摩擦、十二章滑動(dòng)軸承.ppt

第三章 摩擦、磨損和潤(rùn)滑,3-1 摩擦,1）在外力作用下，一物體相對(duì)另一物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其法向力引起兩物體接觸面產(chǎn)生切向力，這種現(xiàn)象稱為摩擦，這種切向力稱為摩擦力。,2）存在于兩物體表面間的摩擦稱為外摩擦。,3）流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于分子間相互作用產(chǎn)生粘剪力，這種存在于流體內(nèi)部的摩擦稱為內(nèi)摩擦。,4）按照兩表面的潤(rùn)滑狀況，摩擦分為：,干摩擦邊界摩擦流體摩擦流體潤(rùn)滑混合摩擦,一、干摩擦,不加潤(rùn)滑劑時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面直接接觸，這樣產(chǎn)生的摩擦稱為干摩擦。,摩擦力的大?。?摩擦力大小可表示為：,二、邊界摩擦,兩表面加入潤(rùn)滑油后，不滿足流體動(dòng)壓條件或動(dòng)壓力較低、油膜較薄時(shí)，在金屬表面只形成一層邊界膜（物理吸附膜或化學(xué)反應(yīng)膜）。這種摩擦狀態(tài)稱為邊界摩擦。,三、液體摩擦（流體潤(rùn)滑）,當(dāng)兩摩擦表面被流體（液體或氣體）完全隔開時(shí)，摩擦表面不會(huì)產(chǎn)生金屬間的直接摩擦，流體層間的粘剪阻力就是摩擦力，這種摩擦稱為液體摩擦。,實(shí)現(xiàn)液體摩擦有 下列三種方法:,1.流體動(dòng)壓潤(rùn)滑,2.彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑,考慮了接觸區(qū)彈性變形和壓力對(duì)接觸區(qū)潤(rùn)滑油粘度的影響的動(dòng)壓潤(rùn)滑稱為彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑(彈流潤(rùn)滑)。,兩表面的距離 稱為平均油膜厚度。接觸區(qū)的出口處油膜變薄,這種現(xiàn)象稱為“頸縮”,此處兩表面距離 稱為最小油膜厚度。,3.流體靜壓潤(rùn)滑,用油泵將潤(rùn)滑油經(jīng)過節(jié)流器以所需要壓力注入被潤(rùn)滑表面的油室,再由油室的封油邊流回油箱。,四、混合摩擦,當(dāng)動(dòng)壓潤(rùn)滑條件不具備，且邊界膜遭破壞時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)流體摩擦、邊界摩擦和干摩擦同時(shí)存在的現(xiàn)象，這種摩擦狀態(tài)稱為混合摩擦。,3-2 磨損,運(yùn)動(dòng)副表面材料不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。,單位時(shí)間內(nèi)材料的磨損量（體積、重量、厚度等） 稱為磨損率。,零件的磨損過程大致可分為三個(gè)階段。,1.跑和磨損階段,2.穩(wěn)定磨損階段,3.劇烈磨損階段,根據(jù)磨損機(jī)理可將磨損分為:,1.粘著磨損,2.磨粒磨損,3.疲勞磨損,4.沖蝕磨損,5.腐蝕磨損,3-2 磨損,3-3 潤(rùn)滑劑和添加劑,潤(rùn)滑劑是潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂和固體潤(rùn)滑劑的總稱,一、潤(rùn)滑油的粘度,潤(rùn)滑油的粘度反映了潤(rùn)滑油在外力作用下抵抗剪切變形的能力，也是內(nèi)磨擦力大小的標(biāo)志。,剪切應(yīng)力與流體沿y方向速度的梯度成正比，即,定義為流體的粘度。上式稱為牛頓流體粘性定律,凡符合此定律的流體稱為牛頓流體,否則稱為非牛頓流體。,1.動(dòng)力粘度,圖示,長(zhǎng)、寬、高各為1m的流體，如果使立方體頂面流體層相對(duì)底面流體層產(chǎn)生1m/s的運(yùn)動(dòng)速度，所需要的外力F為1N時(shí)，則流體的粘度為1Ns/m，叫做“帕秒”，常用Pas表示。