《机械设计基础 》课件第15章

15.1摩擦状态分析15.2滑动轴承的结构15.3轴瓦和轴承衬材料15.4非液体摩擦滑动轴承的设计计算15.5润滑剂和润滑装置15.6液体摩擦滑动轴承介绍习题尽管滚动轴承具有许多优点，并在一般机器中获得了广泛应用，但在高速、重载、高精度以及结构上要求剖分等情况下，滑动轴承就显示出了特有的优势，因而在汽轮机、大型电机、内燃机、空气压缩机中多采用滑动轴承。此外，在一些低速、有冲击且不重要的场合也常采用滑动轴承，如水泥搅拌机、破碎机、农用机械等。按照运动副表面的润滑状况，摩擦可分为以下几种，如图15-1所示。

(1)干摩擦：两相对运动表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦状态。此时，摩擦十分强烈，伴随有大量的摩擦功损耗和严重的磨损。除非在特殊的无润滑或自润滑运动副中，一般的滑动轴承中不允许出现干摩擦。15.1摩擦状态分析图15-1摩擦状态(a)干摩擦；(b)边界摩擦；(c)液体摩擦

(2)边界摩擦：在油润滑情况下，若润滑油与金属表面吸附良好，则可在两相对运动表面形成极薄的边界油膜(厚度一般在0.1μm以下)。两相对运动表面覆盖一层边界油膜后，虽不能完全消除表面的磨损，却可以起着减轻磨损的作用。边界摩擦的摩擦系数约为0.1～0.3。

这种摩擦状态的摩擦性能取决于边界油膜和金属表面的吸附能力，称为油性，它与润滑油和金属表面的性质、状况有关。

(3)液体摩擦：两相对运动表面被流体层隔开的摩擦状态。其摩擦性能取决于流体内部分子间的粘性阻力。由于摩擦表面被油隔开而不直接接触，因此摩擦系数很小(f≈0.001～0.01)，是最理想的摩擦状态。

(4)混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、边界摩擦及流体摩擦的混合状态。其摩擦、磨损的性能主要取决于处于边界摩擦状态的部分。液体摩擦是最理想的情况，长期高速旋转的机器，应该确保其轴承在液体润滑条件下工作，这样的轴承称为液体摩擦滑动轴承。在一般机器中，摩擦表面多处于干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的混合状态，称为混合摩擦(或称为非液体摩擦)滑动轴承。

图15-2为向心滑动轴承摩擦副的摩擦特性曲线，这条曲线是由实验得到的。无量纲参数ηn/p称为轴承特性数，其中η为润滑油的动力粘度，n为每秒转数，p为轴承的压强。该图说明，对向心滑动轴承摩擦副来讲，随着轴承特性数的变化(工况变化)，摩擦副可以处于不同的摩擦状态。图15-2磨擦特性曲线根据承受载荷的方向，滑动轴承可分为向心滑动轴承和推力滑动轴承。

15.2.1向心滑动轴承的结构

向心滑动轴承有整体式和剖分式两种结构。

图15-3所示为整体式向心滑动轴承，其优点是结构简单、成本低廉。但安装和拆卸轴时需要沿轴向相对移动，有些应用场合使用不便，甚至无法装配，轴瓦磨损后也无法调整轴承间隙。故常用于低速、轻载或间歇工作的场合。15.2滑动轴承的结构图15-3整体式向心滑动轴承图15-4所示为剖分式向心滑动轴承，由轴承盖1、底座2、剖分轴瓦3和螺纹联接件4等组成。为保证安装时准确定位，在轴承盖与轴承座的中分面上做有阶梯形的榫口。轴承盖上制有螺纹孔，以便安装油杯或油管。这种轴承拆装方便，轴瓦磨损后可通过修刮轴瓦和调整轴瓦中分面间的垫片厚度加以补偿，轴瓦与轴肩端面可承受一定的轴向载荷。当轴承所承受的径向载荷方向向下或略有偏斜时，轴承的中分面常为水平方向；若载荷方向有较大偏斜时，则轴承的中分面也应斜着布置，使中分平面垂直于或接近垂直于载荷(见图15-5)。图15-4剖分式向心滑动轴承图15-5斜开向心滑动轴承剖分轴瓦(见图15-6)是滑动轴承中最重要的零件。若载荷方向向下，则下轴瓦为承载区，上轴瓦为非承载区。润滑油应由非承载区引入，所以在顶部开进油孔。在轴瓦内表面，以进油口为中心沿纵向、斜向或横向开有油沟，以利于润滑油均匀分布在整个轴颈上。

