第9章滑動軸承工作能力設(shè)計

第9章滑動軸承工作能力設(shè)計§9-1滑動軸承概述§9-2滑動軸承的失效形式及常用材料§9-3混合潤滑滑動軸承的工作能力設(shè)計§9-4流體動壓滑動軸承的工作能力設(shè)計2/2/20231分類滾動軸承軸承的功用：用來支承軸及軸上零件?；瑒虞S承優(yōu)點多，應(yīng)用廣用于高速、高精度、重載、結(jié)構(gòu)上要求剖分等場合。1．能承擔(dān)一定的載荷，具有一定的強度和剛度。2．具有小的摩擦力矩，使回轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動靈活。3．具有一定的支承精度，保證被支承零件的回轉(zhuǎn)精度。一、軸承的基本要求二、軸承的分類按摩擦性質(zhì)分按受載方向分按潤滑承載機理分徑向滑動軸承推力滑動軸承液體動壓潤滑滑動軸承液體靜壓潤滑滑動軸承9.1概述2/2/20232組成：軸承座、軸套或軸瓦等。油杯孔軸承1)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。應(yīng)用：低速、輕載或間歇性工作的機器中。2)因磨損而造成的間隙無法調(diào)整。3)只能從沿軸向裝入或拆。(1)整體式徑向滑動軸承軸承座特點：2/2/20233將軸承座或軸瓦分離制造，兩部分用聯(lián)接螺栓。剖分式向心滑動軸承螺紋孔軸承座軸承蓋聯(lián)接螺栓剖分軸瓦(2)剖分式徑向滑動軸承特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以調(diào)整因磨損而造成的間隙，安裝方便。應(yīng)用場合：低速、輕載或間歇性工作的機器。榫口剖分式徑向滑動軸承斜剖分式徑向滑動軸承2/2/20234對開式徑向滑動軸承軸承座剖分軸瓦聯(lián)接螺栓螺紋孔剖分面軸承蓋2/2/20235為了安裝時容易對中，剖分面上制有階梯形的定位止口，軸承上部油孔中的小油管亦有止轉(zhuǎn)作用。軸瓦磨損后，可用更換剖分面墊片或重新刮瓦的方法來調(diào)整軸承間隙。剖分式軸承裝拆方便，應(yīng)用較廣。2/2/20236（3）自動調(diào)心式對于寬徑比較大的滑動軸承（L/D＞1.5），為避免因軸的撓曲或軸承孔的同軸度較低而造成軸與軸瓦端部邊緣產(chǎn)生局部接觸（左圖），使軸瓦邊緣產(chǎn)生局部磨損，可采用自動調(diào)心滑動軸承（右圖），其軸瓦外表面制成球面，當(dāng)軸頸傾斜時，軸瓦自動調(diào)心。2/2/20237對開式調(diào)心軸承凸球面瓦背凹球面支承面整體軸套軸承襯2/2/20238對開式調(diào)心軸承凸球面瓦背凹球面支承面整體軸套軸承襯2/2/20239作用：用來承受軸向載荷推力滑動軸承結(jié)構(gòu)形式：空心式---軸頸接觸面上壓力分布較均勻，潤滑條件比實心式要好。單環(huán)式---利用軸頸的環(huán)形端面止推，結(jié)構(gòu)簡單，潤滑方便，廣泛用于低速、輕載的場合。多環(huán)式---不僅能承受較大的軸向載荷，有時還可承受雙向軸向載荷。各環(huán)間載荷分布不均，其單位面積的承載能力比單環(huán)式低50%。2/2/202310三、滑動軸承的應(yīng)用領(lǐng)域(特點:課本P197)1.工作轉(zhuǎn)速特高和特重載的軸承，汽輪發(fā)電機，水輪發(fā)電機；2.要求對軸的支承位置特別精確的軸承，如精密磨床；3.承受巨大沖擊和振動載荷的軸承，如破碎機；4.根據(jù)裝配要求必須做成剖分式的軸承，如曲軸軸承；6.在特殊條件下（如水中、或腐蝕介質(zhì)）工作的軸承，如艦艇螺旋槳推進器的軸承；5.軸承處徑向尺寸受到限制時，可采用滑動軸承。如多輥軋鋼機。2/2/2023119.2滑動軸承的材料(一)軸承材料性能的要求(課本P198)1)減摩性----材料副具有較低的摩擦系數(shù)。