機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì) 第二十二章 滑動軸承

1、1 第二十二章第二十二章 滑動軸承滑動軸承 概述概述 22.1 22.1 滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu)滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu) 22.2 22.2 滑動軸承材料滑動軸承材料 22.3 22.3 潤滑劑與潤滑方法的選用潤滑劑與潤滑方法的選用 22.4 22.4 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 22.5 22.5 流體靜壓軸承流體靜壓軸承 2 概概 述述 滑動軸承滑動軸承與軸頸表面形成滑動摩擦副的軸承 組成、 特點(diǎn)及應(yīng)用 不同類型、不同應(yīng)用場合的滑動軸承,其重要程度和運(yùn) 轉(zhuǎn)參數(shù)差異非常大,結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和價(jià)格差異亦極大。 因而，滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算，在要求和工作量方面也 有很大的差別。 滑動軸承設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)

2、容 3 概概 述述 決定軸承的結(jié)構(gòu)型式 ; 選擇軸瓦、襯層和涂覆層材料； 確定軸承幾何參數(shù)； 選擇潤滑劑和潤滑方法； 計(jì)算軸承工作能力，確定軸承運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。 4 21.1滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu)滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu) 按能承受的載荷方向 滑動軸承的類型與應(yīng)用滑動軸承的類型與應(yīng)用 徑向軸承 推力軸承 5 22.1滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu)滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu) 按能承受的載荷方向 滑動軸承的類型與應(yīng)用滑動軸承的類型與應(yīng)用 徑向軸承 推力軸承 徑向推力軸承 6 按摩擦狀態(tài) 滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu)滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu) 干摩擦軸承 無潤滑軸承承 固體潤滑軸承 流體摩擦（潤滑）軸承 流體動壓軸承 流體靜壓軸承 動靜壓混合

3、潤滑軸承 流體摩擦 混合摩擦（潤滑）軸承: 干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦共有 的摩擦狀態(tài) 7 滑動軸承的結(jié)構(gòu)滑動軸承的結(jié)構(gòu) 徑向軸承 滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu)滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu) 3）調(diào)心軸承 1）整體式 2）剖分式 8 推力軸承結(jié)構(gòu) a)圓止推面 b)環(huán)形止推面 c)單止推環(huán) d)多止推環(huán) 滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu)滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu) 9 軸瓦軸瓦 滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu)滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu) 軸瓦包括徑向軸承的軸瓦、軸套和推力軸承的推力瓦。 軸瓦 單層(金屬)軸瓦和多層(金屬)軸瓦 厚壁軸瓦和薄壁軸瓦 帶擋邊和不帶擋邊軸瓦 10 軸 套 滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu)滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu) 帶擋邊和不帶擋邊軸套;

4、單層和多層軸套 油孔、油槽和油室 11 滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu)滑動軸承的類型與結(jié)構(gòu) 油孔、油槽和油室 12 22.2 滑動軸承材料滑動軸承材料 對軸瓦材料性能的要求對軸瓦材料性能的要求 1減摩性 成副材料的屬性(不是單一材料的屬性) 2嵌入性 材料允許潤滑劑中外來硬質(zhì)顆粒嵌入而防止刮傷和磨粒磨 損的性能。 3順應(yīng)性 13 3順應(yīng)性 滑動軸承材料滑動軸承材料 材料靠表層的彈塑性變形補(bǔ)償滑動摩擦表面初始配合不良 和軸的撓曲的性能。 4耐磨性 配副材料抵抗磨損的性能。 5耐氣蝕性 材料抵抗氣蝕(磨損)的性能。 6磨合性 在軸頸與軸瓦初始接觸的磨合階段，減小軸頸或軸瓦加工 誤差、同軸度誤差、表面粗糙度，

5、使接觸均勻，從而降低 摩擦力、磨損率的性能。 14 軸瓦材料的種類軸瓦材料的種類 滑動軸承材料滑動軸承材料 1 金屬材料 鑄造錫基軸承合金:如,ZSnSb12Pb10Cu4。 鑄造鉛基軸承合金:如,ZPbSb16Sn16Cu2 鑄造銅基軸承合金:如, ZCuSn5Pb5Zn5, ZCuSn10P1 變形(鍛造)銅合金:如, CuSn8P 鑄造鋁基軸承合金 耐磨鑄鐵 2粉末冶金材料 3.非金屬材料:工程塑料、炭石墨、陶瓷、橡膠 15 軸瓦表面涂層材料軸瓦表面涂層材料 滑動軸承材料滑動軸承材料 常用的表面涂層材料：PbSn10、PbIn7、PbSn10Cu2 涂層的功能 使軸瓦表面與軸頸匹配有良好

