湖南大學(xué)機械設(shè)計課件第12章

1、第四篇 軸系零部件第十二章 滑動軸承（一）教學(xué)要求1、了解滑動軸承特點、分類和主要結(jié)構(gòu)，滑動軸承的材料、潤滑方式，了解非流體摩擦滑動軸承的計算方法2、解流體動壓潤滑滑動軸承計算，主要參數(shù)選擇，了解其它型式滑動軸承（二）教學(xué)的重點與難點1、 非流體摩擦滑動軸承的設(shè)計計算2、 流體動壓滑動軸承的承載能力及影響因素（三）教學(xué)內(nèi)容12-1 概述一、軸承：支承軸及軸上零件。例如：汽輪機、離心式壓縮機、內(nèi)燃機、大型電機、水泥攪拌機、滾筒清砂機、破碎機等。二、軸承分類：滑動軸承宜用在高速、高精度、重載、結(jié)構(gòu)上要求剖分處。滾動軸承應(yīng)用很廣。三、滑動軸承分類：按承受載荷方向分： 徑向軸承推力軸承按裝拆方式分：

2、整體式軸承剖分式軸承又分為直剖和斜剖按摩擦狀態(tài)分： 液體摩擦滑動軸承非液體摩擦滑動軸承按油膜形成原理不同分：液體動壓潤滑軸承液體靜壓潤滑軸承四、滑動軸承的特點優(yōu)點：1） 承載能力高；2） 工作平穩(wěn)可靠、噪聲低；3） 徑向尺寸??；4） 精度高；5） 流體潤滑時，摩擦、磨損較小；6） 油膜有一定的吸振能力缺點：1）非流體摩擦滑動軸承、摩擦較大，磨損嚴(yán)重。2）流體摩擦滑動軸承在起動、行車、載荷、轉(zhuǎn)速比較大的情況下難于實現(xiàn)流體摩擦；3）流體摩擦、滑動軸承設(shè)計、制造、維護費用較高。五、應(yīng)用：1） n特高或特低；2） 對回轉(zhuǎn)精度要求特別高的軸；3） 承受特大載荷；4） 沖擊、振動較大時；5） 特殊工作條件

3、下的軸承；6） 徑向尺寸受限制或軸承要做成剖分式的結(jié)構(gòu)例：機床、汽輪機、發(fā)電機、軋鋼機、大型電機、內(nèi)燃機、鐵路機車、儀表、天文望遠鏡等。六、本章重點內(nèi)容：1）、軸承型式與結(jié)構(gòu)2）、軸瓦材料與結(jié)構(gòu)3）、軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)4）、潤滑劑選擇5）、工作能力及熱平衡計算12-2 滑動軸承的結(jié)構(gòu)型式一般由軸承座、軸瓦(套)、潤滑裝置、密封裝置等組成一、徑向滑動軸承：1、整體式見右圖 注意軸套上的油溝 磨損后無法調(diào)整間隙 用于間歇工作、輕速輕載的場合2、剖分式 有直剖和斜剖兩種 注意定位止口 之間有墊片，磨損后可減薄墊片并刮瓦 應(yīng)用廣泛二、推力滑動軸承：略注意： 常見的推力軸承的軸頸形狀可產(chǎn)生動壓油膜的推力滑動軸

4、承12-3 軸瓦結(jié)構(gòu)及材料軸瓦直接與軸頸接觸，因而要求特別：要求：1）、摩擦系數(shù)小2）、導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小3）、耐磨、耐蝕、抗膠合能力強4）、要有足夠的機械強度和可塑性、嵌藏性。失效形式：據(jù)統(tǒng)計：因不干凈和有異物而導(dǎo)致故障的比例最大。1）、磨粒磨損2）、刮傷3）、膠合（咬粘）4）、疲勞剝落5）、腐蝕特別是銅鉛易腐蝕合金中的鉛， 一、軸瓦結(jié)構(gòu)整體式(又稱軸套)分為光滑軸套和帶縱向油槽軸套對開式分為厚壁軸瓦和薄壁軸瓦對薄壁軸瓦常切去0.30.5mm,以便調(diào)整間隙。軸瓦上要開出油溝應(yīng)開在非承載區(qū) 思考：如何防止相對于軸承座移動注意1軸承襯的問題。 有軸承襯則稱為雙金屬軸瓦軸瓦內(nèi)可附軸承襯；軸承襯

