影响承载能力的重要因素，结构设计应设

法缓解应力集中程度。在应力集中的部位，零件的疲劳强度将显著降低。最

大应力比该截面上的平均应力可以大2〜5倍以上。应力集中程度与零件的局

部变化形式（见图5）有关，零件截面突变的地方（尖角处）应力集中较严

重，因此在结构设计时将突变的截面改为平缓过渡形式（采用过渡圆角结构），

可减缓应力集中的程度，从而提高零件的疲劳强度。

图5局部形状与应力集中

另外，降低截面尺寸变化处附近的刚度，可以降低应力集中的影响程度。如

图6所示。设计时还要注意避免多个应力集中源叠加。如图7所示的轴结

构中台阶和键槽端部都会引起轴在弯矩作用下的应力集中，a图结构的应力集

中状况比b图结构的应力集中状况要严重得多。

图7避免多个应力集中源叠加

图6降低截面尺寸变化处附近的刚度

a）较差结构b）改进结构

a）较差结构b）改进结构

五、提高刚度原则

在进行结构设计时，在不增加零件质量的前提下，要尽量提高零件结构的刚

度。对于不同类型的零件，应根据其结构特点采用相应的措施。但总的来

说要注意以下几点：

(1)用受压、拉零件替代受弯曲零件；

(2)合理布置受弯曲零件支承；

(3)合理设计受弯曲零件的截面形状；

(4)合理采用筋板，尽可能使筋板受压；

(5)采用预变形方法。

六、变形协调原则

一个零件和另一个零件相接触，当在接触处难以同步变形时，零件间在接触区

域里应力会急剧上升，这是应力集中的另一种情况。在接触处降低零件在力

流方向上的刚度，尽量使两零件在接触区域里同步变形，降低应力集中的影

响，这就是变形协调原则。变形不协调不仅会导致应力集中，降低机械结构的

强度，而且还可能损害机械的功能。如图8所示，过盈配合联接结构在轮毂

端部应力集中严重，可通过降低轴或轮毂相应部位的局部刚度使应力集中得到

有效缓解。

图8过盈配合的联接结构

七、等强度原则

一般机械设计中的强度要求是通过零件中最大工作应力等于或小于材料许用应

力来满足，为了充分利用材料，最理想的设计是应力处处相等，同时达到材料

的许用应力值，即为等强度原则。工程中大量出现的变截面梁就是按照等强度

原则来设计的。比如，摇臂钻的横臂AB,汽车用的板簧和阶梯轴等(见图

9)。

图9满足等强度原则的结构

a)摇臂钻的横臂b)车用的板簧c)阶梯轴

八、其他设计原则

1.空心截面原则

弯曲应力或扭转应力在横截面上都是越远离中心越大，而在中心处却很小，为

了充分利用材料，应尽量将材料放在远离截面中心处，使其成为空心结构，

从而提高零件的强度和刚度，此即为空心截面原则。

2.受扭截面封闭原则

受扭转作用的薄壁零件的截面应尽量制造成为封闭形状，因为封闭形状比开口

形状抗剪切能力强，抗扭刚度大，此即为受扭截面封闭原则。

3.最佳着力点原则

着力点的位置要尽量通过中心点、结点等位置，避免产生附加弯矩，这样有

助于提高零件的承载能力。

4.受冲击载荷结构柔性原则

为了提高零件的抗冲击的能力，应减小结构的刚度，加大柔性，这将有助于

改善结构的性能。

下面着重提一下提高刚度设计准则

提高刚度的结构设计准则

一、刚度的作用

结构（或系统）的刚度:在外载荷作用下结构（或系统）抵抗其自身变形的能力。在相

同的外载荷作用下，刚度愈大则变形愈小。

刚度也表明结构（或系统）的工作能力：

1）过大的变形会破坏结构或系统的正常工作，从而可能导致产生过大的应力；

2）过大的变形也可能破坏载荷的均衡分布，使产生大大超过正常数值的局部应力;