用這種方法定義的粘度為動(dòng)力粘度。,粘度的表示方法,流體的動(dòng)力粘度與同溫度下的密度的比值,稱為 運(yùn)動(dòng)粘度:,恩氏粘度是相對(duì)粘度的一種,它是用200ml的粘性流體,在給定的溫度t下流經(jīng)一定直徑和長(zhǎng)度的毛細(xì)管所需的時(shí)間,與同體積蒸餾水在20時(shí)流經(jīng)相同毛細(xì)管所需時(shí)間的比值來(lái)衡量流體的粘性。 恩氏粘度用 表示。,2.運(yùn)動(dòng)粘度,運(yùn)動(dòng)粘度的單位是cm/s叫做“斯”,常用St表示。,3.相對(duì)粘度,1.粘溫特性,二、潤(rùn)滑油的粘溫特性和粘壓特性,潤(rùn)滑油的粘度隨溫度變 化的指數(shù)關(guān)系:,2.潤(rùn)滑油的粘壓特性,粘度和壓力的關(guān)系近似表 示為:,三、潤(rùn)滑油的其它特性,1.油性,2.閃點(diǎn)和燃點(diǎn),3.凝點(diǎn),4.極壓性,5.酸值,四、潤(rùn)滑脂及其主要性能,在潤(rùn)滑油中加入適量的稠化劑，加熱后混合均勻，冷卻成為潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑脂的性能指標(biāo)主要有針入度、滴點(diǎn)、析油量、機(jī)械雜質(zhì)、灰分、水分等。,（1）針入度,（2）滴點(diǎn),五、固體潤(rùn)滑劑,六、添加劑,第十二章 滑動(dòng)軸承,12-1 概述,滑動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu),一、滑動(dòng)軸承的分類,按滑動(dòng)軸承工作時(shí)軸瓦和軸頸表面間呈現(xiàn)的摩擦狀態(tài)，滑動(dòng)軸承可分為:,液體摩擦軸承,非液體摩擦軸承,液體動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承,液體靜壓潤(rùn)滑軸承,按滑動(dòng)軸承承受載荷的方向可分為:,徑向滑動(dòng)軸承,推力滑動(dòng)軸承,二、滑動(dòng)軸承的特點(diǎn)和應(yīng)用,非液體摩擦滑動(dòng)軸承：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。損耗較大。液體摩擦軸承的特點(diǎn)有：,（1）在高速重載下能正常工作，壽命長(zhǎng)。,（2）精度高。,（3）滑動(dòng)軸承可做成剖分式的，能滿足特殊結(jié)構(gòu)的需要。,（4）液體摩擦軸承具有很好的緩沖和阻尼作用，可以吸 收震動(dòng)，緩和沖擊。,（5）滑動(dòng)軸承的徑向尺寸比滾動(dòng)軸承的小。,（6）起動(dòng)摩擦阻力較大。,12-2 滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)形式,一、徑向滑動(dòng)軸承,1.整體式徑向滑動(dòng)軸承,整體式軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,磨損后間隙過大時(shí)無(wú)法調(diào)整;軸頸只能從軸承端部安裝和拆卸。,2.剖分式徑向滑動(dòng)軸承,剖分式徑向滑動(dòng)軸承裝拆方便,還可以通過增減剖分面上的調(diào)整墊片的厚度來(lái)調(diào)整間隙。