5、可用離心澆鑄法澆鑄；注意制出榫頭、凹溝或螺紋。注意2軸瓦上開油溝的問題。軸瓦上要開油溝以便實施潤滑。油溝要開在非承載區(qū)（上方）！油溝有多種形式。注意3軸瓦的定位問題。防止軸瓦相對于軸承座移動和轉(zhuǎn)動。防止沿軸向移動端部制出凸緣。防止在徑向轉(zhuǎn)動沖出定位唇（凸耳）、用緊定螺釘、用銷釘二、軸承材料指軸瓦和軸承襯所用的材料。1、常用材料1）、軸承合金（白合金、巴氏合金）由錫、鉛、銻、銅組成，減摩性、耐磨性、順應(yīng)性、嵌藏性、磨合性都很好，但價格貴、強度較低，故常作軸承襯材料，用于重載、中高速場合。分為兩類：錫銻軸承合金較好些，在110開始軟化。例：ZChSnSb11-6鉛銻軸承合金較脆，故用于中速、中載處

6、。例：ZChPbSb16-16-22）、青銅強度高、承載能力大、耐磨性與導(dǎo)熱性優(yōu)于軸承合金，可在250以下工作，但可塑性差，不易跑（磨）合。青銅可單獨做成軸瓦，或澆鑄在鋼或鑄鐵軸瓦內(nèi)壁上。可用：錫青銅用于中速重載。例如：ZCuSn10P1（10-1錫青銅）鉛青銅用于中速中載。例如：ZAlPb30（30鉛青銅）鋁青銅用于低速重載。例如：ZCuAl10Fe3（10-3鋁青銅）3）、其它材料鑄鐵(HT、QT等)價廉、輕載、低速時可用。粉末冶金材料銅、鐵石墨等粉末壓制、燒結(jié)而成，多孔(又稱含油軸承)，溫度升高時，油的膨脹系數(shù)較大些，故自動進入摩擦表面，加一次油可用較長的時間。適用于輕載、低速和加油不方

7、便處。非金屬材料如塑料、硬木、橡膠和石墨等。12-4 潤滑劑與潤滑方法仍為油潤滑劑、脂潤滑劑、固體潤滑劑幾類潤滑方法同前間歇式潤滑、連續(xù)潤滑、飛濺潤滑、壓力循環(huán)潤滑等.125 不完全液體潤滑滑動軸承的計算大多數(shù)軸承實際處在混合潤滑狀態(tài)（邊界潤滑與液體潤滑同時存在的狀態(tài)）。其可靠工作的條件是：維持邊界油膜不受破壞，以減少發(fā)熱和磨損（計算準(zhǔn)則），并根據(jù)邊界膜的機械強度和破裂溫度來決定軸承的工作能力。但影響邊界膜的因素很復(fù)雜采用簡化的條件性計算。一、徑向滑動軸承1、限制平均比壓P目的：避免在載荷作用下潤滑油被完全擠出，而導(dǎo)致軸承過度磨損 Mpa (12-1)p許用比壓Mpa, 查表12-2，與軸瓦材

8、料有關(guān)d、B軸頸直徑和寬度（mm）2、限制軸承的p、v值f、pv反映單位面積上的摩擦功耗與發(fā)熱，pv越高，軸承溫升越高，容易引起邊界膜的破裂目的，限制pv是控制軸承溫升，避免邊界膜的破裂。 Mpa. m/s (12-2)式中，n軸頸轉(zhuǎn)速 v軸頸圓周線速度m/s p.v軸承材料許用pv值，查表12-23、限制滑動速度v目的：當(dāng)p較小時，避免由于v過高而引起軸瓦加速磨損。 m/sv軸承材料的許用v值，見表12-2計算不滿足時可采取的措施；1）選用較好的軸瓦或軸承襯材料；2）增大d或B?；瑒虞S承的配合：H9/d9，H8/f7，H7/f6旋轉(zhuǎn)精度要求高的軸承，選擇較高的精度，較緊的配合 反之， 選擇較