3）壳体的刚度不够大,影响安装在里面的零件的相互作用，增加运动副的摩擦与磨

损。

4）受动载荷作用的固定连接的刚度不够，会导致表面的摩擦腐蚀、硬化和焊连。

5）金属切削机床的床身及工作机构的刚度影响机床的加工精度。

在运输机械、飞机、火箭等需要严格限制自身重量的机械装置中,刚度更具有重

要意义。

刚度的类型：

1）一个零件、一个结构本身的整体刚度；

2）两相互接触表面间的接触刚度（如机床的滑台与床身导轨、滚动支承中的滚动

体与其支承零件之间）

3）动压或静压滑动轴承的油膜（或气膜）刚度这些都影响结构或系统的性能和工作

能力。

二、决定结构刚度的基本因素

结构刚度决定于下列因素：

1.材料的弹性模量

2.变形体断面的几何特征数

3.变形体的线性尺寸长度1

4.载荷及支承形式

1.材料的弹性模量

拉、压和弯曲条件下的弹性模量E

扭转条件下的剪切弹性模量G

弹性模量是材料的固有特性数，工业用金属中仅仅W、Mo等有较高的弹性模量。

2.变形体断面的几何特征数

拉、压时为断面积A

弯曲时是断面的惯性矩J

扭转时是断面的极惯性矩Jp

断面的尺寸和形状对刚度的影响最大。

3.变形体的线性尺寸长度I

4.载荷及支承形式

载荷:集中载荷或分布载荷

支承:钱支或插入端等。

材料的选用主要取决于零件的工作条件。因此，提高刚度最常用的措施是合理地

配置系统的几何参数。

三、提高刚度的结构设计准则

1）用构件受拉、压代替受弯曲准则

2）合理布置受弯曲零件的支承，避免对刚度不利的受载形式准则

3）合理设计受弯曲零件的断面形状,尽可能大的断面惯性矩准则

4）正确采用肋板以加强刚度，尽可能使肋板受压准则

5）用预变形（由预应力产生的）抵消工作时的受载变形准则

1.用拉、压代替弯曲准则

杆件受弯矩作用:在距中性面远的材料，，纤维，，中产生大的弯曲应力;在中性面处弯

曲应力为零。大部分的负荷由靠边界附近的材料承受;中性面附近相当大部分的

材料得不到充分利用。

杆件受拉伸则与此不同:若无应力集中的影响，应力基本上均匀分布。材料得到较

好的利用。用拉、压代替弯曲可获得较高的刚度。

小工。%/6aG/G\°

9X10*550〃0.35c

2-I*325-

1-0.6P35“

图2期结构的改善

a）简支梁b）桁架c）弓形梁

如图所示之简支架（受弯曲）可以用较支的三角桁架或弓形梁（受压缩）代替。

2-70改善铸造支座的刚度

图示之铸造支座受横向力,由结构a改为结构b,辐板则由受弯曲改变为受拉、

压。

2、合理布置支承准则

支承条件对零件或系统的刚度有明显的影响，且常与对弯曲强度的影响同时

存在。

图示三种不同支承条件最大弯矩Mmax和最大挠度fmax有显著的差别。

图2.72支承条件对刚度、强度的影响

xFL祀

b)%=乎;J=晶c)%u一&,Jf-192EJ

3、合理设计断面形状准则

例:肋板的合理布置

如图所示的空心矩形梁，在其端部作用集中载荷F1,其抗弯惯性矩较大。

而作用力为F2方向时，按表抗弯惯性矩小很多。

不同截面形状的惯性矩比较

抗弯惯性矩。抗扭微歌

序号。截面形状。m

（相对值）。（相对值）。

,纲

2P3.03^2.89/

3/5.04~5.37P

4/0.0743

a1

110(

5P.4b1.04Q0.8“

1t

60fi4.13-0.43/

例:合理设计肋的形状

b)d)