6、的減摩性；提供一定的嵌入 性；改善軸瓦表面的順應(yīng)性；防止含鉛襯層材料中的鉛腐 蝕軸頸。 涂層的厚度 一般為0.017 mm0.075 mm。 16 各種軸瓦材料的性能比較各種軸瓦材料的性能比較 滑動軸承材料滑動軸承材料 軸瓦材料 抗拉強(qiáng)度b/ MPa 彈性模量 E/ GPa 密度/ gcm-3 熱導(dǎo)率/ W(m)-1 線脹系數(shù)/ 10-6-1 錫基軸承合金 8090 4857 73007380 33.538.5 23.1 鉛基軸承合金60802993001020020.925.124.028.0 銅基軸承合金 150700 75120 76009000 2771 1619 耐磨鑄鐵200350

7、 表表22-1 22-1 各種軸瓦材料的物理性能各種軸瓦材料的物理性能 17 表表22-2 22-2 各種軸瓦材料的使用性能比較各種軸瓦材料的使用性能比較 滑動軸承材料滑動軸承材料 金 屬 材 料 非 金 屬 材 料 (含油)粉 末冶金材 料 錫(鉛)基 軸承合金 銅基軸 承合 金 銅鉛 合金 鑄 鐵 塑料 木材 橡膠 炭石墨 承載能力尚可 良 良 良 尚可 差 差 差 尚可 減摩性 優(yōu) 中等 良 中 等 中等 優(yōu) 優(yōu) 良 中等 耐磨性尚可 優(yōu)中等優(yōu)中等 尚可差 尚可中等 順應(yīng)性優(yōu) 尚可差差 優(yōu)良優(yōu)中等 差 18 22.3 潤滑劑與潤滑方法的選用潤滑劑與潤滑方法的選用 潤滑劑及其選用潤滑劑及其

8、選用 滑動軸承常用潤滑劑有：潤滑油、潤滑脂、固體潤滑 劑、氣體潤滑劑、水等。 潤滑油 在一般參數(shù)下的大多數(shù)滑動軸承使用礦物油，有特殊要 求時(shí)使用合成油。 為滑動軸承專門研制的主軸、軸承和有關(guān)離合器 用油(F組)。 19 潤滑劑與潤滑方法的選用潤滑劑與潤滑方法的選用 2.為某些機(jī)械研制的潤滑油也是用來潤滑那些機(jī)械中的滑動 軸承的。 潤滑油的選用 軸頸線速度v/ms1 0.1 0.1 0.3 0.30. 6 0.61. 2 1.22. 0 2.05. 0 5.09. 0 9.0 軸 承 載 荷 p/M Pa 3 工 作 溫 度 10 60 粘 度 等 級 68, 100 6846,684632,4

9、6 15,22, 32 7,10 3 7.5 150 100, 150 100 68, 100 68 7.5 30 20 80 680, 1 000 680 460, 320 150, 220 20 軸承間隙 /mm 0.0020.006 0.0060.010 0.0100.030 0.0300.060 主軸油牌號 L-FD 2 L-FD 3、5、 7 L-FD 7、10 L-FD 15、 22 主軸油的選用主軸油的選用 高速主軸軸承一般應(yīng)選用L-FD油，可根據(jù)軸承 間隙按下表選牌號。 潤滑劑與潤滑方法的選用潤滑劑與潤滑方法的選用 潤滑脂 脂潤滑軸承可根據(jù)滑動速度參考表22-5選用潤滑脂的錐入

10、度， 根據(jù)工作溫度選取潤滑脂品種。 21 潤滑劑與潤滑方法的選用潤滑劑與潤滑方法的選用 軸承工作溫度/ 60 60130 130 線速度v/ms-1 0.5 0.50.50.5 潤滑脂品種 鈣基潤滑脂 羥基潤滑 脂 鋰基潤滑脂 膨潤土基脂 錐入度/(10 mm)-1 265340 335385 220250 表22-5 脂潤滑軸承潤滑脂的選擇 固體潤滑劑 滑動軸承常用的固體潤滑劑有炭石墨、二硫化鉬、聚四氟 乙烯等。 22 潤滑劑與潤滑方法的選用潤滑劑與潤滑方法的選用 潤滑方法的選用潤滑方法的選用 油、脂潤滑滑動軸承潤滑方法的選取油、脂潤滑滑動軸承潤滑方法的選取 K/(Nm)1/2s-3/2 2