9、低的精度，較松的配合二、推力滑動軸承推力軸承實心端面由于跑合時中心與邊緣磨損不均勻，愈近邊緣部分磨損愈快，空心軸頸和環(huán)狀軸頸可以克服此缺點。載荷很大時可以采用多環(huán)軸頸。1、限制軸承平均比壓p MpaFa軸向載荷（N）；d0，d止推環(huán)內(nèi)、外直徑（mm）；Z軸環(huán)數(shù)；考慮油槽使支承面積減小的系數(shù)，通常取=0.850.95；P許用比壓Mpa。查表12-6。2、限制軸承的pvm值 Mpa.m/sn軸頸轉(zhuǎn)速（r/min）止推環(huán)平均直徑（mm）vm止推環(huán)平均直徑處的圓周速度（m/s）pvp、vm的許用值，多環(huán)軸承，考慮受力不均，表12-6中p、v降低50%。動力潤滑的滑動軸承，（初步計算時也要驗算p、pv、

10、v）在起動和停車過程中往往處于混合潤滑狀態(tài)，因此，在設(shè)計液體動力潤滑軸承時，常用以上條件性計算作為初步計算。126 液體動力潤滑徑向滑動軸承的設(shè)計計算一、流體動力潤滑基本方程研究流體動力潤滑的基礎(chǔ)雷諾方程根據(jù)粘性流體動力學(xué)基本方程出發(fā)，作了一些假設(shè)條件后簡化而得的。假設(shè)條件是：1） 忽略壓力對潤滑油粘度的影響；2） 流體為粘性流體；3） 流體不可壓縮，并作層流；4） 流體膜中壓力沿膜厚方向是不變的；5） 略去慣性力和重力的影響。如圖12-12所示，兩平板被潤滑油隔開，移動件以速度v沿x方向滑動，另一平板靜止不動，設(shè)平板正方向尺寸為無窮大（流體沿Z方向無流動），從油層中取出長、寬、高分別為dx、

11、dy、dz的單元體進行力平衡分析單元體沿x方向受四個力，兩側(cè)向壓力：p、上下面剪切應(yīng)力為：及（）由x方向的力平衡條件，得化簡得： （12-6）牛頓粘性流體定律：代入上式得 （12-7）積分后得： （12-8）y=0時，u=v(油層隨移動件移動)；y=h(h為單元體處油膜厚度)時，u=0（油層隨靜止件不動）時，則得積分常數(shù)c1、c2。積分常數(shù)：； 代入式（12-8）得 （12-9）由上式可見，u由兩部分組成，式中前一項表示速度沿y成淺性分布，直接由剪切流引起，第二項表示速度沿y成拋物淺分布，是由油壓沿x方向變化而引起的。不計側(cè)漏，潤滑油沿x方向通過任一截面單位寬度的流量為 （a）設(shè)在p=pmax

12、處油膜厚度為h0（p=pmax處，時，h=h0），在該截面處流量為 （b）由于連續(xù)流動時流量不變，故得 （12-10）一維雷諾流體動力潤滑方程上式對x取偏導(dǎo)數(shù)可得 （12-11）若再考慮潤滑油沿Z方向的流動，則 （12-12）上式為二維雷諾流體動力潤滑方程式流體動力潤滑軸承的基本公式。二、油楔承載機理由中可看出油壓的變化與潤滑油的粘度、表面滑動速度和油膜厚度的變化有關(guān)，利用該式可求出油膜中各點的壓力p，全部油膜壓力之和即為油膜的承載能力。在油膜厚度h=h0左邊，hh0，即油壓隨x的增大而增大， 右邊，h0）由于速度低，軸頸與孔壁金屬直接接觸，在摩擦力作用下，軸頸沿孔內(nèi)壁向右上方爬開。2、不穩(wěn)定