,二、推力滑動(dòng)軸承,推力軸承由軸承座和推力軸頸組成,12-3 軸瓦的材料和結(jié)構(gòu),軸承材料指的是軸瓦材料,滑動(dòng)軸承的失效形式主要是軸瓦的膠合和磨損,一、對(duì)軸瓦材料的要求,（1）有足夠的疲勞強(qiáng)度,（2）有足夠的抗壓強(qiáng)度,（3）有良好的減磨性和耐磨性,（4）具有較好的抗膠合性,（5）對(duì)潤(rùn)滑油要有較好的吸附能力,（6）有較好的適應(yīng)性和嵌藏性,（7）良好的導(dǎo)熱性,（8）經(jīng)濟(jì)性、加工工藝性好,軸瓦的應(yīng)用,彈塑瓦滑動(dòng)軸承應(yīng)用,彈塑瓦推力滑動(dòng)軸承應(yīng)用,彈塑瓦徑向滑動(dòng)軸承應(yīng)用,二、常用的軸瓦材料及其性質(zhì),軸瓦材料可分為三類： 金屬材料、粉末冶金材料和非金屬材料,金屬材料包括軸承合金、青銅、黃銅、鋁合金和鑄鐵,（1）軸承合金,軸承合金又稱白金或巴氏合金,錫基軸承合金，如ZChSnSb10-6，ZChSnSb8-4,鉛基軸承合金，如ZChPbSb16-16-2，ZChPbSb15-15-3,這兩種軸承合金都有較好的跑合性、耐磨性和抗膠合性。但軸承合金強(qiáng)度不高，價(jià)格很貴。,在鋼或銅制成的軸瓦內(nèi)表面上澆注一層軸承合金，這層軸承合金稱軸承襯，鋼或銅制成的軸瓦機(jī)體稱瓦背。,（2）青銅,抗膠合能力僅次于軸承合金，強(qiáng)度較高,鑄錫磷青銅,鉛青銅,鋁青銅,（3）黃銅,（4）鋁合金,（5）鑄鐵,（6）粉末冶金材料,（7）軸承塑料,三、軸瓦結(jié)構(gòu),軸瓦的瓦背和軸承襯的聯(lián)接形式見下表,整體式軸瓦,軸瓦和軸承一般采用過盈配合,剖分式軸瓦,為了向摩擦表面間加注潤(rùn)滑 劑,在軸承上方開設(shè)注油孔,為了向摩擦表面輸送和分布潤(rùn)滑劑,在軸瓦內(nèi)面開有油溝,整體式,剖分式,液體摩擦軸承的油溝應(yīng)開在非承載區(qū),周向油溝應(yīng)靠近軸承的兩端。,對(duì)某些載荷較大的軸承,在軸瓦內(nèi)開有油室,值大表明摩擦功大,溫升大,邊界膜易破壞,其限制條件為:,12-4 非液體摩擦軸承的計(jì)算,一、非液體摩擦徑向滑動(dòng)軸承的計(jì)算,1.驗(yàn)算壓強(qiáng),壓強(qiáng)P 過大可能使軸瓦產(chǎn)生塑性變形而破壞邊界膜, 且一旦出現(xiàn)干摩擦狀態(tài)則加速磨損。應(yīng)保證壓強(qiáng)不超過允許值p,即,MPa,2.驗(yàn)算 值,MPam/s,3.驗(yàn)算速度,對(duì)于跨度較大的軸,m/s,二、非液體摩擦推力滑動(dòng)軸承的計(jì)算,1.驗(yàn)算壓強(qiáng),MPa,2.驗(yàn)算 值,三、非液體摩擦徑向滑動(dòng)軸承的配合,12-5 液體動(dòng)壓形成原理及基本方程,液體摩擦軸承分為:,流體動(dòng)壓軸承,流體靜壓軸承,徑向軸承,推力軸承,軸頸和軸承兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間完全被一層油膜所分開,一、流體動(dòng)壓潤(rùn)滑形成原理,1.基本假設(shè),(1) 兩板間流體作層流運(yùn)動(dòng);,(2) 兩板間流體為牛頓流體,其粘度只隨溫度變化, 忽略壓力對(duì)粘度的影響,且流體不可壓縮;,(3) 與兩板M、N相接觸的流體層與板間無(wú)滑動(dòng)出現(xiàn);,（4）流體的重力和流動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力可以略去;,（5）由于間隙很小，壓力沿y方向大小不變;,（6）平板沿Z方向無(wú)限長(zhǎng)，所以流體沿Z方向無(wú)流動(dòng)。,2.流體動(dòng)壓力的形成及承載原理,從層流運(yùn)動(dòng)的油膜中取一微單元體進(jìn)行分析,可得,此式說(shuō)明壓力沿x方向的變化率與速度梯度沿y方向 的變化率成正比。,流體動(dòng)壓力的形成和壓力油膜承載原理,靠運(yùn)動(dòng)表面帶動(dòng)粘性流體以足夠的速度流經(jīng)收斂形間隙時(shí),流體內(nèi)所產(chǎn)生壓力叫流體動(dòng)壓力,間隙內(nèi)具有動(dòng)壓力的油層稱為流體動(dòng)壓油膜,3.形成流體動(dòng)壓的條件,形成流體動(dòng)壓的必要條件是:,(1)流體必須流經(jīng)收斂間隙,而且間隙傾角越大則產(chǎn)生的油膜壓力越大。