第11章 摩擦學(xué)設(shè)計(jì)-2

第11章摩擦學(xué)設(shè)計(jì)(2)

ⅪTribologyDesign

摩擦副作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于存在摩擦阻力，產(chǎn)生接觸表面間的磨損和功率損失。

磨損會(huì)降低機(jī)器的工作精度，而摩擦功轉(zhuǎn)化為熱量，使表面間的工作溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成摩擦面間的膠合。為了減少機(jī)器的磨損和發(fā)熱，保證機(jī)器安全運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)使用壽命和降低能源的消耗，摩擦副工作表面間需進(jìn)行潤(rùn)滑。使用經(jīng)驗(yàn)表明，潤(rùn)滑是減小摩擦副表面摩擦、降低磨損的最有效、最重要的手段和措施。11.4潤(rùn)滑和潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)11.4.1摩擦副間的基本潤(rùn)滑狀態(tài)1.摩擦副間的基本潤(rùn)滑狀態(tài)

摩擦副表面間的潤(rùn)滑可分為非流體潤(rùn)滑和流體潤(rùn)滑兩大類。

流體潤(rùn)滑是指在適當(dāng)條件下，摩擦副的兩摩擦表面被一層粘性流體潤(rùn)滑膜（厚度約為1.5～2μm以上）完全分開，有流體壓力平衡外載荷。由于兩摩擦表面不是直接接觸，當(dāng)兩表面相互滑動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的摩擦為潤(rùn)滑油分子之間的內(nèi)摩擦，因此摩擦系數(shù)很小，一般為0.001～0.008，從而有效地降低了磨損。此時(shí)，流體潤(rùn)滑的摩擦性質(zhì)完全決定于流體的粘性而與兩個(gè)摩擦表面的材料無關(guān)。所用的粘性流體可以是液體，如各類潤(rùn)滑油、水等，也可以是氣體，如空氣、氦、氫等，相應(yīng)地稱為液體潤(rùn)滑和氣體潤(rùn)滑。

流體潤(rùn)滑的主要優(yōu)點(diǎn)是：摩阻低，摩擦系數(shù)很小，一般為0.001～0.008(液體動(dòng)壓潤(rùn)滑)或更低(氣體潤(rùn)滑及靜壓潤(rùn)滑)，可以改善摩擦副的動(dòng)態(tài)性能并能有效地降低磨損。

依據(jù)流體潤(rùn)滑油膜壓力形成的方式不同，又將流體潤(rùn)滑分為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑和流體靜壓潤(rùn)滑兩類。

流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，系由摩擦表面間形成的收斂油楔和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由粘性流體產(chǎn)生的油膜壓力以平衡外載荷。

流體靜壓潤(rùn)滑，系由外部供油系統(tǒng)向摩擦表面間供給有一定壓力的流體，借助流體的靜壓力平衡外載荷。

非流體潤(rùn)滑是指在摩擦表面間用粉狀或薄膜狀固體進(jìn)行潤(rùn)滑。潤(rùn)滑膜為固體膜。常用的固體潤(rùn)滑劑有：層狀晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)（如石墨、二硫化鉬等）、非層狀無機(jī)物（如氧化鉛等）、金屬薄膜(如將鉛、錫、鋅等低熔點(diǎn)軟金屬做成的干膜潤(rùn)滑)、塑料（如聚四氟乙烯、尼龍等）、合成膜或化合膜等。

潤(rùn)滑的目的是在摩擦副表面之間形成低剪切強(qiáng)度的潤(rùn)滑膜，用它來減小摩擦阻力和降低表面材料磨損。潤(rùn)滑膜可以是由液體或氣體組成的流體膜或者固體膜。依據(jù)潤(rùn)滑膜的形成原理和特征，摩擦副表面間的潤(rùn)滑可以分為如下5種基本類型：

◆

流體動(dòng)壓潤(rùn)滑

◆

流體靜壓潤(rùn)滑

◆

彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑

◆

邊界潤(rùn)滑

◆干摩擦狀態(tài)這5種潤(rùn)滑類型的基本特征可見表11-9。表11-95種潤(rùn)滑類型的基本特征

潤(rùn)滑是減小摩擦和降低磨損的一種重要方法，它影響著摩擦副之間能量及表面材料的轉(zhuǎn)移。任何潤(rùn)滑現(xiàn)象的紊亂和失效，都會(huì)導(dǎo)致摩擦副表面的摩擦特性的改變，并發(fā)生有害的結(jié)果。因此，除了有必要研究各種潤(rùn)滑狀態(tài)的機(jī)理外，還應(yīng)了解潤(rùn)滑狀態(tài)的失效過程以及潤(rùn)滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)化及特性。一般來說，摩擦副間有下述幾種潤(rùn)滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)變：①由層流到紊流；②由完全的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑到部分流體動(dòng)壓潤(rùn)滑；③邊界保護(hù)膜的破裂；④發(fā)生強(qiáng)烈的金屬粘著。上述前兩種潤(rùn)滑現(xiàn)象的轉(zhuǎn)化很明顯，但后兩種潤(rùn)滑現(xiàn)象的轉(zhuǎn)化十分復(fù)雜，目前還正處研究中。2.潤(rùn)滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)化