图2-74肋的各种形式

a）井字肋b）米字肋c）菱形肋

d）六角形肋

肋的形式主要有两种，即井字肋与米字肋。模型实验和计算结果表明，采用米字肋

与采用井字肋的大型零件相比,抗扭刚度高两倍以上，抗弯刚度相近。

合理设计肋的形状

图2-75两种肋的刚度分析

梁受扭矩时，梁有两个角向上动，两个角向下动,各在四边形的一个对角线的两端。

这对于米字肋的肋板产生弯曲作用，而对井字肋的肋板除弯曲外还产生扭转作用,

而薄肋板的抗扭刚性较差,所以米字肋的抗扭刚度高。

4、用肋或隔板增强刚度准则

平置矩形断面梁受弯曲，因断面的抗弯惯性矩小，所以刚度很低。若必须采用

这种,可用肋板加强刚度。

为了加强空心方形断面的刚度,可在里面加不同形式的隔板，表2-8o

除了镁合金以外，几乎所有的铸造材料,其抗压强度都明显高于抗拉强度。所以,

在可能条件下尽量使肋板受压缩。

这样做，肋板起了加强刚度的作用，同时，它本身又有较好的强度。

下面再提一下有关于肋板加强刚度的结构设计

肋板和外型结构

如果需要提高塑料结构的承载能力或刚度，则有必要增加这种结构的截面性能

或更换材料。有时，更换材料或改变材料等级（如玻纤含量更高）是可行的，

但是这种方法通常不实用（不同的收缩值）或不经济。

增加截面性能（即转动惯量）通常是一种较好的方法。正如在其它部分讨论的

那样，尽管仅增加面壁部分是最实用的方法，其也有自身不可避免的弱点。

•增加厚度相应地会增加制件的重量和成本。

•增加厚度的面积相应地会延长冷却时间。

如果制件结构的负载要求制件厚度超过4mm（0.16英寸）,则建议使用肋板

或箱形截面来增强，以在可接受的壁厚范围内获得所要求的强度。

肋板结构的效率可通过下例说明：

固体板和肋板的重量及刚度。

尽管肋板具有结构上的优势，其存在翘曲和外观问题。因此，应当遵循下述指

示：

如下图所示，肋板厚度不能超过标称壁厚的一半。

在某些结构比外观重要的区域，或材料收缩率很低时，肋板厚度可以超过壁厚

的一半。这会在与肋板相反的面壁表面产生凹陷。另外，厚的肋板可能充当流

动导流器，导致在注射中发生偏向性流动，从而产生熔接线和内部气泡。

肋板的最大高度不得超过标称壁厚的3倍，因为厚度大的肋板很难被充填，且

在顶出过程中可能会粘在模具上。

典型的拔模角度是每侧1至1.5度（最小值为0.5度）。一般而言，拔模角度

和厚度会限制肋板高度。

在肋板底部的交叉处和标称面壁上，应当包含一个的25至50%标称面壁截面

的圆角（最小值为0.4mm）。该圆角可以消除潜在的应力集中，并改善肋板周

围的流动和冷却特性。应用更大的圆角改善不大，且会使面壁另一侧产生凹陷

的可能性增加。

推荐的肋板尺寸

平行肋板间最小间距为标称壁厚的两倍，这有助于避免产生冷却问题，也避免

在模具结构出现薄片。

肋板的设计最好是平行于熔体流动的方向，因为穿过肋板的流动会产生流动分

歧，从而导致困气或受阻流动。受阻流动会增加内应力和短射风险。

肋板

肋板的排列必须沿弯曲的方向，以达到最大的刚度。参考上图，一个长而薄的

平板只有两端有支撑。如果在平板的长度方向上增加肋板，则会很大程度地增

加刚度。然而，如果在平板宽度的方向上增加肋板，刚度增加不大。

一般地，应用肋板会：

1.增加弯曲刚度或较大平面区域的强度

2.增加开放截面的扭转刚度

在设计中，加入波纹可以增加波纹方向平面的刚度（见下图）。波纹非常有效,

且无需更多的材料或延长冷却时间。增加材料到制件中心轴的平均距离可以增

强刚度，如增加第二转动惯量。

平的和开放截面

肋板和箱形截面可以增加刚度，因此提高成型件的承载能力。这些增强型方法

可以减少壁厚，而仍能取得与更大壁厚时同样的强度。

案例1-6的尺寸图表

不同外型结构的扭转刚度和弯曲度比较

上述结果表明，使用对角肋板对截面的扭转刚度最具效果。从、'1"型截面到''C"