2)耐磨性----材料的抗磨性能，通常以磨損率表示。3)抗膠合----材料的耐熱性與抗粘附性。4)摩擦順應(yīng)性----材料通過表層彈塑性變形來補償軸承滑動表面初始配合不良的能力。5)嵌入性----材料容納硬質(zhì)顆粒嵌入，從而減輕軸承滑動表面發(fā)生刮傷或磨粒磨損的性能。6)磨合性----軸瓦與軸頸表面經(jīng)短期輕載運行后，形成相互吻合的表面形狀和粗糙度的能力。軸承材料是指在軸承結(jié)構(gòu)中直接參與摩擦部分的材料，如軸瓦和軸承襯的材料。此外還應(yīng)有足夠的強度和抗腐蝕能力、良好的導(dǎo)熱性、工藝性和經(jīng)濟性。2/2/202312能同時滿足這些要求的材料是難找的，但應(yīng)根據(jù)具體情況主要的使用要求。工程上常用澆鑄或壓合的方法將兩種不同的金屬組合在一起，性能上取長補短。軸承襯滑動軸承材料金屬材料非金屬材料軸承合金銅合金鋁基軸承合金鑄鐵多孔質(zhì)金屬材料工程塑料碳—石墨橡膠木材常用軸承材料2/2/2023131)軸承合金（白合金、巴氏合金）錫基合金―以錫為軟基體，內(nèi)含錫或銅硬顆粒鉛基合金―以鉛為軟基體，內(nèi)含錫或銅硬顆粒巴氏合金的優(yōu)點：耐磨性、順應(yīng)性、嵌藏性好巴氏合金（也稱為軸承合金）的缺點：強度低2）銅合金錫青銅―ZQSn10-1、ZQSn6-6-3等；鉛青銅―ZQPb30等；鋁青銅―ZQAl9-4等。銅合金既可做軸瓦，也可做軸承襯3）鋁基軸承合金鋁基軸承合金：有相當(dāng)好的耐腐蝕合和較高的疲勞強度，摩擦性能也較好。在部分領(lǐng)域取代了較貴的軸承合金與青銅。2/2/2023144)灰鑄鐵和耐磨鑄鐵：用于不重要、低速輕載軸承和不受沖擊。含油軸承：用粉末冶金法制作的軸承，具有多孔組織，可存儲潤滑油?？捎糜诩佑筒环奖愕膱龊稀?)多孔質(zhì)金屬材料橡膠軸承：具有較大的彈性，能減輕振動使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可用水潤滑。常用于潛水泵、沙石清洗機、鉆機等有泥沙的場合。工程塑料：具有摩擦系數(shù)低、可塑性、跑合性良好、耐磨、耐腐蝕、可用水、油及化學(xué)溶液等潤滑的優(yōu)點。缺點：導(dǎo)熱性差、膨脹系數(shù)大、容易變形。為改善此缺陷，可作為軸承襯粘復(fù)在金屬軸瓦上使用。6)非金屬材料碳--石墨：是電機電刷常用材料，具有自潤滑性，用于不良環(huán)境中。木材：具有多孔結(jié)構(gòu)，可在灰塵極多的環(huán)境中使用。2/2/202315常用金屬軸承材料性能注：1.[pV]為不完全液體潤滑下的許用值。2．性能比較：1~5依次由佳到差。2/2/202316常用金屬軸承材料性能注：1.[pV]為不完全液體潤滑下的許用值。2．性能比較：1~5依次由佳到差。2/2/2023171.失效形式與設(shè)計準則工作狀態(tài)：因采用潤滑脂、油繩或滴油潤滑，由于軸承得不到足夠的潤滑劑，故無法形成完全的承載油膜，工作狀態(tài)為邊界潤滑或混合摩擦潤滑。失效形式：溫升或疲勞產(chǎn)生的磨損。設(shè)計準則：保證邊界膜不破裂。因邊界膜強度與溫度、軸承材料、軸頸和軸承表面粗糙度、潤滑油供給等有關(guān)，目前尚無精確的計算方法，但一般可作條件性計算。校核內(nèi)容：2．驗算摩擦發(fā)熱pv≤[pv]，限制軸承溫升；3．驗算滑動速度v≤[v]，限制加速磨損。p，pv的驗算都是平均值?？紤]到軸瓦不同心，受載時軸線彎曲及載荷變化等的因素，局部的p或pv可能不足，故應(yīng)校核滑動速度v。fpv是摩擦力，限制pv即間接限制摩擦發(fā)熱。1．驗算平均壓力p≤[p]，限制過度磨損；9.3混合潤滑滑動軸承的工作能力設(shè)計2/2/2023182.混合潤滑徑向滑動軸承的工作能力設(shè)計已知條件：外加徑向載荷F(N)、軸頸轉(zhuǎn)速n(r/mm)及軸頸直徑d(mm)