,(2)流體必須有足夠速度,(3)流體必須是粘性流體,二、流體動(dòng)壓基本方程,將此式變形 并積分，得,此式稱為一維流體動(dòng)壓基本方程，也叫 一維雷諾方程,12-6 液體動(dòng)壓徑向滑動(dòng)軸承的計(jì)算,一、徑向滑動(dòng)軸承的工作過程,二、徑向滑動(dòng)軸承的幾何參數(shù)及其基本方程的形式,1）幾何參數(shù),此式即為動(dòng)壓徑向滑動(dòng)軸承的基本方程,三、承載系數(shù)和最小油膜厚度計(jì)算,影響最小油膜厚度的因素很多，可以用一個(gè)表示這些因素綜合影響的無(wú)量綱數(shù)承載量系數(shù),對(duì)（12-8）積分整理得沿垂直方向的總油膜力:,2）基本方程形式,軸承穩(wěn)定工作時(shí),外載荷 和總油膜力和垂直分量P相平衡,即,（12-10）,由式（12-10）可得,（12-11）,設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)長(zhǎng)徑比L/d用式(12-11)計(jì)算 ,然后由滑動(dòng)軸承 圖查得 ，再由下式計(jì)算得 。,最小油膜厚度必須滿足,四、滑動(dòng)軸承的熱平衡計(jì)算,在熱平衡狀態(tài)，對(duì)于非壓力供油的徑向滑動(dòng)軸承有,軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算就是選擇合適的參數(shù)，使軸承的最小油膜厚度（ ）滿足式（12-12），使溫升（ ）在規(guī)定的范圍。,作用在軸頸上的徑向載荷 ，軸頸直徑 和軸的轉(zhuǎn)數(shù) ，以及軸承的工作條件等。,五、耗油量和摩擦功率,（1）耗油量,（2）摩擦功率,W,六、滑動(dòng)軸承主要參數(shù)和選擇,在液體摩擦滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)中已知條件通常是：,1.軸承長(zhǎng)頸比L/d的選擇,2.相對(duì)間隙和軸承配合的選擇,選擇的經(jīng)驗(yàn)公式為,3.潤(rùn)滑油的選擇及粘度的確定,4.最小油膜厚度許用值的確定,七、滑動(dòng)軸承摩擦特性曲線,12-7 多油楔動(dòng)壓軸承簡(jiǎn)介,一、多油楔滑動(dòng)軸承,當(dāng)軸承具有一個(gè)壓力區(qū)時(shí)稱單油楔軸承,橢圓軸承,擺動(dòng)油楔軸承,三油楔軸承,二、多油楔推力軸承,根據(jù)瓦塊固定與否，分為固定瓦和擺動(dòng)瓦推力軸承,12-8 潤(rùn)滑劑與潤(rùn)滑裝置,一、滑動(dòng)軸承用潤(rùn)滑劑的選擇,1.液體摩擦軸承用潤(rùn)滑油的選擇,(1)重載有沖擊時(shí)的選擇較高的粘度;,(2)高速、輕載時(shí)選擇較低的粘度,非液體摩擦軸承有的用潤(rùn)滑油,有的用潤(rùn)滑脂。這要用系數(shù)K來(lái)估計(jì),當(dāng) 時(shí)可選用潤(rùn)滑脂來(lái)潤(rùn)滑, 時(shí)則需用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑,二、潤(rùn)滑方式及潤(rùn)滑裝置,潤(rùn)滑方式有連續(xù)潤(rùn)滑和間歇潤(rùn)滑,注油器,針閥式油杯,用潤(rùn)滑脂時(shí)，一般采用間歇式潤(rùn)滑。用潤(rùn)滑油時(shí)，對(duì)于小型、低速或間歇運(yùn)動(dòng)的機(jī)器也可采用間歇式潤(rùn)滑。,比較重要的軸承應(yīng)當(dāng)采用連續(xù)潤(rùn)滑方式，常用的連續(xù)潤(rùn)滑有以下幾種：,滴油潤(rùn)滑,油杯潤(rùn)滑,浸油潤(rùn)滑,飛濺潤(rùn)滑,壓力循環(huán)潤(rùn)滑,油芯式油杯,油杯潤(rùn)滑,研究型課組一,1）“齒輪傳動(dòng)”接觸強(qiáng)度的講解是從赫茲公式解決 高副接觸問題展開； “滑動(dòng)軸承”液體動(dòng)壓的講解，是從雷諾方程解 決低副潤(rùn)滑問題展開。