型截面的改变对横向弯曲方向负荷有帮助而不是扭转方向。双交叉肋板（选项6）

会产生加工（冷却）问题，推荐使用选项8的解决方案可以获得最好的扭转性

能。

视制件要求的不同，要特别考虑在肋板与外壁的交叉部分是否允许存在凹陷。为

实现最好的性能和功能，肋板和外壁中轴线必须相交于同一点。不符合这项要求

会降低结构的可靠性。如果由于审美的要求而将对角肋板略微往外移动，则刚度

会随之降低35%。如果在设计中增加一个短的垂直型肋板，则扭转刚度会再降

低5%见下图。

肋板连接至外型结构上的扭转刚度和抗扭转应力。

二、提高耐磨性的结构设计

润滑的作用和润滑技术

机械中的可动零、部件，在压力下接触而作相对运动时，其接触表面间就会产生

摩擦，造成能量损耗和机械磨损，影响机械运动精度和使用寿命。因此，在机械

设计中，考虑降低摩擦，减轻磨损，是非常重要的问题，其措施之一就是采用润

滑。

润滑的作用主要是：

(1)减少摩擦，减轻磨损加入润滑剂后，在摩擦表面形成一层油膜，可防止金

属直接接触，从而大大减少摩擦磨损和机械功率的损耗。

(2)降温冷却摩擦表面经润滑后其摩擦因数大为降低，使摩擦发热量减少；当

采用液体润滑剂循环润滑时，润滑油流过摩擦表面带走部分摩擦热量，起散热降

温作用，保证运动副的温度不会升得过高。

(3)清洗作用润滑油流过摩擦表面时，能够带走磨损落下的金属磨屑和污物。

(4)防止腐蚀润滑剂中都含有防腐、防锈添加剂，吸附于零件表面的油膜，可

避免或减少由腐蚀引起的损坏。

(5)缓冲减振作用润滑剂都有在金属表面附着的能力，且本身的剪切阻力小，

所以在运动副表面受到冲击载荷时，具有吸振的能力。

(6)密封作用润滑脂具有自封作用，一方面可以防止润滑剂流失，另一方面可

以防止水分和杂质的侵入。润滑技术包括正确地选用润滑剂、采用合理的润滑

方式并保持润滑剂的质量等。

润滑剂及其选用

生产中常用的润滑剂包括润滑油、润滑脂、固体润滑剂、气体润滑剂及添加剂等

几大类。其中矿物油和皂基润滑脂性能稳定、成本低，应用最广。固体润滑剂如

石墨、二硫化铝等耐高温、高压能力强，常用在高压、低速、高温处或不允许有

油、脂污染的场合，也可以作为润滑油或润滑脂的添加剂使用。气体润滑剂包括

空气、氢气及一些惰性气体，其摩擦因数很小，在轻载高速时有良好的润滑性能。

当一般润滑剂不能满足某些特殊要求时，往往有针对性地加入适量的添加剂来改

善润滑剂的粘度、油性、抗氧化、抗锈、抗泡沫等性能。1.润滑油润滑

油的特点是：流动性好，内摩擦因数小，冷却作用较好，可用于高速机械，更换

润滑油时可不拆开机器。但它容易从箱体内流出，故常需采用结构比较复杂的密

封装置，且需经常加油。

常用润滑油主要分为矿物润滑油、合成润滑油和动植物润滑油三类。矿物润滑油

主要是石油制品，具有规格品种多、稳定性好、防腐蚀性强、来源充足且价格较

低等特点，因而应用广泛。主要有机械油、齿轮油、汽轮机油、机床专用油等。

合成润滑油具有独特的使用性能，主要用于特殊条件下，如高温、低温、防燃以

及需要与橡胶、塑料接触的场合。动植物油产量有限，且易变质，故只用于有特

殊要求的设备或用作添加剂。

润滑油的性能指标有：粘度、油性、闪点、凝点和倾点。粘度是润滑油最重要的

物理性能指标。它反映了液体内部产生相对运动时分子间内摩擦阻力的大小。润

滑油粘度越大，承载能力也越大。润滑油的粘度并不是固定不变的，而是随着温

度和压强而变化的。当温度升高时，粘度降低；压力增大时，粘度增高。润滑

油的粘度分为动力粘度、运动粘度和相对粘度，各粘度的具体含义及换算关系可

参看有关标准。油性又称润滑性，是指润滑油润湿或吸附于摩擦表面构成边界油

膜的能力。这层油膜如果对摩擦表面的吸附力大，不易破裂，则润滑油的油性就

好。油性受温度的影响较大，温度越高，油的吸附能力越低，油性越差。润滑油

在火焰下闪烁时的最低温度称为闪点。它是衡量润滑油易燃性的一项指标，另一

方面闪点也是表示润滑油蒸发性的指标。油蒸发性越大，其闪点越低。润滑油的

使用温度应低于闪点20〜30℃。凝点是指在规定的冷却条件下，润滑油冷却到

不能流动时的最高温度，润滑油的使用温度应比凝点高5〜7C。倾点是润滑油

在规定的条件下，冷却到能继续流动的最低温度，润滑油的使用温度应高于倾点

3c以上。润滑油的选用原则是：载荷大或变载、冲击载荷、加工粗糙或未经

跑合的表面，选粘度较高的润滑油；转速高时，为减少润滑油内部的摩擦功耗，

或采用循环润滑、芯捻润滑等场合，宜选用粘度低的润滑油；工作温度高时，宜

选用粘度高的润滑油。

2.润滑脂

润滑脂习惯上称为黄油或干油，是一种稠化的润滑油。其油膜强度高，粘附性好,