13、運轉(zhuǎn)階段，隨n，進入油楔腔內(nèi)油逐漸增多，形成壓力油膜，把軸頸浮起推向左下方。（由圖b圖c）3、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段：油壓與外載F平衡時，軸頸部穩(wěn)定在某一位置上運轉(zhuǎn)。n越高，軸頸中心穩(wěn)定位置愈靠近軸孔中心。但當(dāng)兩心重合時，油楔消失，失去承載能力。四、徑向滑動軸承的幾何關(guān)系和承載能力1、幾何關(guān)系O軸頸中心，O1軸承中心，起始位置F與OO1重合，軸頸直徑-d，軸承孔直徑D直徑間隙： 半徑間隙：相對間隙：偏心距：偏心率：以O(shè)O1為極軸，任意截面處相對于極軸位置為，對應(yīng)油膜厚度為h，h0為pmax處油膜厚度，、壓力油膜起始角和終止角，其大小與軸承包角有關(guān)在中，根據(jù)余弦定律可得略去高階微量，再引入半徑間隙，并兩端

14、開方得整理得任取位置時油膜厚度為壓力最大處油膜厚度 (12-18)當(dāng)時，油膜最小厚度hmin （12-19）2、油膜承載能力根據(jù)一維雷諾方程式（12-10），將，及h和h0的表達式代入即得到極坐標(biāo)形式的雷諾方程為： （12-20）將上式從壓力區(qū)起始角至任意角進行積分，得任意極角處的壓力，即 （12-21）而壓力在外載荷方向上的分量為 （12-22）軸承單位寬度上的油膜承載能力 （12-23）理論上py乘軸承寬度B即得油膜承載能力，但考慮軸承為有限寬，存在端泄，沿軸承寬B壓力分布，引入修正系數(shù)A，考慮端泄的影響。在角和距軸承中線為Z處的油膜壓力 （12-24）Z距軸承寬中線的距離；A修正系數(shù)，與

15、相對偏心距x和寬徑比B/d有關(guān)油膜能承受的載荷為 （12-25）令則 （12-27） 或 V軸頸圓周線速度（m/s）；B軸承寬；動力粘度（Pa.S）；F外載；N；CF承載量系數(shù)查表12-7，數(shù)值積分方法求得。CF是軸頸在軸承中位置的函數(shù)CF取決于軸承包角，編心率x和寬徑比B/d一定時，CF、x、B/d，hmin越?。▁越大），B/d越大，CF越大，軸承的承載能力F越大。實際工作時，隨外載F變化hmin隨之變化，油膜壓力發(fā)生變化，最終油膜壓力使軸頸在新的位置上與外載保持新的平衡。3、最小油膜厚度hmin（保證流體動壓潤滑的條件）由上可知，hmin越小，偏心率x越大，軸承的承載能力就越大，但hmi

16、n受軸瓦和軸頸表面粗糙度的限制使之油膜不致破壞，hmin不能小于軸頸與軸瓦表面微觀不平度之和。油膜不致破壞的條件 （12-29）式中，RZ1，RZ2分別為軸頸表面和軸孔表面微觀不平度+點高度 S安全系數(shù)，考慮幾何形狀誤差和零件變形及安裝誤差等因素而取的安全系數(shù)，通常取S2RZ1，RZ2應(yīng)根據(jù)加工方法參考有關(guān)手冊確定。一般常取，式（2-29）加流體動力潤滑的三個基本條件，即成為形成流體動力潤滑的充分必要條件。五、軸承的熱平衡計算1、軸承中的摩擦與功耗由牛頓粘性定律： 和式（12-15），油層中摩擦力 （12-30）軸頸表面積摩擦系數(shù)： （12-31）特性系數(shù)，f是的函數(shù)。實際工作時摩擦力與摩擦系