驗算及設(shè)計：1)驗算軸承的平均壓強p(限制過度磨損)2)驗算摩擦熱(限制軸承溫升)v—軸頸圓周速度，m/s；B----軸承寬度，d----軸頸直徑，[p]----許用壓強Fdn[pv]—軸承材料的許用值。n—軸速度，m/s；3)驗算滑動速度v(限制加速磨損)[v]—軸頸圓周速度的許用值2/2/2023193.推力滑動軸承的工作能力設(shè)計≤[p]多環(huán)軸承考慮承載的不均勻性，v為推力軸頸平均直徑上的圓周速度，[p]、[pv]應(yīng)降低20-30%。Fd1d2已知條件：外加徑向載荷F(N)、軸頸轉(zhuǎn)速n(r/mm)

1)根據(jù)軸向載荷和工作要求，選擇軸承結(jié)構(gòu)尺寸和材料；2)驗算平均壓強(限制過度磨損)；3)驗算pv值(為限制軸承的溫升)z--推力環(huán)數(shù)2/2/202320推力滑動軸承的[p]、[pv]2/2/202321例題9.1處于邊界潤滑狀態(tài)的徑向滑動軸承，徑向外載荷為3.0kN，軸頸的轉(zhuǎn)速為1000r/min，工作溫度最高為130℃，軸頸允許的最小直徑為65mm。試設(shè)計此軸承。解：（1）初取軸承的內(nèi)徑D=75mm。（3）軸承的工作能力計算：（2）設(shè)軸承的寬徑比B/D=1，則軸承的寬度B=D=75mm。1）平均壓強的計算2）速度計算3）pv值計算

2/2/2023224）查表9.1根據(jù)計算的工作參數(shù)可選擇錫青銅，牌號為ZCuSn10P1。其相應(yīng)的最大許用值為：＜＜＜軸承的工作能力滿足要求。2/2/202323FFFF先分析平行板的情況。板B靜止，板A以速度向左運動，板間充滿潤滑油，無載荷時，液體各層的速度呈三角形分布，近油量與處油量相等，板A不會下沉。但若板A有載荷時，油向兩邊擠出，板A逐漸下沉，直到與B板接觸。如兩板不平行板。板間間隙呈沿運動方向由大到小呈收斂楔形分布，且板A有載荷，當(dāng)板A運動時，兩端速度若程虛線分布，則必然進油多而出油少。由于液體實際上是不可壓縮的，必將在板內(nèi)擠壓而形成壓力，迫使進油端的速度往內(nèi)凹，而出油端的速度往外鼓。進油端間隙大而速度曲線內(nèi)凹，出油端間隙小而速度曲線外凸，進出油量相等，同時間隙內(nèi)形成的壓力與外載荷平衡，板A不會下沉。這說明了在間隙內(nèi)形成了壓力油膜。這種因運動而產(chǎn)生的壓力油膜稱為動壓油膜。各截面的速度圖不一樣，從凹三角形過渡到凸三角形，中間必有一個位置呈三角形分布。v