潤(rùn)滑狀態(tài)曲線圖以摩擦系數(shù)f作縱坐標(biāo)，因?yàn)閒的大小可以說明不同的潤(rùn)滑狀態(tài)；用同Sommerfeld數(shù)性質(zhì)類似的ηV/W

作橫坐標(biāo)，因?yàn)榇藬?shù)可以說明潤(rùn)滑油膜具備多少承載能力（η為潤(rùn)滑油的粘度，V為兩個(gè)表面的相對(duì)速度，W為載荷）。制作該曲線圖時(shí)，為了消除溫度對(duì)粘度的影響，試驗(yàn)時(shí)采用25℃作為計(jì)算f的根據(jù)。圖11-8滑動(dòng)表面潤(rùn)滑狀態(tài)

在機(jī)器工作時(shí)，摩擦副表面的邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑和流體潤(rùn)滑等三種潤(rùn)滑狀態(tài)可以用潤(rùn)滑狀態(tài)曲線（或稱Stribeck曲線）來說明，見圖11-8。

圖中曲線表明，存在三種潤(rùn)滑區(qū)域：流體動(dòng)壓潤(rùn)滑區(qū)、混合潤(rùn)滑區(qū)（或稱部分流體動(dòng)壓潤(rùn)滑區(qū)）和邊界潤(rùn)滑區(qū)。

流體動(dòng)壓潤(rùn)滑是機(jī)器摩擦副工作表面最希望得到的潤(rùn)滑狀態(tài)。流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的基本方程是潤(rùn)滑膜壓力分布的微分方程，即雷諾（Reynold）方程。它是從粘性流體力學(xué)的基本方程出發(fā)，根據(jù)一定的簡(jiǎn)化假定而導(dǎo)出。為分析方便，現(xiàn)以兩塊相互傾斜的平板為分析對(duì)象，如圖11-9所示，兩板之間充滿潤(rùn)滑油，下板靜止，上板以速度U沿x方向勻速移動(dòng)。1.流體動(dòng)壓潤(rùn)滑原理11.4.2流體動(dòng)壓潤(rùn)滑原理及動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)(a)油楔(b)油膜中的微單元體圖11-9油楔承栽機(jī)理(動(dòng)壓分析)

上式是計(jì)算流體動(dòng)壓軸承性能的基本公式。它表達(dá)了流體動(dòng)壓潤(rùn)滑時(shí)，油膜壓力沿x和z（軸向）兩方向發(fā)生變化以及流速沿x方向發(fā)生變化時(shí)，壓力梯度、流速、油膜厚度、潤(rùn)滑油粘度等參數(shù)之間的關(guān)系。式中等號(hào)左邊部分的兩項(xiàng)表征沿x和z方向油膜壓力分布，如圖11-10所示。等號(hào)右邊表示了沿x方向上速度和油膜厚度變化的影響，即表明油楔作用。(11-16)式中，x、y、z為坐標(biāo)變量；U為平板沿x方向的移動(dòng)速度；h為潤(rùn)滑膜厚度；p為流體的壓力。假設(shè)：(1)潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)是層流；(2)潤(rùn)滑油沿z向沒有流動(dòng)；(3)油層為不可壓縮流體，粘度為常量、不隨壓力變化；(4)忽略油的慣性力和重力；(5)沿油膜厚度方向(y向)壓力變化忽略不計(jì)?？傻昧黧w潤(rùn)滑膜壓力分布的二維雷諾方程為

對(duì)于無限長(zhǎng)軸承（沿Z向的壓力變化率），上式(11-16)可簡(jiǎn)化為一維雷諾方程

對(duì)上式進(jìn)行積分并設(shè)處的油膜厚度為hm（即油壓最大處的油膜厚度），則上式可整理成以下形式：圖11-10動(dòng)壓滑動(dòng)軸承油膜壓力分布(11-17)

由式(11-18)可以看出，建立流體動(dòng)壓潤(rùn)滑必須滿足以下條件：(1)兩相對(duì)滑動(dòng)表面之間必須相互傾斜而形成收斂油楔；(2)兩滑動(dòng)表面應(yīng)具有一定的相對(duì)滑動(dòng)速度，并且其速度方向應(yīng)該使?jié)櫥蛷男ㄐ未罂诹魅耄瑥男】诹鞒?；在一定范圍?nèi)，油膜承載能力與滑動(dòng)速度成正比關(guān)系；(3)潤(rùn)滑油應(yīng)具有一定的粘度，粘度愈大，油膜承載能力也愈大。