不易流失，密封简单，使用时间长，受温度的影响小，对载荷性质、运动速度的

变化等有较大的适应范围，因此常应用在：不允许润滑油滴落或漏出引起污染的

地方（如纺织机械、食品机械等），力口、换油不方便的地方、不清洁而又不易密

封的地方（润滑脂本身就是密封介质），特别低速、重载或间歇、摇摆运动的机

械等。润滑脂的缺点是内摩擦大，起动阻力大，流动性和散热性差，更换、清洗

时需停机拆开机器。润滑脂的主要性能指标有滴点和锥入度。滴点是指在

规定的条件下，将润滑脂加热至从标准的测量杯孔滴下第一滴时的温度。它反映

了润滑脂的耐高温能力。选择润滑脂时，工作温度应低于滴点15〜20℃。锥入

度是衡量润滑脂粘稠程度的指标。它是指将一个标准的锥形体，置于25c的润

滑脂表面，在其自重作用下，经5后，该锥形体沉入脂内的深度（以0.1为单

位）。国产润滑脂都是按锥入度的大小编号的，一般使用2、3、4号。锥入度越

大的润滑脂，其稠度越小，编号的顺序数字也越小。根据稠化剂皂基的不

同，润滑脂主要有：钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑脂、铝基润滑脂等类型。

选用润滑脂类型的主要根据是润滑零件的工作温度、工作速度和工作环境条件。

常用机械零部件的润滑

润滑方法有分散润滑和集中润滑两大类。分散润滑是各个润滑点用独立的分散的

润滑装置来润滑，这种润滑可以是连续的或间断的，有压的或无压的；集中润滑

则是一台机器或一个车间的许多润滑点由一个润滑系统来同时润滑。选择

润滑方法主要考虑机器零部件的工作状况、采用的润滑剂及供油量要求。低速、

轻载或不连续运转的机械需要油量少，一般采用简单的手工定期加油、力口脂、滴

油或油绳、油垫润滑。中速、中载较重要的机械，要求连续供油并起一定的冷却

作用，常用油浴（浸油）、油环、溅油润滑或压力供油润滑。高速、轻载齿轮及

轴承发热大，用喷雾润滑效果较好。高速、重载、供油量要求大的重要部件应采

用循环压力供油润滑。当机械设备中有大量润滑点或建立车间自动化润滑系统

时可使用集中润滑装置。

1.齿轮传动润滑

（1）闭式齿轮传动的润滑齿轮的圆周速度＜0.8时，一般采用润滑脂润滑，

否则应采用润滑油润滑。润滑油的粘度可根据齿轮的材料和圆周速度，在表17

-1-3中查取，然后由表17-1-1或机械设计手册选定润滑油的牌号。用润

滑油的齿轮润滑方法有浸油润滑、飞溅润滑、压力喷油润滑等，

（2）开式、半开式齿轮传动的润滑开式齿轮传动一般速度较低、载荷较大、

接触灰尘和水分、工作条件差且油易流失。为维持润滑油膜，应采用粘度很高、

防锈性好的开式齿轮油。速度不高的开式齿轮也可采用脂润滑。开式齿轮传动的

润滑可用手工、滴油、油池浸油等方式供油。

2.滚动轴承的润滑滚动轴承可采用油润滑或脂润滑。

机械密封摩擦副材料的选择

众所周知由动环和静环组成的摩擦副、弹性元件和辅助密封元件是构成旋转

轴端面机械密封的三种基本元件。端面机械密封的工作质量和使用寿命主要与

上述三种基本元件的工作能力有关尤其是摩擦副的工作能力。为了保证旋转轴

端面机械密封的良好密封性应该这样来设计机械密封使其在给定的条件下保证

摩擦副的工作最轻易。这意味着，要想获得一个性能比较良好的机械密封部件,

除了要正确地设计确定弹性元件和辅助密封元件之外，还必须花费较多的精力

去正确地完成摩擦副的材料选择、结构和工艺设计。在机械密封中，摩擦副的工

作条件是十分复杂的，比如，即使是在润滑条件良好的情况下，也不能排除在摩擦

副的动环和静环接触面间产生干摩擦或半干摩擦的可能性。泵在启动瞬间或在

具有较大运转振动的情况下就会出现这种现象。因此，作为机械密封摩擦副的制

造材料就必须满足一定的技术要求。

一般情况下，这些技术要求主要是具有较小的摩擦系数和良好的耐磨性对被密封

液体的不可渗透性具有足够的强度和其它机械性能对被密封浪体的耐化学腐蚀

性具有良好的热稳定性良好的机械加工性能良好的热传导性能，在电解液中的

耐电化学腐蚀性相配材料的抗胶合性能材料易得,价格便宜……

运转实践证明，能够致使旋转机械密封的滑动表面产生破坏的因素很多，比如机械

负荷过大、

热负荷过高、化学腐蚀和机械磨损过烈等等。因此机械密封中摩擦环的材料应根

据密封部件在运转实践中所可能碰到的最苛刻的条件来选取。用作机械密封摩

擦副的材料一般可分为五大类碳石墨、金属、金属氧化物、碳化物和塑料。碳

石墨是旋转机械密封中最广泛使用的摩擦环制造料。采用不同的加工制造方法,

可以将天然碳粉制成非晶碳、碳石墨和电化石墨

等。这几种材料分别具有不同的物理性能和机械泪三能非晶碳具有高的机械强度