v

vvh1aah2ccvvh0bbF1.流體動壓潤滑的機理兩平形板之間不能形成壓力油膜！

動壓油膜----因運動而產(chǎn)生的壓力油膜。潘存云教授研制F9.4流體動壓滑動軸承的工作能力設(shè)計2/2/202324流體動力潤滑基本方程的建立為了得到簡化形式的流體動力平衡方程（Navier－Stokes方程），作如下假設(shè)：▲流體的流動是層流;▲忽略壓力對流體粘度的影響;▲略去慣性力及重力的影響，故所研究的單元體為靜平衡狀態(tài)或勻速直線運動，且只有表面力作用于單元體上；▲流體是不可壓縮的；▲流體中的壓力在各流體層之間保持為常數(shù)。B實際上粘度隨壓力的增高而增加；即層與層之間沒有物質(zhì)和能量的交換；VAxzy▲流體滿足牛頓定律，即；2/2/202325uyxzz21212/2/202326uyxz對微單元油膜求x方向的平衡方程，得：整理后得：任意一點的油膜壓力p沿x方向的變化率，與該點y向的速度梯度的導(dǎo)數(shù)有關(guān)。2/2/202327又有：對z積分得：邊界條件：當(dāng)z=0時，u=uh當(dāng)z=h時，u=0,則積分常數(shù)C1、C2分別為:代入得,通過任意截面單位寬度面積的體積流量為：得：；任意截面內(nèi)的流量：2/2/202328vvFaaccxzy依據(jù)流體的連續(xù)性原理，通過不同截面的流量是相等的b-b截面內(nèi)的流量：該處速度呈三角形分布，間隙厚度為h0負號表示流速的方向與x方向相反，因流經(jīng)兩個截面的流量相等，故有：---一維雷諾方程由上式可得壓力分布曲線:p=f(x)在b-b處：h=h0，p=pmax速度梯度du/dy呈線性分布，其余位置呈非線性分布。流量相等，陰影面積相等。液體動壓潤滑的基本方程，它描述了油膜壓力p的變化與動力粘度、相對滑動速度及油膜厚度h之間的關(guān)系。pmaxxph0bb得：2/2/202329由一維雷諾方程可得出形成流體動壓潤滑油膜壓力的基本條件：（1）潤滑油要具有一定的粘度。（2）兩摩擦表面要具有一定的相對滑動速度。（3）相對滑動的表面要形成收斂的楔形間隙。uhh＞h0h＜h0h＞h0h＜h0h=h0速度分布zh1h0h2x（4）有足夠充足的供油量。2/2/202330▲軸承的孔徑D和軸頸的直徑d名義尺寸相等；直徑間隙Δ是公差形成的?！S頸上作用的液體壓力與F相平衡，在與F垂直的方向，合力為零?！S頸最終的平衡位置可用φa和偏心距e來表示。▲軸承工作能力取決于hlim，它與η、ω、Δ和F等有關(guān)，應(yīng)保證hlim≥[h]。F∑Fy=F∑Fx≠0∑Fy=F∑Fx=0徑向滑動軸承動壓油膜的形成過程：靜止→爬升→將軸起抬轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高→質(zhì)心左移→穩(wěn)定運轉(zhuǎn)達到工作轉(zhuǎn)速e----偏心距eφahlim2流體動壓徑向滑動軸承的主要幾何參數(shù)2/2/202331初始狀態(tài)穩(wěn)定工作狀態(tài)Foo1Fhminoo1ae△Fo1odD2/2/202332流體動壓徑向滑動軸承的主要幾何關(guān)系2)定義:

χ＝e/δ

為偏心率3)最小油膜厚度：

hmin=δ－e＝δ(1-χ)=rψ(1-χ)直徑間隙：Δ＝D－d半徑間隙：δ＝R－r1)相對間隙：ψ＝δ/r＝R-r/r

hmineφah0設(shè)軸孔半徑為：R,r直徑為：

D，d，偏心距:

e

偏位角：φahDd4)承載區(qū)內(nèi)任意處的油膜厚度h2/2/202333o1Pmaxoβθ5）偏位角θ和軸承包角β徑向滑動軸承穩(wěn)定工作時，徑向外載荷