油沟的形式很多，图15-7所示为几种常见的形式。油沟与轴瓦端面应保持一定距离，以防止漏油。图15-6剖分轴瓦图15-7油沟形式有些滑动轴承座本身是箱体的一部分，这种轴承座通过在箱体上直接加工孔得到，由于同一轴的两个轴承孔可通过一次装夹完成加工，因此容易得到较高的同轴度。15.2.2推力滑动轴承的结构

推力滑动轴承主要承受轴向载荷，其常用结构如图15-8所示。图(a)为空心端面推力滑动轴承，靠近轴心处加工有凹坑，不承受载荷，避免靠近轴心处压强分布大、润滑不良。图(b)为单环式推力滑动轴承，结构简单，应用广泛。当载荷较大时应采用图(c)所示的多环式推力滑动轴承，但环数不宜过多，计算承载能力时应考虑各环受力不均因素。除此之外，也可以利用向心滑动轴承的端部承载。由于两平行平面之间是不能形成动压油膜的(见15.6节)，因此，为了改善推力滑动轴承的性能，通常沿轴承止推面按若干块扇形面积开出楔形(见图15-9)。图(a)为固定式推力滑动轴承，其楔形倾角固定不变，在楔形顶端留有平台，用来承受停车后的轴向载荷。图(b)为可倾式推力滑动轴承，其扇形块的倾斜角能随着载荷、转速的改变而自行调整，因此性能更为优越。扇形块数一般为6～12，图(c)为扇形块的放大图。图15-8普通推力滑动轴承(a)空心端面式；(b)单环式；(c)多环式图15-9有动压效应的推力滑动轴承(a)固定式；(b)可倾式；(c)扇形块放大图非液体摩擦的滑动轴承，其主要的失效形式是：①载荷过大、转速过高或温度过高使润滑油膜破裂而产生磨损；②工作条件超过材料疲劳极限出现疲劳破坏；③过热造成的胶合。

液体润摩擦动轴承除了以上失效形式之外，更常见的失效形式是油膜承载能力不够，轴颈与轴瓦接触产生磨损。15.3轴瓦和轴承衬材料因此滑动轴承轴瓦材料应当具有以下性能：①对轴颈的摩擦系数要小；②耐磨、耐蚀、抗胶合能力强；③良好的导热性和较小的热膨胀系数；④良好的顺应性和嵌藏性，以嵌藏外来微粒，补偿加工误差和弹塑性变形；⑤足够的机械强度和抗疲劳性能。

图15-10组合材料轴瓦能同时满足上述要求的材料几乎没有(例如顺应性和嵌藏性良好的材料，强度往往较低；耐磨的材料顺应性和嵌藏性大多不好)。通常是根据具体情况满足主要使用要求，按照局部品质原理作成双金属或三金属轴瓦(见图15-10)，使不同金属在性能上取长补短。在工艺上可用浇铸或压合的方法，将薄层材料粘附在轴瓦基体上。粘附上去的薄层材料称为轴承衬。

表15-1列出了常用轴瓦、轴承衬材料的使用性能。下面分类介绍。表15-1常用轴瓦材料的性能轴承合金也称白合金或巴氏合金，是滑动轴承的专用耐磨、减摩材料，分为锡基或铅基两类。轴承合金的抗胶合性、顺应性、嵌藏性都很好。但它的机械强度差，只能作为轴承衬材料浇铸在钢、铸铁或青铜轴瓦上使用。轴承合金的熔点比较低，设计运行中应将温度控制在110～120℃以下。锡基轴承合金常用在高速重载轴承中。铅基轴承合金因为较脆，故一般用于中速中载轴承。

2．青铜

青铜轴瓦强度高，承载能力大，耐磨性和导热性都优于轴承合金，可以在较高的温度下工作。但它的嵌入性、顺应性和抗胶合能力不如轴承合金，不易跑合，与之相配合的轴颈必须淬火处理。常用的青铜轴瓦材料有锡青铜、铅青铜和铝青铜，一般情况下它们分别用于高速重载、中速中载和低速重载的轴承中。

3．粉末冶金

粉末冶金是用金属粉末或在金属粉末中加入石墨、硫等粉末，混合、高压成型，再经过高温烧结而成的多孔性材料。用这种材料制造的轴承在使用前先在热油中浸渍，使孔隙中充满润滑油，故亦称含油轴承。工作时，由于轴颈转动的抽吸作用及轴承发热时油的膨胀，油便进入摩擦表面起润滑作用；停车时，因毛细管作用，油又被吸回轴承孔隙内。这样，即使在相当长的时间内不补充油，轴承仍能较好地工作。粉末冶金的缺点是性脆、不耐冲击，故