,一、幾點(diǎn)討論,兩類接觸兩種算法,兩個(gè)章節(jié)之間有哪些內(nèi)在聯(lián)系？,2）經(jīng)典雷諾理論曾否認(rèn)點(diǎn)、線接觸副有油膜存在的可能性；經(jīng)典赫茲理論在齒面線接觸問題中，也沒有涉及潤(rùn)滑油膜問題。但是，人們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)“潤(rùn)滑良好的重載齒輪經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后其工作齒面仍保留著原原有的加工刀痕”。,3）上世紀(jì)60年代，赫茲理論與雷諾理論終于成功地結(jié) 合起來(lái)應(yīng)用于齒輪接觸潤(rùn)滑問題。,這一現(xiàn)象說(shuō)明了什么？,研究者們創(chuàng)新出什么理論？,由公式可看出，它只注重高副（點(diǎn)、線接觸）彈性條件下，接觸壓力PH與接觸應(yīng)力H的分布狀態(tài)問題，并未考慮潤(rùn)滑油的受壓與流動(dòng)狀態(tài)及其在高副中所起的作用問題。,赫茲公式被用來(lái)解決高副接觸強(qiáng)度問題。它是根據(jù)完全彈性體的靜態(tài)接觸條件得出的。通常被用來(lái)作為點(diǎn)、線接觸副的設(shè)計(jì)依據(jù)。,雷諾方程被用來(lái)解決低副接觸潤(rùn)滑問題。它通過對(duì)低副接觸潤(rùn)滑假設(shè)、邊界條件建立、微元體分析、平衡式求出，最后應(yīng)用流量連續(xù)條件推導(dǎo)出普遍意義的方程。,但由于雷諾方程是在低副條件下導(dǎo)出的，對(duì)于高副情況，其部分假設(shè)條件及數(shù)值計(jì)算關(guān)系都已發(fā)生了變化。若不改變假設(shè)條件或簡(jiǎn)化方法，仍按經(jīng)典雷諾理論進(jìn)行分析、計(jì)算，就會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際完全不符的結(jié)果。這也是經(jīng)典雷諾理論曾否認(rèn)點(diǎn)、線接觸副有油膜存在的主要原因之一。,二、研究歷程,。接觸壓力將使表面產(chǎn)生彈性變形，從而使接觸表面曲率半徑增大并使油膜增厚。,所以，馬丁方程只適用輕載齒輪剛性接觸問題，若用它計(jì)算重載條件下的齒間油膜厚度，將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。,1）1916年馬?。∕artin）對(duì)雷諾方程進(jìn)行了數(shù)值 計(jì)算，推導(dǎo)出齒輪接觸面間油膜厚度方程：,但他忽略了重載引起的兩個(gè)關(guān)鍵問題:,。接觸區(qū)內(nèi)很高的壓力將使?jié)櫥偷恼扯瘸杀对?加，從而使油膜厚度也顯著增加。,但由于格魯賓只考慮到油膜入口區(qū)的情況，沒有對(duì)出口區(qū)的赫茲壓力分布和變形進(jìn)行修正。所以，它還不能滿足流量連續(xù)條件。,3）1959年，道森Dowson和希金森Higginson 獲得了使流體動(dòng)壓分布同彈性變形相協(xié)調(diào) 的數(shù)值解，并應(yīng)用于齒輪傳動(dòng)。,道森公式計(jì)算的是出口區(qū)（頸縮區(qū)）的油膜厚度，它適用于重載時(shí)彈性接觸的齒輪，并使計(jì)算 值與實(shí)測(cè)值更為接近。至此，道森的研究進(jìn)一步完善了齒輪彈性流體潤(rùn)滑理論。,4）1967年，道森提出適用于彈性變粘條件下 的道森油膜厚度公式,基于此，道森對(duì)經(jīng)典赫茲圖形進(jìn)行了大膽地修正，同時(shí)推導(dǎo)出適用于彈性變粘條件下的著名齒輪油膜厚度公式。,維持流量連續(xù)的唯一途徑是出口區(qū)表面彈性變形趨于恢復(fù)，即間隙減小形成頸縮。由于存在頸縮，其相應(yīng)的位置上必將出現(xiàn)二次壓力峰道森,5）1972年特里Tallian提出齒輪的