上式稱為一維雷諾方程的積分表達(dá)式。為了區(qū)別，通常把式(11-17)稱為一維雷諾方程的微分表達(dá)式。利用式(11-18)可求得油膜壓力函數(shù)p(x)，再次積分就可求得油膜的承載能力P。(11-18)

上面討論了相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩平板間的油膜潤(rùn)滑。若將兩平板改成圓筒和圓柱，便構(gòu)成常見的徑向軸承。則可利用一維雷諾方程來計(jì)算圓柱體在圓筒中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的壓力分布。)的極角。圖11-11徑向動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的幾何關(guān)系2.液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算

如圖11-11所示，設(shè)D、R分別表示軸承孔的直徑和半徑；d、r分別表示軸頸的直徑和半徑；B為軸承寬度。則徑向動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的幾何參數(shù)有：

1)徑向滑動(dòng)軸承的幾何參數(shù)圖11-11徑向動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的幾何關(guān)系

(1)軸承寬徑比B/d（或B/D）；(2)半徑間隙c＝R－r＝(D－d)/2；(3)相對(duì)間隙ψ＝c/r；(4)偏心距e=(5)偏心率ε=e/c；(6)最小油膜厚度(7)偏位角θ(圖11-11)；(8)任一極角

處的油膜厚度h：在△OO’M中，根據(jù)余弦定理，有整理上式并略去高次微量

，得(11-19)

(9)最大油膜壓力處的油膜厚度，為最大油膜壓力處（）的極角。

2)動(dòng)壓徑向滑動(dòng)軸承的承載能力

將一維雷諾方程(11-17)或(11-18)改成極坐標(biāo)式（使，）并進(jìn)行求解，就可得到任意剖面極角位置的油膜壓力分布。當(dāng)用數(shù)值計(jì)算方法求解雷諾方程得到p分布后，沿油膜作用區(qū)域積分，可求得壓力的合力在x、y方向上的分量

Fx、Fy。

以圖11-12所示的180°圓柱形徑向滑動(dòng)軸承為例，取微分弧面積，其上的作用力為(見圖11-12b)，該力在x方向的分量為沿、z方向積分可求得作用在軸頸上油膜壓力合力的水平分量為

(11-20)

圖11-12徑向滑動(dòng)軸承承載能力計(jì)算簡(jiǎn)圖同理，可求得作用在軸頸上油膜壓力合力的沿垂直方向的分量為(11-21)因載荷F通常是垂直向下作用的，故Fy=F；由于水平方向無載荷作用，故Fx=0。采用數(shù)值積分的方法可在計(jì)算機(jī)上對(duì)Fy進(jìn)行求解。為了便于不同尺寸、不同參數(shù)的滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般則用無量綱形式的軸承承載能力來表達(dá)，其表達(dá)式為

通常，Cp稱為軸承的承載系數(shù)，它是一個(gè)無量綱量要由式(11-23)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值積分求得。徑向滑動(dòng)軸承的承載系數(shù)

Cp與偏心率ε、軸承寬徑比

B/d的關(guān)系曲線示于圖11-13。(11-23)因Fy=F，故(11-24)圖11-13承載系數(shù)與偏心率的關(guān)系曲線3)潤(rùn)滑油流量

對(duì)于如圖11-9所示的兩塊相互傾斜平板的油楔，當(dāng)下板靜止，上板以速度U沿x方向勻速移動(dòng)，且潤(rùn)滑油是層流流動(dòng)，根據(jù)牛頓粘滯定理以及油膜中微單元體的力平衡條件和楔形板的邊界條件，可得油膜中油層速度沿油膜厚度h分布的表達(dá)式為(11-25)

由上式可見，u

由兩部分組成：第一項(xiàng)表示速度呈二次拋物線分布（見圖11-14），它是反映油膜中壓力的變化，是由于油膜受到擠壓而引起的，稱為壓力流；第二項(xiàng)表示速度呈線性分布（圖11-14中的虛直線所示），這是直接由平板的移動(dòng)引起的，與壓力無關(guān)，稱為剪切流。油膜中實(shí)際速度分布是壓力流和剪切流的疊加，如圖11-14中的實(shí)線所示。圖11-14收斂油楔中的油層速度分布

根據(jù)速度分布可求出潤(rùn)滑油的流量。油膜在單位時(shí)間內(nèi)沿x方向流徑任何截面上單位寬度(z向)面積的體積流量為

上式表示了沿

x方向的流量

qx

由兩部分組成：其中項(xiàng)是由剪切流引起的流量；項(xiàng)是由壓力梯度引起的流量。(11-26)