和低的热传导性与此相反，电化石墨具有低的机械强度和高的热传导性而碳石

墨的性能则介于非晶碳和电化石墨之间。由于碳石墨具有良好的自润滑性能,

摩擦系数很低、耐腐蚀性较好、并不与接触的金属咬合，因此是一种能应用于各

种运转条件下的常用密封摩擦环的制造材料。在一般情况下，多用碳石墨制造静

环。轻载情况下，可以采用模压方法将碳石墨制成所需大小和形状的摩擦环而不

需进一步加工，而承受重载的形状复杂的摩擦环也可以很容易加工到准确的尺

寸。

在一般情况下，由于碳石墨材料具有多孔性，被密封的液体有可能通过石墨晶

体间的孔隙渗透,所以很少单独使用为了进一步改善碳石墨的性能使之更适合于

制作摩擦环,一般多是应用各种合成树脂、聚四氟丁烯、金属或盐溶液浸渍过的

不透性碳石墨浸溃物的存在会降低碳石墨的多孔度,提高弹性模数，增高材料强

度，增大硬度和热膨胀系数，改善其耐磨性能。一般，浸债树脂的石墨可以用在中

载情况下，而浸渍金属的石墨可以用于重载条件。由于浸渍物的存在，一定程度上

能够决定碳石墨材料的运转状态和运转范围,所以材料的选择也需依据浸渍物的

种类而定。碳石墨具有良好的高温运转性能,其温度的最高值受到材料本身抗氧

化能力的限制在高速无润滑条件下，由于密封表面处于高温状态，

浸渍有抗氧化物的非晶碳适于与碳钢、格钢以及陶瓷材料配用。电化石墨不

适于这种使用条件，因为它们具有很高的摩擦系数，会造成表面温度的急剧升高并

使磨损速度大大加,快碳石墨在温度低于°C时的特性与在高温时的特性基本

相似,但摩擦系数和磨损速度会随着温度的升高而略有增高浸渍一层树脂的碳

石墨在高温情况下也具有在低温所具备的良好特性。

苯酚树脂、金属氟化物和金属碘化物以及聚四氟乙烯和尼龙等塑料用来作为碳石

墨的浸债物，会在液态氮中具有良好的摩擦和磨损特性金属是被旋转机械密封普

遍用来作为制造摩擦环的材料，常用的材料品种是碳钢，合金钢、铸铁和青铜等钢

可以不酗勺形式应用于旋转轴的机械密封中但是普通碳钢的使用是不理想的，因

为它没有好的耐蚀性，也没有足够的硬度，

因此，在要求化学稳定性和抗氧化性能的地方，可以采用能够淬硬的不锈钢和

具有高耐腐蚀性的合金如银一钻一铝一铁合金等当然，使用淬硬不锈钢的效果

也不尽令人满意,因为淬硬后一部分不锈钢会丧失耐蚀性，另外，表面淬硬的深度

有限,很快就会磨穿所以通常是以它们作为基体，在其表面上用涂敷或渗透的方法

粘附一层硬质合金,或者施行喷镀应该说，在使用条件良好的情况下，最普遍采用

的是具有良好疲劳特性的可淬火的钢为了提高耐磨蚀性能，可以采用镀铭钢或

格钢碳钢和格钢能经锻造达到石,适用于具低化学腐蚀性的介质如水和石油产

品等镀格钢还较适用于在温度较高的情况下与碳石墨组成密封配用材料在润滑

条件较差的情况下，其使用速度可控制在以内，而温度应不超过。C。如课线速度和

温度超过上述值，不应采用钢作为碳石墨的配用材料，而应采用含有锲、钻、铭、

钥和鸽等合金元素的合金钢材料钢的热导率随温度的升高而下降,而合金的热导

率却会随着温度的增高而略有增高值得注意的是，某些合金如银铭不诱钢等虽然

在某些化学腐蚀性介质如硝酸和硫酸等中具有足够的稳定性，但由于它们属于

韧性材料并且不能采用淬火方法提高其硬度,因而使其应用受到一定限制在这种

情况下，我们可以取用具有良好耐化学腐蚀性能的硬质合金取代之。在旋转机械

密封中，硬质合金可以两种型式得到应用一种是作为钢基材料的喷镀材料,这样而

得到的摩擦环一般用在低腐蚀性介质如石油产品和弱酸中工作的机械密封另一

种是制成硬质合金摩擦环，它可用于含有固体悬浮颗粒的介质中。

在海水泵、泥浆泵和污水泵等的旋转轴机械密封中，经常采用硬质合金摩擦

环。在低负荷条件下可以采用铝青铜和铅青铜等青铜材料可以认为青铜是碳石

墨的理想代用材料，因为它可以克服石墨的脆性。另外,从化学角度看，在一些润

滑性能良好的中性介质中，青铜是一种良好的耐磨材料同时青铜还具有高强度、

高热导性、低磨耗性、优良加工性和易于获得等优点在水润滑条件下，铅青铜和

铝青铜能与浸渍脂或巴氏合金的碳石墨配用如果具有润滑条件,或者被密封的

液体是油基矿物油的话，青铜还可以与碳石墨组成配用由于铝青铜还具有良好

的耐海水腐蚀性，所以可以将它与金属浸债的石墨组成摩擦偶用于海水输送系

统设备的机械密封中在无润滑条件下,青铜只能用于低负荷和低转速。如果在高

速情况下出现润滑破坏,则仍会造成青铜的急剧磨损并导致密封失效铸铁具有良

好的磨擦特性。普通灰口铸铁的热导率与其它含铁材料的热导率大体相同随着铸

铁中石墨含量的增加，其热导率也会随之增高。铸铁的热膨胀系数比钢低,而且会