只适用于载荷平稳的情况。

4．其他材料

铸铁生产成本较低，工艺性能好，而且其组织中的石墨可以在滑动表面间提供自润滑作用。但由于铸铁质地较硬、较脆，抗冲击性差，因此一般应用在不重要的或低速轻载的轴承中。

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、砂石清洗机、钻机等有泥砂的场合。塑料轴承具有摩擦系数低，可塑性、磨合性良好，耐磨、耐蚀，可用水、油及化学溶液润滑等优点。但它的导热性差，膨胀系数较大，吸水吸油后容易变形。为改善此缺陷，常将薄层塑料作为轴承衬材料粘附在金属轴瓦上使用。非液体摩擦滑动轴承不能形成完整的流体润滑膜，轴承与轴颈处于混合摩擦状态，起主要作用的是边界吸附油膜，维持边界油膜不破裂，是非液体摩擦滑动轴承的设计依据。由于边界油膜的强度和破裂温度受多种因素影响而十分复杂，因此工程上对这类轴承的设计采用条件性计算：①限制轴承的平均压强p以限制磨损；②限制pv值以限制轴承发热。15.4非液体摩擦滑动轴承的设计计算15.4.1径向滑动轴承的计算(1)验算轴承平均压强p(参见图15-11)：(15-1)图15-11向心轴承结构简图式中，F是作用在轴承上的径向载荷(N)；B是轴承宽度(mm)；d是轴颈直径(mm)；［p］是轴承材料的许用压强(MPa)。(2)验算轴承的pv值：(15-2)式中，n是轴颈的转速(r/min)；［pv］是轴承材料的许用值(MPa·m/s)。对于低速或间歇转动的轴承，可以只校核平均压强。15.4.2推力滑动轴承的计算

(1)验算平均压强p(参见图15-8)：(15-3)式中，F是作用在轴承上的轴向载荷(N)；d1、d2分别是推力环的内径和外径(mm)；z是推力环的数目；k是考虑承载面积因油沟而减少的系数，随油沟的数目与宽度的不同取k＝0.8～0.9。(2)验算pv值：(15-4)式中，v是推力轴颈平均直径上的圆周速度(m/s)；n是轴的转速(r/min)。单环或端面止推轴承所用材料的许用值［p］、［pv］见表15-1。但对于多环轴承，因各环受力不均，故其许用值比表中值要降低20%～30%。15.5.1润滑剂

润滑是降低摩擦、磨损的有效方法，它还有带走摩擦热量和防锈等功能。润滑剂一般可以分为四大类：液体润滑剂(润滑油)、润滑脂、固体润滑剂和气体润滑剂。其中润滑油和润滑脂应用最广泛。15.5润滑剂和润滑装置

1．润滑油

目前使用的润滑油大部分为石油系列润滑油(矿物油)。润滑油的主要性能指标有黏度和油性等。

1)黏度

黏度是流体流动时内摩擦力的量度，是润滑油的基本指标，也是选择润滑油的主要依据。

图15-12所示为两相对运动平板间流体作层流运动的模型。由于润滑油分子的吸附作用，与板面接触的流体层具有与板面相同的速度，与移动件接触的流体层的速度为v，与静止件接触的流体层的速度为0，流体内部各层速度呈线性分布，各层之间存在速度差，因而流体层之间就产生了摩擦切应力。图15-12平行板间液体的层流实验表明摩擦切应力与速度梯度成正比：(15-5)式中，τ为流体内摩擦切应力；v为流体速度；dv/dz为速度梯度；比例系数η称为流体的动力黏度，动力黏度的数值越大，流体越粘稠。服从式(15-5)关系的流体称为牛顿流体。在国际单位制中，黏度η的单位是Ns/m2(或Pa·s)。工程上常用动力黏度的厘米克秒制P(称为泊)，1P＝1dyns/cm2。此外，还有运动黏度ν，它与动力黏度的关系为(15-6)式中，ρ为流体的密度。在国际单位制中，运动黏度ν的单位是m2/s；在厘米克秒制中，ν的单位是St(称为斯)，工程上常用的单位是cSt(厘斯)，1St＝1cm2/s＝100cSt。

我国石油产品是用运动黏度单位cSt来标定的。载荷大、速度低、温度高的轴承应选用黏度大的润滑油，轻载、高速轴承宜选用黏度小的润滑油。图15-13几种润滑油的黏度—温度曲线