17、數(shù)要稍大一些， f要修正隨軸承寬徑比B/d變化的系數(shù)，p軸承平均比壓；軸頸角速度，rad/s；潤滑油的動力粘度Pa.s相對間隙摩擦功耗引起軸承單位時間內(nèi)的發(fā)熱量HH=fF.V2、軸承耗油量進入軸承的潤滑油總流量QQ=Q1+Q2+Q3Q1m3/sQ1承載區(qū)端泄流量與p、油槽孔、尺寸、包角等軸承結(jié)構(gòu)尺寸因素有關(guān)，較難計算Q2非承載區(qū)端泄流量Q3軸瓦供油槽兩端流出的附加流量 不可忽略實際使用時引入耗油系數(shù)與偏心率x和寬徑比B/d關(guān)系曲線3、軸承溫升控制溫升的目的：工作時摩擦功耗熱量溫度間隙改變，使軸承的承載能力下降；另溫升過高會使金屬軟化發(fā)生抱軸事故，要控制溫升。熱平衡時條件：單位時間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱

18、量H等于同一時間內(nèi)端泄?jié)櫥退鶐ё邿崃縃和軸承散發(fā)熱量H2之和。H=H1+H2 （12-35）H1端泄帶走的熱量H1=QPCt W (12-36)Q端泄總流量，由耗油量系數(shù)求得，m3/s；P潤滑油的密度850950 kg/m3C潤滑油的比熱容礦物油C=16802100 J / (kg)t潤滑油的溫升，是油的出口t2與入口溫度t1之差值，即t=t2-t1單位時間內(nèi)軸承由軸頸和軸承殼體散發(fā)的熱量H2 （W）軸承表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，由軸承結(jié)構(gòu)和散熱條件而定 50W/（m2）輕型結(jié)構(gòu)軸承 80W/（m2）中型結(jié)構(gòu)，一般散熱條件 1400W/（m2）重型結(jié)構(gòu)，加強散熱條件熱平衡時：H=H1+H2，得將F=dB

19、.P代入得達熱平衡潤滑油的溫升 （12-39）由于軸承中各點溫度不同，從入口（t1）到出口（t2）溫度逐漸開高的，因而軸承中不同處潤滑油粘度不相同，計算承載能力時，采用潤滑油平均tm時的粘度。潤滑油平均溫度tm（計算時用）為保證承載要求tm(3545),表示熱平衡易建立，軸承的承載能力尚未充分發(fā)揮，則應(yīng)降低tm，并充許加大軸瓦和軸頸的表面粗糙度，再行計算。b)、若t180軸承易過熱失效，（措施）改變相對間隙和油的粘度重新計算直至t1、t2滿足要求為止。六、軸承參數(shù)選擇1、軸承的平均比壓P較大，有利于提高軸承平穩(wěn)性，減小軸承的尺寸但P過大，油層變薄，對軸承制造安裝精度要求提高，軸承工作表面易破壞

20、。按表12-1、表12-2選取2、寬徑比B/dB/d小，軸承軸向尺寸小，P大（運轉(zhuǎn)平穩(wěn)）端泄Q1摩擦功耗和，且能減輕軸頸與軸瓦邊緣接觸。但承載能力。高速重載軸承溫升高，B/d應(yīng)取小值（防止過高和邊緣接觸）低速重載軸承為提高支承剛性，B/d應(yīng)取大值高速輕載軸承為提高支承剛性，B/d應(yīng)取小值 0.30.8汽輪機、鼓風(fēng)機一般B/d= 0.61.2電動機、發(fā)電機、離心泵 0.81.5機床、拖拉機 0.60.9軋鋼機3、相對間隙對承載F、運轉(zhuǎn)精度，溫升有影響大Qb大小 但承載能力和運轉(zhuǎn)精度低且過大易紊流，功耗增大小易形成流體膜承載能力和運轉(zhuǎn)精度但過小，Q小，且加工困難（對軸頸和軸瓦表面粗糙度要求較高）。一般，按載荷和速度選：n越大，F(xiàn)越小，加工精度越差選越大n越低，F(xiàn)越大，加工精度越高，或B/d小，自位性能好選愈小。經(jīng)驗估算： （12-42）V軸頸