随着所含其它合金成份的改变而改变。铸铁有较好的机械性能，其抗压强度极限

要高于抗拉强度极限。

特别值得提出的是，铸铁真有优异的振动阻尼特性。为了提高铸铁的耐腐蚀性能,

可以加入适量的锲、铭和铜等元素构成铁合金由于原材料的价格低廉，而且加工

成形所耗费的资金也比较低，所以用铸铁制作机械密封摩擦环是便宜的。铸铁与

碳石墨组成摩擦偶，可适用于输送介质为石油或某些石油制成品的机械密封中。

金属氧化物也是制造机械密封摩擦环的良好材料。

氧化铝、氧化被、氧化镁、氧化硅和氧化牡等都属金属氧化物。其中最常用

的金属氧化物是氧化铝和氧化被。氧化铝和氧化镀的弹性模数无论是在数值上

还是在变化范围上都十分相似。对氧化铝而言，其扬氏弹性模数的变化范围是。

到护。巴而氧化披弹性模数的变化范围是到巴。氧化被的热导率很高，而氧化铝

的热导率比较低。两种材料都具有较低的热膨胀系数，而且硬度很高。三氧化二

铝的硬度为，氧化被的硬度为三氧化二铝的耐腐蚀性能要优于氧化被，但的来说

两者都不错。由于氧化被具有高的热导率和低的热膨胀系数，因而具有优异的抗

热冲击能力。这两种材料与各种型号的碳石墨配用都能显示出较好的耐腐蚀性能

和耐磨性能。金属氧化物总的来说都具有易脆性，因此它们承受机械冲击的能力

很差，容易破碎。如果采用这些金属氧化物作为其它金属基体的外包层，则整个零

件的抗机械冲击性能将会得到改善。但是应该注意,如果金属基体的热膨胀数很

高,那么高温使用时,就有可能使金属氧化物外包层胀裂。碳化物和氮化物也是制

造旋转轴机械密封摩擦环的可用材料。金属碳化物以其高硬度和高耐磨性能而闻

名，能够承受局负荷。

由于制造上的原因，碳化物本身通常都不是很纯的,而是要加入一些类如锲

和钻等金属粘结成份。加入的成份不同，其热导性会存在很大的差别。含有一定

量钻元素的碳化铝是旋转机械密封中的常用材料，当被密封液体为化学纯水和氧

化物时，碳化铝的使用温度可达。C。碳化铝还可用于密封液态氧和硝酸。碳化钦

是一种热导性系数较低的金属碳化物,然而它可以使用于温度非常高的条件下并

且具有优异的抗氧化性能。加入适量的铁或铭镶成份，可以改善碳化钦的性能。

这种加入适量成份的碳化钦可以在加工到所需要的尺寸形状后再将其淬硬。

铭的碳化物不宜于制作相对滑动的零件，

因为这种材料对热冲击和机械冲击十分敏感非金属的碳化硅和氮化硅都是

可以在旋转机械密封中推广使用的非金属材料，其性能的优越性已被很好的密封

实践所证明。碳化硅是一种能耐高温、抗氧化性好、耐腐蚀性好,硬度高且相当

耐磨的材料。碳化硅同石墨配用时的摩擦系数为正,在氧化气体中可用到℃,

在印氢氟酸和印氧化硝酸溶液中不会被腐蚀。氮化硅工程陶瓷是以硅粉为原料经

加热氮化而制成的新型陶瓷材料。

按照其工艺可以将它分为反应烧结氮化硅和热压氮化硅两种。氮化

硅具有极好的抗震性，较高的抗弯强度,优异的耐磨性和良好的化学

稳定性。其半成品具有可机械加工性，因此可以制成尺寸形状比较复杂的零件，烧

结之后制成品的收缩率不大于千分之三。氮化硅工程陶瓷可广泛应用于石油、化

工、冶金、机械、电器和仪表等工业部门，同时还适用于制作各种清水泵、化工

泵、船用泵、纸浆泵的机械密封元件由于其最小成型厚度可达，最大相对运动速

度可达，加上其良好的耐腐蚀性和耐磨性，因而被认为制作机械密封中摩擦环的较

理想材料在机械密封中采用塑料来制作摩擦环这是机械密封材料研究的一种向。

目前，塑料只能用于轻负荷和低密封压力的情况下。塑料主要指工程塑料在一般

情况下都具有较好的抗磨性、较高的硬度和强度，但其热导率很低，使用受到限制。

在塑料类材料中,填充有某些类如玻璃纤维、石墨、二硫化钥、青铜粉或石油粉

等物质的聚四氟乙烯是较为广泛地被用来制作机械密封摩擦环的材料这种材料

更经常用作机械密封的辅助密封填料它具有很好的耐腐蚀性能，较高的抗压强

度和良好的耐磨性。填充有矿物或石棉粉、织物纤维、石墨或白色金属粉末以锡

或铅、锦为基的合金的酚醛树脂塑料在某些场合下也能获得应用。当配用零件的

材料是铸铁、铭钢、青铜或陶瓷时，即使被密封液体是常温清水，这种酚醛树脂塑

料也具有良好的耐磨性能。一般说来，由于塑料类材料的高热膨胀系数、低热导

率和低强度,使其使用受到较大的限制。但在运转条件不恶劣的场合下，塑料的高

耐磨性和容易通过热压加工成型的优点，使它们仍然成为一类常用的机械密封

材料。以上叙述了旋转轴机械密封中常用作制造摩擦环的碳石墨、金属、金属氧

化物、碳化物和塑料等五大类材料。应该说，可用作机械密封摩擦环的材料是很

多的，有金属、有合金，有非金属，有金属非金属混合物等。但是值得指出的是，每一