充足的供油量是保證液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承為液體潤(rùn)滑狀態(tài)的必要條件之一。供油的目的，一是為了補(bǔ)充軸承從兩端部泄走的端泄流量，二是為了通過泄走的油將軸承所產(chǎn)生的部分摩擦熱帶走，以防止軸承過熱。對(duì)于有限寬軸承，油膜承載區(qū)起點(diǎn)的進(jìn)油量Qi應(yīng)等于終點(diǎn)流出收斂油楔的流量與端泄流量Qs之和(圖11-15)。進(jìn)油量Qi

可利用式(11-26)求得。若軸承為非壓力供油，則非承載區(qū)的端泄很小可忽略不計(jì)；若為壓力供油，由于軸承寬度中間油孔所供的油與外界有壓力差，故也產(chǎn)生端泄流量Q’s（圖11-15）。因此，軸承工作中的總耗油量Q為(11-27)圖11-15徑向滑動(dòng)軸承中的耗油量

對(duì)于非壓力供油，Q’s=0。在滑動(dòng)軸承實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程上提供了承載系數(shù)Cp與耗油量系數(shù)CQ的關(guān)系曲線圖。耗油量系數(shù)CQ被定義為

180°圓柱形有限寬徑向滑動(dòng)軸承的耗油量系數(shù)CQ

與軸承承載系數(shù)Cp、寬徑比B/d的關(guān)系圖可見圖11-16。設(shè)計(jì)時(shí)，從圖中查出CQ

的值后，由上式(11-28)便可計(jì)算出耗油量Q的值。(11-28)圖11-16承載系數(shù)Cp與耗油量系數(shù)CQ的關(guān)系4)摩擦阻力及阻力系數(shù)

液體動(dòng)壓潤(rùn)滑時(shí)，作用在軸頸表面上的切向摩擦阻力是液體的粘性阻力。液體作層流流動(dòng)時(shí)單位面積上的剪切阻力τ按牛頓粘滯定律為在軸頸表面上，因y=0，故

作用在軸頸上的摩擦阻力Ff為(11-29)式中導(dǎo)數(shù)du/dy可由式(11-25)求得，于是上式可寫為

根據(jù)定義，摩擦系數(shù)為(11-31)稱為軸承的阻力系數(shù)，它與承載系數(shù)

Cp的關(guān)系可見圖11-17。圖11-17阻力系數(shù)Cf與承載系數(shù)Cp的關(guān)系

5)軸承溫升

為了防止軸承工作時(shí)溫度過高，軸承設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行軸承的熱平衡計(jì)算，即計(jì)算油膜的溫升。根據(jù)熱平衡的概念，單位時(shí)間內(nèi)軸承所產(chǎn)生的熱量應(yīng)等于同時(shí)間內(nèi)潤(rùn)滑油所帶走的熱量與通過軸承表面所散去的熱量之和。即(11-32)式中，fFU

為單位時(shí)間內(nèi)壓力油膜中所產(chǎn)生的摩擦熱量，單位為W；

為單位時(shí)間內(nèi)壓力潤(rùn)滑油經(jīng)摩擦區(qū)域兩端流出時(shí)帶走中熱量，單位為W；為單位時(shí)間內(nèi)通過軸承金屬表面散于周圍介質(zhì)的熱量，單位為W；其中：f為摩擦系數(shù)；F為軸承載荷，N；

U為軸頸圓周速度，m/s；

C為潤(rùn)滑油的比熱，礦物油為1675-2090J/(kg·℃)；

ρ為潤(rùn)滑油的密度，礦物油為850～900kg/m3；

Q為潤(rùn)滑油的耗油量，m3/s；

△t為潤(rùn)滑油的溫升(℃)，△t=tc－ti，tc為潤(rùn)滑油出油溫度(℃)；

ti為潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度(℃)；

αs

為軸承的散熱系數(shù)，根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境狀況，一般可在50～140W/(m3·℃)范圍內(nèi)選取；

△t1

為軸承表面溫度與周圍介質(zhì)溫度之差，近似地等于△t。由上式可求得軸承潤(rùn)滑油的溫升為(℃)(11-33)(1)軸承寬徑比B/d：

它與軸承的承載能力及溫升有關(guān)。

寬徑比小，則端泄流量大、摩擦功耗小，軸承溫升低，但承載能力也低；寬徑比大，雖然軸承承載能力高，但功耗大、溫升高，同時(shí)由于寬徑比的增大，則對(duì)軸的剛度及軸承的制造和安裝精度要求較高，以避免發(fā)生軸承的“邊緣接觸”。一般而言，對(duì)液體摩擦徑向滑動(dòng)軸承常取B/d=0.8～1.5，對(duì)自位軸承最大可取到4。常見機(jī)器的軸承B/d值如下：透平發(fā)電機(jī)軸承0.8～1.8；機(jī)床主軸軸承0.8～1.2；汽油發(fā)動(dòng)機(jī)軸承0.4～1.2；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)軸承0.5～1.5；電動(dòng)機(jī)軸承1.0～2.0；鐵路車輛軸承1.5～4.0。