F與軸承孔和軸頸中心連心線之間的夾角θ稱為偏位角

F軸承包角β一般為120°和180°φe2/2/202334滑動軸承常見失效形式1)磨粒磨損----進入軸承間隙的硬顆粒有的隨軸一起轉(zhuǎn)動，對軸承表面起研磨作用。5)刮傷----進入軸承間隙的硬顆粒或軸徑表面粗糙的微觀輪廓尖峰，在軸承表面劃出線狀傷痕。2)膠合----當(dāng)瞬時溫升過高，載荷過大，油膜破裂時或供油不足時，軸承表面材料發(fā)生粘附和遷移，造成軸承損傷。4)疲勞剝落----在載荷得反復(fù)作用下，軸承表面出現(xiàn)與滑動方向垂直的疲勞裂紋，擴展后造成軸承材料剝落。3)腐蝕----潤滑劑在使用中不斷氧化，所生成的酸性物質(zhì)對軸承材料有腐蝕，材料腐蝕易形成點狀剝落。3流體動壓徑向滑動軸承的工作能力設(shè)計其它失效形式:氣蝕、流體侵蝕、電侵蝕、微動磨損★前三項為主要失效形式。2/2/202335對于有限寬度軸承，油膜的總承載能力為承載量系數(shù)Cp，計算很困難，工程上可查表確定。dDFyz

B

設(shè)計準則：保證軸承具有一定承載能力的同時嚴格控制溫升。η—潤滑油的動力粘度，Pa·s；ω—軸頸的角速度，rad/s。CP

—承載系數(shù)承載系數(shù)CP越大，承載能力越大。1）承載量的設(shè)計2/2/202336有限寬度滑動軸承的承載量系數(shù)Cp注意：

1.Cp是軸頸在軸承中的位置函數(shù)，其值與包角a、相對偏心率χ和寬徑比B/d有關(guān)，是一個無量綱的量。2.由表可見：最小油膜厚度hmin↓，相對偏心率χ↑，承載能力F↑。2/2/2023372）最小油膜厚度動力潤滑軸承的設(shè)計應(yīng)保證：

≥[h]其中：[h]=S(Rz1+Rz2)S——安全系數(shù)，常取S≥2。一般軸承可取為3.2μm和6.3μm，1.6μm和3.2μm。重要軸承可取為0.8μm和1.6μm，或0.2μm和0.4μm。Rz1、Rz2——分別為軸頸和軸承孔表面粗糙度十點高度。考慮表面幾何形狀誤差和軸頸撓曲變形等★但最小油膜厚度hmin受到軸頸和軸承表面粗造度、軸的剛性及軸承與軸頸的幾何形狀誤差等的限制,不能無限縮小?！锲穆蕏愈大則hmin愈小，軸承的承載能力就愈大。2/2/2023383）軸承的熱平衡計算熱平衡方程：產(chǎn)生的熱量=散失的熱量

Q=Q1+Q2

其中，摩擦熱：Q=fρv式中:q

----潤滑油流量m3/s；ρ

----滑油密度kg/m3；c

----潤滑油的比熱容，J/(kg.℃)；ti

----油出口溫度℃；α3----表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(m2.℃)?；蛶ё叩臒幔篞1=qρc(to-ti)軸承散發(fā)的熱：

Q2=α3πdB(to-ti)Wto----油入口溫度℃；溫升的原因：軸承工作時摩擦功耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?使?jié)櫥蜏囟壬摺厣^高的后果：軸承承載能力降低。熱平衡計算的目的：將軸承的溫升限制在允許的范圍內(nèi)。2/2/202339熱平衡時溫度差：其中----潤滑油流量系數(shù)；0.30.40.50.60.70.80.9χ0.240.220.200.180.160.140.120.100.080.060.04qψvBd－=0.4Bd1.32.01.51.00.80.70.60.50.92/2/202340摩擦系數(shù)：系數(shù)ξ與寬徑比有關(guān)，若B/d<1，則ξ=(B/d)1.5

若B/d≥1，則ξ=1由于軸承內(nèi)部各處溫度不一樣，平均溫度:為了保證軸承能正常，其平均溫度:tm≤70~80℃設(shè)計時，應(yīng)使進油溫度:ti=tm-?t/2當(dāng)ti>35~40℃時，表明軸承承載能力有冗余，可采取如下措施：▲增大表面粗糙度，以降低成本；