种材料都不是完美无缺的，它们各自都有其不足之处正是其自身的不足,致使其

局限于一定的应用范围这种限制因素是很多的，除了其耐化学腐蚀性能外，材料

的强度，耐磨性，热导率和温度膨胀系数等均属于限制因素。因此可以这样认为，

机械密封摩擦副材料的选择是一种多元方程的求解,它霜要顾及机械密封装置具

体的工作参数和运转维护条件,同时还需要考虑摩擦环零件的尺寸和形状的复杂

性,制造工艺上的难易程度以及与材料成本、加工处理和安装维护、使用寿命等

有关的经济性。还应该强调说明的是，由于旋转轴机械密封是由一对相互接触且

作相对运动的摩擦环构成，因此在选择摩擦环的制造材料时除了要求摩擦副中每

一摩擦环动环和静环在不同程度上满足所提的要求外，还必须注意材料的组合。

合理的组合，可以充分发挥侮种材料的优点,相互低偿或互相弥补组合材料的不

足，从而能获得使用寿命长、液体泄漏少、运行平稳等所需效果不恰当的组合，不

仅不能体现材料本身的长处，而且得不到理想的密封效果在选择材料时，除了注意

其化学成份外，还应该注意材料的结构晶体组织、机械特性和制造工艺性等因素,

因为这些因素在一定程度上都能直接决定该材料的工作能力。譬如当选择铸铁作

为摩擦副的一种材料时，应使铸铁的晶体结构为珠光体型当选择碳钢作为摩擦

副的一种材料时,应该充分注意其表面硬度以及热处理方法当选择锡青铜作为摩

擦副的一种材料时，必须认真审视其铸造工艺，因为锡青铜的熔化温度和熔化时

间会对其化学成份、金相组织和机械性能产生很大的影响，比如过长的熔化时间

会导致偶锡现象•……由于机械密封摩擦副动环和静环间不可避免的摩擦和磨

损，因而制造摩擦副的材料中，至少有一个环的材料要具有良好的导热性。与此同

时，应该在结构设计时为摩擦副提供导热通路。对于陶瓷和塑料等导热性比较差

的材料，必要时还应提供冷却介质为了消除动环和静环间摩擦生热对密封造成

的不利影响，可以针对机械密封的工作参数以及使用机械密封的设备的具体结构

等情况，采用相适应的冷却措施,包括直接向密封面提供冷却介质很多人习惯于选

择具有不同硬度的材料来组成摩擦副，甚至有人还偏重于用非金属制作静环，用金

属制作动环但是从动力相似的观点来看，由于密封性能是因两互相接触且作相对

运动的摩擦环磨合而获得，故任何一种材料的转动或是固定是没有什么不同的。

当然,由于运转条件如振动和热冲击等和材料本身质地的不同，上述选择也具有一

定的道理。另外,有很多人认为硬度较高的材料的磨损量要低于硬度较低的材料

的磨损量，但事实并不尽然。在某些情况下，当被密封的液体具有一定的腐蚀性时,

硬度较差材料的抗蚀性能反而显得优越。

当然，在一般情况下，硬度是反映材料耐磨性的一个重要参数，但它并不是表征

材料耐磨性的唯一准则。应该说明的是，我们绝对不能忽视硬度对机械密封摩擦

环材料耐磨性的重要作用,相反还必须重视它。大家知道，硬度很低的材料是不能

用来制作摩擦环的,因为这种材料在与另一材料作相对滑动时，会出现粘滞和涂敷

等现象，表而很快被拉毛,从而造成被密封液体的严重泄漏而使密封失效。在一般

情况下，人们习惯于这样来组成摩擦副一个摩擦环用硬质材料制作,而另一个摩擦

环采用硬度较低一点的材料。在这时候，由硬质材料制成的摩擦环，其密封接触表

面的径向宽度，必须大于用较软材料制成的摩擦环接触表面的径向宽度。如果事

实恰如其反，那么用硬质材料制成的摩擦环就会逐渐嵌入另一摩擦环的接触表面

中,从而造成材料的辗碎和两环的剧烈摩擦和磨损。经常会碰到在机械密封中对

两个摩擦环都采用同一制造材料的现象。

这样一来，就可以使两摩擦环采用同样的硬度和相同的接触表面径向宽度。

此时应该注意的是，必须要求两摩擦环具有足够的硬度。过软的相同材料是不能

组成摩擦副的。当采用两种具不同硬度的不同材料或同一材料组成摩擦副时，用

硬度较小材料制成的摩擦环的接触表面径向宽度值对于摩擦副的工作质量具有

特别重要的意义。随着这个宽度值的减小，生热量也减小了,热的导出条件可以得

到改善，并且由于摩擦环接触面内外径差值的减小而使密封表面的磨损比较均

匀。随着这个宽度值的加大,表面摩擦加剧，磨损增加，导热条件变坏,产生干摩擦的

可能性加大，当然，过小的接触宽度又会受到强度的限制，同时又容易产生过大的

泄漏量。有些外国学者认为，在构成摩擦副的两摩擦环中最小接触表面径向宽度

应取其外径的十分之一左右但是根据作者对数十台安装有机械密封的泵包括齿

轮泵、螺杆泵、旋涡泵和离心泵等所进行的调查其结果与上述不同。

由此可知，机械密封摩擦环接触表面的径向宽度是与很多因素有关的,在设计

时务必对各种因素加以全面和综合的考虑。考虑到机械密封工作时所产生的磨粒

会落入摩