軸承相對(duì)間隙對(duì)軸承的承載能力、溫升和回轉(zhuǎn)精度等有著重要影響。6)動(dòng)壓滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)中的參數(shù)選擇(2)相對(duì)間隙

一般情況下，值可按下面經(jīng)驗(yàn)公式估取。(11-34)(3)潤(rùn)滑油的粘度η

潤(rùn)滑油的粘度η對(duì)軸承的承載能力、功率損失和溫升等影響較大。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸承載荷、轉(zhuǎn)速和機(jī)器對(duì)潤(rùn)滑總的要求選取潤(rùn)滑油的品種和粘度，具體參見教材表格或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。通常，對(duì)重載、低速軸承應(yīng)選用粘度大的潤(rùn)滑油；對(duì)輕載、高速軸承應(yīng)選用粘度小的潤(rùn)滑油。

(4)軸承最小油膜厚度

hmin為保證軸承能正常工作，要通過驗(yàn)算來保證hmin≥[h]=k（Rz1+Rz2）。其中，[h]為許用油膜厚度；k為安全系數(shù)，一般取k=2～3；Rz1、Rz2分別為軸頸、軸瓦表面的粗糙度值。(3)潤(rùn)滑油的粘度潤(rùn)滑油的粘度常取為35～45℃(最高不超過50℃)，一般控制75℃。(6)軸承平均壓強(qiáng)p軸承平均壓強(qiáng)p的選擇主要取決于機(jī)器類型與軸承材料。通常，平均壓強(qiáng)p取得大一些，能縮小軸承尺寸，并能使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；但過大時(shí)會(huì)使油膜變薄，從而提高了對(duì)潤(rùn)滑油性能和對(duì)軸承加工及安裝質(zhì)量的要求，并易于損壞軸承工作表面；平均壓強(qiáng)p過小會(huì)加大軸承尺寸，且在高速下還可能因偏心率很小，使軸承工作的穩(wěn)定性變壞。

軸承工作時(shí)，油膜各處的溫度是不同的，通常認(rèn)為軸承溫度等于油膜的平均溫度

tm。(5)軸承溫度

一般平均溫度tm介于進(jìn)油溫度ti和出油溫度tc之間。故取軸承溫度tm=ti+k△t，通常取系數(shù)k=0.8，ti常取為35～45℃（最高不超過50℃），一般控制tm≤75℃。

(6)軸承平均壓強(qiáng)

p

軸承平均壓強(qiáng)

p的選擇主要取決于機(jī)器類型與軸承材料。通常，平均壓強(qiáng)

p取得大一些，能縮小軸承尺寸，并能使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；但過大時(shí)會(huì)使油膜變薄，從而提高了對(duì)潤(rùn)滑油性能和對(duì)軸承加工及安裝質(zhì)量的要求，并易于損壞軸承工作表面；平均壓強(qiáng)

p過小會(huì)加大軸承尺寸，且在高速下還可能因偏心率很小，使軸承工作的穩(wěn)定性變壞。

(1)對(duì)軸承材料性能的要求

軸瓦和軸承襯的材料統(tǒng)稱為軸承材料。

滑動(dòng)軸承的主要失效形式是磨損和膠合（或稱燒瓦），由于強(qiáng)度不足而出現(xiàn)的疲勞損壞和由于工藝原因而出現(xiàn)的軸承襯脫落等現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。因此，對(duì)軸承材料性能的要求是：①足夠的強(qiáng)度。②良好的減摩性、耐磨性、耐蝕性和抗膠合性。所謂減摩性是指材料具有較低的摩擦阻力的性質(zhì)。所謂耐磨性是指材料抵抗磨料磨損和膠合磨損的性質(zhì)。③良好的適應(yīng)性、包括順應(yīng)性、嵌入性和磨合性。所謂順應(yīng)性是指軸承材料依靠表面的彈塑性變形補(bǔ)償對(duì)中誤差和順應(yīng)其它幾何誤差的能力。7)滑動(dòng)軸承的材料

所謂嵌入性是指軸承材料嵌藏污物和外來微粒以減輕刮傷或磨料磨損軸頸的能力。所謂磨合性是指軸承材料經(jīng)短期輕載運(yùn)轉(zhuǎn)后能減小表面粗糙度而使軸瓦表面和軸頸表面相互吻合的性質(zhì)。④良好的導(dǎo)熱性，熱膨脹系數(shù)小。⑤良好的加工工藝性。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按軸承的具體情況及經(jīng)濟(jì)性原則綜合考慮，針對(duì)其主要的要求去選用適宜的軸承材料。