11、 000 2 00016 000 16 00032 000 32 000 潤滑劑 潤滑脂 潤 滑 油 潤滑方法 旋蓋式注油 杯潤滑 滴油潤滑 飛濺、油環(huán)或壓 力供油潤滑 壓力供油潤滑 Bd F p pvk 3 F 軸承的徑向載荷,B 是軸承的有效寬度 d 軸頸直徑；v 軸頸的圓周速度(m/s) 23 22.4 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 滑動軸承的參數(shù)滑動軸承的參數(shù) 徑向軸承 軸頸直徑d或半徑r 軸瓦孔直徑D或半徑R 半徑間隙c(c=Rr) 相對間隙(=c/r) 軸瓦寬度B 1.幾何參數(shù) 24 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 推力軸承 止推環(huán)的外徑do或外半徑ro 止推墊圈的內(nèi)

12、直徑di或內(nèi)半徑ri 軸瓦寬度B、軸頸的直徑d、止推環(huán) 的外徑do、止推墊圈的內(nèi)直徑di需 通過承載能力計(jì)算確定，而半徑間 隙c或相對間隙則需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 選取。 25 2.工況參數(shù) 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 載荷F(包括大小、方向和特性)；軸 的轉(zhuǎn)速n(包括大小、方向和特性)。 一般已知。 3.熱力學(xué)參數(shù) 功耗P、散熱量、軸承各處溫度和潤滑劑的溫度。 實(shí)測值必須在允許的范圍內(nèi)，通過計(jì)算在設(shè)計(jì) 時(shí)加以控制。 26 無潤滑軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算無潤滑軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)已知條件：軸徑d、轉(zhuǎn)速n、載荷F、軸瓦材料。 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:軸承的p、v值不要超過軸承材料極

13、限p-v曲線 限定的范圍。 設(shè)計(jì)步驟 1)計(jì)算出滑動速度 : v=dn (徑向軸承) 2)計(jì)算允許的p值 無潤滑軸承的失效形式:磨損 27 3)確定軸承寬度 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 PD F B F-軸承所承受的徑向載荷 ,D-軸承直徑 4）其它參數(shù) 相對間隙（=2c/d） , =0.810-3(dn)1/4 軸瓦壁厚 推薦值見表22-7 28 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 29 軸瓦孔徑 1018 1830 3040 4050 5065 6580 80100100150 150200 軸瓦 壁厚 工 程 塑 料 0.81.0 1.01.51.52.02.03.0 3.0

14、3.53.54.0 炭 石 墨 34 45 68 1012 1218 1825 表表22-7 22-7 工程塑料與炭石墨軸瓦壁厚工程塑料與炭石墨軸瓦壁厚 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 30 含油軸承、不充分潤滑軸承和固體潤滑軸承的計(jì)算含油軸承、不充分潤滑軸承和固體潤滑軸承的計(jì)算 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 1.限制軸承的單位面積載荷p(防止過度塑性變形和磨損) p Bd F p徑向軸承 推力軸承 )( 4 22 0 p ddZ F p i 2.限制軸承滑動速度v (防止高溫下過快磨損 ) 徑向軸承 v=dnv v=(do+di)n/2v 推力軸承 31 3.限制軸承的pv值(

15、限制軸承發(fā)熱量) 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 徑向軸承 PV B nF pv 推力軸承 )( 2 0 pv ddz Fn pv i 將對p、pv、v的限制畫在對數(shù)坐標(biāo)圖上，構(gòu)成一條折線。 這種計(jì)算方法稱為條件性計(jì)算條件性計(jì)算。 p、v和pv數(shù)據(jù)查閱相關(guān)表格。 32 液體動力潤滑軸承的計(jì)算液體動力潤滑軸承的計(jì)算 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 液體動力潤滑軸承是利用軸頸與軸瓦的相對速度和表面與油 的粘附性能，將潤滑油帶入軸承間隙，建立起壓力油膜而把 軸頸與軸瓦隔開的一種液體摩擦軸承。描述這種潤滑狀態(tài)的 基本方程是雷諾方程。從數(shù)學(xué)觀點(diǎn)看，流體潤滑計(jì)算的基本 內(nèi)容就是對雷諾方程的應(yīng)用