2)黏度指数

润滑油的黏度随温度的变化是非常明显的。随着温度的升高，黏度将降低。图15-13为几种常用全损耗系统用油的黏度—温度曲线。全损耗系统用油是一种通用的润滑油，用来润滑安装在室内、工作温度在50～60℃以下的各种轻负载机械。黏度指数是表示润滑油黏度随温度变化特性的指标。黏度指数越大，表示润滑油的黏度随温度的变化越小。此外，黏度还随着压力的升高而增大，但压力不太高时(如小于10MPa)黏度变化极微，可略而不计。

3)油性(或润滑性)

油性是表征润滑油与固体间吸附性能的一个指标。在边界润滑条件下，润滑油会在摩擦表面形成各种边界膜(吸附膜和化学反应膜)，从而有效地降低摩擦和磨损。因而

油性是在较苛刻的使用条件下选用润滑油的一个重要指标。一般说来，动、植物油的油性较好，矿物油的油性较差。此外，工作在特殊工况(如高温、低温、腐蚀等)条件下的润滑油，其燃点、闪点、凝点、化学稳定性等指标也是非常重要的。常用润滑油的性能指标参见表10-6。

2．润滑脂

润滑脂是由润滑油、稠化剂和添加剂等调制成的一种胶状物。润滑脂密封简单，不需经常加添，不易流失，故在垂直的摩擦表面上也可应用。润滑脂对载荷和速度的变化有较大的适应范围，受温度的影响不大，但摩擦损耗较大，润滑性能上不如润滑油好，机械效率较低，故不宜用于高速场合。润滑脂易变质，不如润滑油稳定。总的来说，一般参数的机器，特别是低速或带有冲击的机器，都可以使用润滑脂润滑。

润滑脂的主要性能指标有锥入度和滴点等。

1)锥入度(或稠度)

锥入度是指在25℃的恒温下，将质量为150g的标准圆锥体置于润滑脂表面上，经5s后锥体沉入脂内的深度(以0.1mm为单位)。锥入度越小，稠度越大。随温度的升高润滑脂变稀，锥入度增加。

2)滴点

滴点是指润滑脂达到一定流动性时的最低温度。润滑脂的滴点大致决定了其最高使用温度，一般使用温度要比润滑脂的滴点低20～30℃。常用的润滑脂有钙基润滑脂、钠基润滑脂和锂基润滑脂。钙基润滑脂有较好的耐水性，

但耐温性较差，常用于60℃以下的各种机械设备的润滑。钠基润滑脂耐温性较好(115～145℃以下)，但不耐水。锂基润滑脂耐温、耐水性均较好，可在-20～150℃的温度范围内工作。

3．固体润滑剂

固体润滑剂有石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯等，一般用于不宜使用润滑油和润滑脂的高温、低速、重载场合。石墨性能稳定，350℃才开始氧化，并可在水中工作。二硫化钼与金属表面吸附能力强，摩擦系数小，可在-60～300℃的温度范围内工作。固体润滑剂也常调合在润滑油和润滑脂中使用。

为改善润滑油和润滑脂的使用性能常需加入各种添加剂，如耐磨损添加剂、耐腐蚀剂、抗氧化剂、极压剂和防锈剂等。15.5.2常用润滑装置

滑动轴承的供油方式分为间歇供油和连续供油。

常见的间歇供油装置是各种油杯，如图15-14所示，图(a)为压配式压注油杯；图(b)为旋套式油杯，适用于加注润滑油；图(c)为旋盖式油杯，适用于润滑脂，加满润滑脂后，旋转螺旋杯盖可使部分润滑脂强行挤入润滑部位。间歇供油装置通常用于开机前和关机后加注润滑剂。图15-14常见的间歇供油装置(a)压配式压注油杯；(b)旋套式油杯；(c)旋盖式油杯连续供油润滑根据所需供油量的大小可采用滴油润滑、油环润滑、浸油润滑或喷油润滑。

图15-15是两种常用的连续供油油杯。图(a)是针阀油杯，手柄平放时，弹簧压力使针阀堵住油杯底部的油孔；手柄直立时，针阀被提起，油孔敞开，润滑油流入轴颈，调节螺母可以调整针阀开口的大小。图(b)是弹簧盖油杯，依靠棉线毛细作用使润滑油流入润滑部位，这种油杯结构简单，但供油量与液面高度有关，不能调节。图15-15连续供油装置(a)针阀油杯；(b)弹簧盖油杯图15-16为油环润滑，轴颈上套有油环，油环的下部浸入油池中，轴颈旋转时，靠摩擦力带动油环旋转，并把润滑油带入轴承。