(2)滑動(dòng)軸承的常用材料

滑動(dòng)軸承材料可分為三大類：

1)金屬材料：如軸承合金、青銅、鋁基合金、鋅基合金、減摩鑄鐵等；

2)粉末冶金材料：如含油軸承；

3)非金屬材料：如塑料、橡膠、硬木等。這些滑動(dòng)軸承常用材料的型號(hào)、性能及應(yīng)用詳見11.3節(jié)。

1.潤(rùn)滑油

在工業(yè)機(jī)器設(shè)備中，廣泛使用著各種潤(rùn)滑油。其目的是通過它來降低兩摩擦表面的摩擦、磨損和傳遞摩擦產(chǎn)生的熱量，從而降低表面溫度。不同的工況、不同的機(jī)械設(shè)備應(yīng)采用不同型號(hào)的潤(rùn)滑油。

工業(yè)潤(rùn)滑油通常由基礎(chǔ)油和添加劑組成。

基礎(chǔ)油分為礦物油（97％）及合成油（3％）兩大類。11.4.3潤(rùn)滑材料

潤(rùn)滑材料是用來降低摩擦副表面的摩擦、磨損或表面損傷的材料或介質(zhì)。

常用的潤(rùn)滑材料有液體、固體、半固體和氣體等幾類。它們分別以流體潤(rùn)滑膜、吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜和粘附在摩擦副表面上的固體膜或涂層起潤(rùn)滑作用。

①粘度：是液體潤(rùn)滑劑抵抗變形的能力，它標(biāo)志著液體的內(nèi)摩擦阻力的大小。

潤(rùn)滑油的粘度是選用潤(rùn)滑油時(shí)確定油牌號(hào)的主要依據(jù)。

②油性：是潤(rùn)滑油在邊界摩擦?xí)r，所形成的潤(rùn)滑油膜對(duì)摩擦表面的吸附性能。

潤(rùn)滑油的油性取決于潤(rùn)滑油的化學(xué)組織，通常動(dòng)植物油的油性比礦物油的油性要好。在相同條件下，油性好的潤(rùn)滑油其潤(rùn)滑效果較好。

③閃點(diǎn)：當(dāng)油在標(biāo)準(zhǔn)儀器中加熱所蒸發(fā)出的油氣，一遇火焰即能發(fā)出閃光的最低溫度，稱為油的閃點(diǎn)。這是衡量油的易燃性的一種尺度，對(duì)在高溫下工作的機(jī)器，它是潤(rùn)滑油的一個(gè)十分重要的指標(biāo)。

④凝點(diǎn)：是指潤(rùn)滑油在規(guī)定條件下，不能再自由流動(dòng)時(shí)所達(dá)到的最高溫度。它是潤(rùn)滑油在低溫下工作的一個(gè)重要指標(biāo)。直接影響到機(jī)器在低溫下的起動(dòng)性能和磨損情況。

(1)潤(rùn)滑油的幾種主要性能指標(biāo)為了保證不同機(jī)械設(shè)備的良好潤(rùn)滑性能，工業(yè)生產(chǎn)的潤(rùn)滑油種類很多，現(xiàn)介紹其最主要幾類如下：

①發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油。主要用來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的三大摩擦副：即氣缸-活塞及活塞環(huán)、曲軸軸頸-軸承、凸輪-挺桿進(jìn)行潤(rùn)滑。

②齒輪潤(rùn)滑油。主要用于齒輪傳動(dòng)工作時(shí)齒面間的潤(rùn)滑與冷卻。

③液壓油。液壓油的主要作用是傳遞液壓能，其次是潤(rùn)滑、冷卻、防銹、減震等作用。液壓油應(yīng)具有良好的濕粘特性、潤(rùn)滑性、抗氧安定性、抗乳化性、抗泡性、防銹性、防火性以及較高的清潔性。原國(guó)標(biāo)GB2512-81將液壓油分為兩大類系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)和液力系統(tǒng)。(2)工業(yè)潤(rùn)滑油的種類

④汽輪機(jī)潤(rùn)滑油。汽輪機(jī)潤(rùn)滑油主要用于蒸汽渦輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水力渦輪機(jī)及發(fā)電機(jī)的軸承潤(rùn)滑及冷卻。

⑤汽缸潤(rùn)滑油。氣缸潤(rùn)滑油用于往復(fù)式蒸氣軌、蒸汽往復(fù)泵、蒸汽錘等直接與蒸汽接觸時(shí)，主要潤(rùn)滑汽缸、活塞、配汽機(jī)構(gòu)等摩擦副零件表面。汽缸油可分為飽合汽缸油和過熱汽缸油等兩大類多規(guī)格。

⑥壓縮機(jī)潤(rùn)滑油。壓縮機(jī)潤(rùn)滑油用于潤(rùn)滑、密封、冷卻氣體壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件。壓縮機(jī)油又分為活塞式（往復(fù)式）壓縮機(jī)潤(rùn)滑油和回轉(zhuǎn)式(透平)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油兩大系列多種規(guī)格。