16、和求解。 （一）雷諾方程 33 ()() 6(22-9) pph hhu xxzzx 33 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 33 ()() 6(22-9) pph hhu xxzzx h-油膜厚度；-潤滑油粘度； P-油膜壓力；u-軸頸線速度； X-軸頸線速度方向的坐標(biāo)； Z-軸瓦表面垂直于軸頸線速度方向的坐標(biāo)。 由雷諾方程得出流體動力潤滑軸承形成承載油膜的條件： 34 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 流體動力潤滑軸承形成承載油膜的條件： 潤滑劑要有粘度，且油膜承載能力隨粘度提高而增大； 軸頸要有相對速度，且油膜承載能力隨速度提高而增大； 油膜厚度是變量，且沿速度方向逐漸減小方能形

17、成正油膜 壓力，即需要軸頸和軸瓦表面形成收斂形間隙，稱為油楔； 要供給充足的潤滑劑。 （二）油楔形成方法 35 形成油楔是流體動壓軸承的最基本條件。不同的油楔形成方 法造就成各種各具特色的動壓軸承。 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 （二）油楔形成方法 (三) 液體動力潤滑徑向軸承的計(jì)算 偏心距e軸瓦幾何中心O與軸頸 中心Oj的距離; 1.幾何參數(shù) 偏心率偏心距e與軸頸間隙c之比， ( =e/c) 36 偏位角中心連線O Oj與載荷作用線所夾銳角； 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 油膜厚度h 圓軸承，從OOj量起，任意角處油膜厚度 hR-r+ecosc+ecosc(1+cos) 最小

18、油膜厚度h2（180） 是保證流體動力潤滑的最重要的 參數(shù)。 h2=d(1-)/2 37 2.性能計(jì)算 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 即計(jì)算液體動力潤滑徑向圓軸承的承載能力、摩擦功耗、潤 滑油流量。雷諾方程有三個(gè)未知量（h、p），還需要補(bǔ) 充兩個(gè)方程。 膜厚度方程 hc(1+cos) 熱平衡方程 令：F/F=，為軸承的摩擦因數(shù)；=/，為摩 擦特性數(shù),則摩擦功耗為 P=Fdn 2)熱平衡計(jì)算 38 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 2)熱平衡計(jì)算 對自吸(無壓力)供油的軸承,軸承表面散去的熱量計(jì)算式 為: P= QA=kA(b-a) k是系數(shù)，在自然通風(fēng)下k=1520W/(m2 K)

19、；A是軸承座散 熱面積；b是軸承工作溫度，最高不得超過90；a是環(huán) 境溫度。 對壓力供油的軸承,潤滑劑帶走的熱量計(jì)算式為 P= QL=cq(o-i) 39 c是潤滑油的比熱容；是潤滑油密度；q是軸承端泄 流量；o是潤滑油出油溫度；i是潤滑油進(jìn)油溫度， 一般取為35-45。 QL=cq(o-i) 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 軸承工作溫度為:b =(o+i)/2,軸承最高工作溫 度不得超過100。 3)確定軸承的承載能力 油膜壓力的合力即為軸承的承載能力。用軸承特 性數(shù)F F來表征承載能力，有 40 2 ( 2 2 - 1 6 ) m e p F n 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算

20、 pm是軸承平均載荷,pm=F/(BD);是 相對間隙；e是潤滑油有效黏度； n是軸頸轉(zhuǎn)速。 軸承特性數(shù)F F 可以建立圓軸承在穩(wěn)態(tài)條件下、不同寬徑比時(shí),軸承特 性數(shù)F F與偏心率的關(guān)系曲線。同樣可以建立軸承的功 耗、流量、偏位角等特性數(shù)與偏心率的關(guān)系曲線。當(dāng) 載荷、轉(zhuǎn)速已知，選定直徑、寬度、間隙和潤滑劑之后， 利用關(guān)系曲線可以查出偏心率，再利用這些圖表根據(jù) 偏心率可以求出功耗、流量和偏位角。 41 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 42 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.參數(shù)選取 寬徑比(B/ /D)。 一般情況建議在0.2-1.5范圍內(nèi)選取， 相對間隙() 潤滑油粘度 () 最小油膜厚度( h2 )， h2min=S(Ra1+ Ra2) 表面粗糙度 Ra值一般在0.2-0.8 m范圍內(nèi) 4.改變參數(shù)對軸承性能的影響 43 滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算滑動