图15-17是油泵循环供油润滑，供油压力一般仅需0.05MPa，配有润滑油分配装置可润滑多处需要润滑的部位，还可有过滤、冷却、报警、控制装置，但设备费用较高。图15-16油环润滑图15-17油泵循环供油润滑15.6.1流体动压向心滑动轴承

流体动压向心滑动轴承形成液体动压油膜的过程如图15-18所示。图(a)表示停车状态，此时轴颈在重力作用下与轴承孔在下部直接接触，并形成楔形间隙。工作时经历三个状态：

(1)启动状态(见图15-18(b))。在启动的最初阶段，轴颈转速很小，在驱动力矩T与轴承孔的滚动摩擦阻力的共同作用下，轴颈沿轴承内壁逆向滚动(爬坡)，直到轴承孔对轴颈的全反力刚好等于外载荷F时，爬坡停止。15.6液体摩擦滑动轴承介绍图15-18流体动压向心滑动轴承的工作状态(a)停车；(b)启动；(c)初步脱离；(d)稳定工作

(2)初步脱离状态(见图15-18(c))。当轴颈转速继续增加时，润滑油在轴颈的带动下，由楔形间隙的较大间隙处向较小间隙处流动，使润滑油在楔形间隙中因拥挤而形成压力，迫使轴颈脱离轴承孔，形成初期的润滑油膜。

(3)稳定工作状态。图(c)的状态不能持久，因油膜内各点压力的合力有向左推动轴颈的分力存在，因而轴颈继续向左移动。达到稳定运转状态时，轴颈处于图(d)所示的位置。此时油膜内各点的压力，其垂直方向的合力与载荷F平衡，其水平方向的压力左右自行抵消，于是轴颈就稳定在此平衡位置上旋转。由图可知，轴颈中心与轴承孔中心不重合，两者的距离称为偏心距。其他条件相同时，工作转速越高，偏心距值越小，但两者永远不可能重合。由以上分析可知，流体动压滑动轴承形成润滑油膜必须具备以下条件：

(1)两工作表面的间隙必须充满润滑油；

(2)两工作表面必须有变化的间隙(突变或逐渐变化均可)；

(3)两表面必须有足够的相对滑动速度，且运动件应将润滑油由间隙的大端带入小端。对于图15-18所示的向心轴承，条件1意味着动压滑动轴承应采用完善的供油方式进行润滑；条件2意味着在承受载荷的条件下，轴颈和轴承孔必须有一定的偏心，无偏心便不能产生动压力；条件3意味着轴必须有足够的转速，显然，动压滑动轴承不适合在低速条件下

运行。

实际工程设计中，要求轴承在额定载荷和额定转速下运转时，最小间隙的数值应该大于表面粗糙度的数值。此外还要计算润滑油的流量，并根据轴承的功率损耗校核热平衡温度。为了提高动压轴承的旋转精度和工作稳定性，常将轴瓦的内孔制成特殊的形状，在工作中产生多个油楔，此即多油楔轴承，如图15-19所示。图(a)、(b)为双油楔轴承，轴承孔做成椭圆形，因而在顶部和底部均可形成液体润滑动压油膜，双油楔轴承常做成上下剖分式结构。

图(c)为三油楔动压润滑轴承，工作时可形成三个动压油膜。多油楔轴承有助于提高旋转精度和工作稳定性。但与相同工作条件下的单油楔轴承相比，其供油量和摩擦损耗都会有所增加，承载能力也有所降低。图(d)是可倾式多油楔轴承，分离的多片轴瓦由球端螺钉支撑，随着运行

条件的改变能自动调整倾斜角度，以保证随时都处于良好的工作状态。因此，这种轴承除了有良好的旋转精度和稳定性之外，正常工作的速度范围也较大。图15-19多油楔轴承(a)双油楔轴承1；(b)双油楔轴承2；(c)三油楔动压润滑轴承；(d)可倾式多油楔轴承15.6.2流体静压滑动轴承

流体静压滑动轴承是利用外部供油装置，将有较高压力的润滑油送入轴承的油腔，使轴颈与轴承表面分开而形成液体润滑油膜，其油膜形成不依赖于速度和油楔。因此，不论它在高速、低速、轻载、重载条件下，还是启动、停车、运转阶段均能很好地工作。此外，由于油膜刚度大，因此它的回转精度高且精度保持性好。但因需要一套供油系统，所以造价高，应用没有动压轴承普遍，主要用于低速、重载或要求精度很高的机械装备中。图15-20为流体