⑦冷凍機(jī)潤(rùn)滑油。冷凍機(jī)潤(rùn)滑油主要是用來潤(rùn)滑冷凍機(jī)的壓縮機(jī)。冷凍機(jī)潤(rùn)滑油應(yīng)具有良好的低溫性能，具有較低的凝點(diǎn)，同時(shí)也應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼扯纫约傲己玫幕瘜W(xué)安定性。冷凍機(jī)潤(rùn)滑油不能隨意用其它潤(rùn)滑油代替。

⑧機(jī)械油。機(jī)械油通常用于工作溫度在50~60℃以下的普通機(jī)械的潤(rùn)滑。常用潤(rùn)滑油的牌號(hào)、性質(zhì)及其用途見表11-10。

表11-10常用潤(rùn)滑油的性質(zhì)及用途

潤(rùn)滑脂是在潤(rùn)滑油中加入稠化劑所制成的半固體膠性物質(zhì)。常用的稠化劑是脂肪酸金屬皂。皂中所含的基礎(chǔ)金屬為鈣、鋰、鈉、鋇或鋁，相應(yīng)地稱它們?yōu)殁}基皂、鋰基皂等。為了改善和提高潤(rùn)滑脂的性能指標(biāo)，還可根據(jù)需要添加各種添加劑。

潤(rùn)滑脂的主要性能指標(biāo)如下。

①滴點(diǎn)。滴點(diǎn)是表示潤(rùn)滑脂由膠態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，是潤(rùn)滑脂的耐熱性指標(biāo)。滴點(diǎn)越高，耐熱性就越好，潤(rùn)滑脂允許的潤(rùn)滑脂也越高。一般取潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑脂低于該脂的滴點(diǎn)20～30℃。

潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)主要取決于稠化劑的種類和含量。

②稠度。稠度是用來表示潤(rùn)滑脂的軟硬度，亦即反映潤(rùn)滑脂在外力作用下變形的程度，變形程度大表示脂軟，反之則硬。潤(rùn)滑脂的稠度相當(dāng)于潤(rùn)滑油的粘度。衡量稠度的指標(biāo)是用針入度值，即采用針入度計(jì)來測(cè)定。2.潤(rùn)滑脂(1)潤(rùn)滑脂的幾種主要性能指標(biāo)

③機(jī)械安定性。機(jī)械安定性是指潤(rùn)滑脂在使用中抵抗機(jī)械破壞的能力。

測(cè)定潤(rùn)滑脂的機(jī)械安定性的方法常采用滾筒試驗(yàn)法。該法是采用針入度計(jì)測(cè)定潤(rùn)滑脂在進(jìn)入滾筒試驗(yàn)前后的針入度值之差來表示脂的機(jī)械安定性。(2)潤(rùn)滑脂的選用常用潤(rùn)滑脂的牌號(hào)、性質(zhì)及其用途見表11-11。表11-11常用潤(rùn)滑脂的主要性質(zhì)和其用途

固體潤(rùn)滑劑是指在摩擦副表面間用固體粉狀、薄膜或復(fù)合材料代替潤(rùn)滑油脂進(jìn)行潤(rùn)滑，以達(dá)到減少表面間摩擦、磨損的目的。目前，常用的固體潤(rùn)滑劑的主要種類有:

(1)層狀晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，如石墨、二硫化鉬、氮化硼等；

(2)非層狀無機(jī)物，如氧化鉛等；

(3)金屬薄膜，如將鉛、錫、鋅等低熔點(diǎn)軟金屬作成干膜潤(rùn)滑；

(4)塑料，如聚四氟乙烯、尼龍等；

(5)合成膜或化合膜等。幾種常用固體潤(rùn)滑劑的特點(diǎn)及應(yīng)用見表11-12。3.固體潤(rùn)滑劑表11-12幾種常用固體潤(rùn)滑劑的特點(diǎn)及應(yīng)用正確地選用潤(rùn)滑方式和潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)保證潤(rùn)滑劑的輸送、分配、調(diào)節(jié)和檢查，以及對(duì)提高機(jī)械設(shè)備的工作性能和使用壽命起著重要的作用。

1.潤(rùn)滑方式機(jī)械設(shè)備中常用的潤(rùn)滑方式及裝置有如下幾種：(1)手工加油（或脂）潤(rùn)滑。

(2)滴油潤(rùn)滑。該潤(rùn)滑方式是利用油的自重向潤(rùn)滑部位滴油進(jìn)行潤(rùn)滑，主要用于滑動(dòng)及滾動(dòng)軸承、齒輪、鏈條及滑動(dòng)導(dǎo)軌上。常用的滴油潤(rùn)滑裝置是針閥滴油油杯。