▲減小間隙，提高旋轉(zhuǎn)精度；▲加寬軸承，充分利用軸承的承載能力。2/2/202341當(dāng)ti<35~40℃時，表明軸承的承載能力不足，可采取如下措施：▲加散熱片，以增大散熱面積；▲在保證承載能力的不下降的條件下，適當(dāng)增大軸承間隙；▲提高軸和軸承的加工精度?！黾永鋮s裝置：加風(fēng)扇、冷卻水管、循環(huán)油冷卻；油泵冷卻器冷卻水2/2/2023424）軸承參數(shù)的選擇取值范圍：B/d=0.3~1.5

影響效果：B/d小，有利于提高穩(wěn)定性，增大端排泄量以降低溫度，承載能力下降；

B/d大，端泄速度慢，不利于散熱，支承剛度好，承載能力大。0.6~1.5----電動機、發(fā)電機、離心機、齒輪變速器;(1)寬徑比B/d應(yīng)用:B/d=0.3~1.0----汽輪機、鼓風(fēng)機;0.8~1.2----機車、拖拉機;0.6~0.9----軋鋼機。2/2/2023434）軸承參數(shù)的選擇取值范圍：B/d=0.3~1.5

(1)寬徑比B/d寬徑比?。骸龃蠖诵沽拷档蜏囟?。▲運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性好?！休d能力下降。PPFF寬徑比大：▲端泄速度慢，不利于散熱?！鴮挾菳大，支承剛度好?！休d能力大。高速軸承B/d宜選較小值；有支承剛度要求B/d宜選較大值FF2/2/202344油膜壓力沿軸向的分布：理論分布曲線----水平直線，各處壓力一樣；實際分布曲線----拋物線且曲線形狀與軸承的寬徑比B/d有關(guān)。FdD

B

B

FdDB/d=1/4FdDB/d=1/3FdDB/d=1/2FdDB/d=1潘存云教授研制FdD……B/d=∞

2/2/202345不同寬徑比軸承的壓力分布dDwB=131==12（a）F（a）圖：周向分布（b）圖：軸向分布Bd=14（b）Bd=∞2/2/202346選取原則：1）速度高，ψ取大值；載荷小，ψ取小值；2）直徑大，寬徑比小，調(diào)心性能好，加工精度高，ψ取小值；反之，ψ取大值。應(yīng)用:ψ=

0.001~0.0002----汽輪機、電動機、發(fā)電機、齒輪變速器;0.0002~0.0015----軋鋼機鐵路機車輛；0.0002~0.00125----機床、內(nèi)燃機。0.0002~0.00125----鼓風(fēng)機、離心機。一般軸承，按如下經(jīng)驗公式計算：(2)相對間隙ψ影響因素：載荷和速度，軸徑尺寸，寬度/直徑，調(diào)心能力，加工精度。2/2/202347(3)潤滑油粘度η▲η對承載能力，功耗、溫升都有影響；▲根據(jù)平均溫度：tm=(ti+to)/2決定潤滑油粘度；▲設(shè)計時假設(shè)，tm=50~75℃，計算所得應(yīng)在：ti=35~40℃；▲初始計算時，可取：平均溫度tm過低，粘度η較大，算出的承載能力偏高，反之承載能力偏低.2/2/2023485)液體動力潤滑徑向滑動軸承的設(shè)計過程1．已知條件：外加徑向載荷F(N)，軸頸轉(zhuǎn)速n(r/min)及軸頸直徑d(mm)。2．設(shè)計及驗算①

保證在平均油溫tm下hmin≥[h]a)選擇軸承材料，驗算p、v、pv。b)選擇軸承參數(shù)，如軸承寬度(B)、相對間隙(ψ)和潤滑油(η)。c)計算承載量系數(shù)(Cp)并查表確定偏心率(χ)。d)計算最小油膜厚度(hmin)和許用油膜厚度([h])。2/2/202349③極限工作能力校核a)根據(jù)直徑間隙(Δ)，選擇配合。b)根據(jù)最大間隙(Δmax)和最小間隙(Δmin)，校核軸承的最小油膜厚度和潤滑油入口油溫。④繪制軸承零件圖

②驗算溫升

a)計算軸承與軸頸的摩擦系數(shù)(f)。c)計算軸承溫升(Δt)和潤滑油入口平均溫度(ti

)。b)根據(jù)寬徑比(B/d)和偏心率(χ)查取潤滑油流量系數(shù)。2/2/202