(3)飛濺（油池）潤(rùn)滑。該潤(rùn)滑方式主要用在閉式齒輪傳動(dòng)及曲軸軸承等處。它依靠旋轉(zhuǎn)的機(jī)件或附加在軸上的甩油盤、甩油片等，將油池中的油濺散或帶到潤(rùn)滑部位。該潤(rùn)滑方式只能用于封閉的機(jī)構(gòu)。11.4.3潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(4)油環(huán)或油鏈潤(rùn)滑。這種潤(rùn)滑方式只能用于水平安裝的軸，如機(jī)床、電機(jī)、風(fēng)扇等的主軸軸承的潤(rùn)滑。它依靠套在軸上的油環(huán)油鏈將油從油池中帶到潤(rùn)滑部位。

(5)油繩、油墊潤(rùn)滑。

(6)機(jī)械強(qiáng)制送油潤(rùn)滑。這種潤(rùn)滑方式主要用于機(jī)床、鍛壓設(shè)備和一些內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)的主軸承上。它是利用裝在油池上的小型柱塞泵通過機(jī)械或電機(jī)的帶動(dòng)，從油池中的把油壓向潤(rùn)滑點(diǎn)。

(7)油霧潤(rùn)滑。這種潤(rùn)滑方式主要用在高速滾動(dòng)軸承及密閉的齒輪、鏈條等部件上。油霧潤(rùn)滑的原理是利用壓縮空氣通過噴嘴把潤(rùn)滑油噴出，將其霧化后再送入摩擦副表面，并讓其在飽和狀態(tài)下析出，使摩擦表面上粘附一薄層油膜而起潤(rùn)滑作用。

(8)集中潤(rùn)滑。

(9)壓力循環(huán)潤(rùn)滑。

對(duì)于滑動(dòng)軸承，可依據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式來選擇潤(rùn)滑方式：

(11-35)式中，K為平均載荷系數(shù)；pm為軸頸上的平均壓強(qiáng)，，N/mm2；F為軸承載荷，N；D為軸承直徑，mm；B為軸承寬度，mm；v為軸頸圓周線速度，m/s。

當(dāng)K≤2時(shí)，采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑；當(dāng)K＞2～16時(shí)，采用滴油潤(rùn)滑，可用針閥油杯供油；當(dāng)K＞16～32時(shí)，采用油環(huán)等連續(xù)供油潤(rùn)滑；當(dāng)K＞32時(shí)，應(yīng)采用壓力循環(huán)潤(rùn)滑。

潤(rùn)滑系統(tǒng)可分為以下幾種:

(1)循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)；

(2)集中潤(rùn)滑系統(tǒng)；

(3)噴霧潤(rùn)滑系統(tǒng)；

(4)浸油與飛濺潤(rùn)滑系統(tǒng)；

(5)油和脂的消耗系統(tǒng)等。對(duì)于油霧潤(rùn)滑、集中潤(rùn)滑、循環(huán)潤(rùn)滑都要通過潤(rùn)滑系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑劑的輸配、調(diào)節(jié)、冷卻、凈化和檢查等。

設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)機(jī)械設(shè)備各部分的潤(rùn)滑要求作全面分析，盡量減少潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑裝置的類別，在保證主要部件的良好潤(rùn)滑條件下，兼顧其它潤(rùn)滑點(diǎn)的潤(rùn)滑。其次，應(yīng)使?jié)櫥瑒┑墓┙o連續(xù)、均勻及油量充足。此外，應(yīng)使?jié)櫥到y(tǒng)供給的潤(rùn)滑油保持清潔，以免潤(rùn)滑油中微屑損失摩擦副表面。為此，除加強(qiáng)系統(tǒng)本身的密封，防止微屑進(jìn)入外，還可加入過濾裝置。2.潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系統(tǒng)使用的基本裝置如下：

1)油箱。在潤(rùn)滑系統(tǒng)中，油箱用以儲(chǔ)存全部潤(rùn)滑油，散熱、冷卻潤(rùn)滑油，沉淀油中雜質(zhì)、水分和分離油中所含氣泡。

油箱的形狀和容量應(yīng)根據(jù)使用要求來決定。通常油箱應(yīng)容納每分鐘通過潤(rùn)滑系統(tǒng)油量的3～7倍；大型機(jī)械的潤(rùn)滑系統(tǒng)有時(shí)取10～20倍；對(duì)于精密機(jī)械的潤(rùn)滑系統(tǒng)甚至取50倍。

2)油泵。油泵在潤(rùn)滑系統(tǒng)中起將潤(rùn)滑油壓輸?shù)礁鳚?rùn)滑部位的作用。油泵的選擇應(yīng)根據(jù)潤(rùn)滑系統(tǒng)所需油壓、流量、潤(rùn)滑油性質(zhì)、工作溫度