第十七章 滑动轴承

轴承是用来支承轴及轴上零件、保持轴的旋转精度和减少转轴与支承之间的摩擦和磨损。轴承一般分为两大类：滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承有着一系列优点广泛应用。但是在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合下，滑动轴承就体现出它的优异性能。因而在汽轮机、离心式压缩机、内燃机、大型电机中多采用滑动轴承。此外，在低速而带有冲击的机器中，如水泥搅拌机、滚筒清砂机、破碎机等也采用滑动轴承。

§17-1 摩擦状态   润滑的目的是在摩擦表面之间形成低剪切强度的润滑膜，用它来减少摩擦阻力和降低材料磨损，润滑膜可以是由液体或气体组成的流体膜或者固体膜。

根据润滑膜的形成原理和特征，润滑状态可以分为： （1）流体动压润滑； （2）流体静压润滑； （3）弹性流体动压润滑； （4）边界润滑； （5）干摩擦状态等五种基本类型。 表17-1列出了各种润滑状态的基本特征。

各种润滑状态所形成的润滑膜厚度不同，但是单纯由润滑膜的厚度还不能准确地判断润滑状态，尚须与表面粗糙度进行对比。图17-1列出润滑膜厚度与粗糙度的数量级。只有当润滑膜厚度足以超过两表面的粗糙峰高度时，才有可能完全避免峰点接触而实现全膜流体润滑。对于实际机械中的摩擦副，通常总是几种润滑状态同时存在，统称为混合润滑状态。

图17-1 润滑膜厚度与粗糙度高度

根据润滑膜厚度鉴别润滑状态的办法虽然是可靠的，但由于测量上的困难，往往不便采用。另外，也可以用摩擦系数值作为判断各种润滑状态的依据。表17-2为摩擦系数的典型数值。

§17-2 滑动轴承的类型   滑动轴承按照承受载荷的方向主要分为：①径向滑动轴承，又称向心滑动轴承，主要承受径向载荷；②止推滑动轴承，只能承受轴向载荷。

一、径向滑动轴承 图17-2所示是整体式径向滑动轴承。 图17-2整体式径向滑动轴承

图17-3所示是一种普通的剖分式轴承，由轴承盖、轴承座、剖分轴瓦和联接螺栓等组成。轴承中直接支承轴颈的零件是轴瓦。为了安装时容易对中，在轴承盖与轴承座的剖分面上做出阶梯形的榫口。轴承盖应当适度压紧轴瓦，使轴瓦不能在轴承孔中转动。轴承盖上制有螺纹孔，以便安装油杯或油管。

图17-3剖分式径向滑动轴承

当载荷垂直向下或略有偏斜时，轴承剖分面常为水平方向。若载荷方向有较大偏斜时，则轴承的剖分面也斜着布置（通常倾斜45），使剖分平面垂直于或接近垂直于载荷方向（图17-4）。

图17-4斜开径向轴承

径向滑动轴承的类型很多，例如尚有轴承间隙可调节的滑动轴承（图17-5）、轴瓦外表面为球面的自位轴承（图17-6）等。

图17-5间隙可调滑动轴承

图17-6 自位轴承

轴瓦是滑动轴承中的重要零件。径向滑动轴承的轴瓦内孔为圆柱形。若载荷方向向下，则下轴瓦为承载区，上轴瓦为非承载区。润滑油应由非承载区引入，所以在顶部开进油孔。在轴瓦内表面，以进油口为中心沿纵向、斜向或横向开有油沟，以利于润滑油均布在整个轴颈上。油沟的形式很多，如图17-7所示。一般油沟离端面保持一定距离，防止润滑油从端部大量流失。

图17-7轴瓦上的油沟

图17-8所示为润滑油从两侧导入的结构，常用于大型的液体润滑滑动轴承中。一侧油进入后被旋转着的轴颈带入楔形间隙中形成动压油膜，另一侧油进入后覆盖在轴颈上半部，起着冷却作用，最后油从轴承的两端泄出。

图17-8轴瓦上的润滑油导入结构

图17-9所示的轴瓦两侧面镗有油室，这种结构可以使润滑油顺利地进入轴瓦轴颈的间隙。

图17-9 轴瓦上的油槽

轴瓦宽度与轴颈直径之比B/d称为宽径比，它是径向滑动轴承中的重要参数之一。对于液体摩擦的滑动轴承，常取B/d=0 轴瓦宽度与轴颈直径之比B/d称为宽径比，它是径向滑动轴承中的重要参数之一。对于液体摩擦的滑动轴承，常取B/d=0.5~1，对于非液体摩擦的滑动轴承，常取B/d=0.8~1.5，有时可以更大些。

二、 止推滑动轴承   轴上的轴向力应采用止推轴承来承受。止推面可以利用轴的端面，或在轴的中段做出凸肩或装上止推圆盘，如图17-10。

图17-10 固定瓦止推轴承

也可以沿轴承止推面按一块块扇形面积开出楔形，如图17-11所示的固定瓦动压止推轴承，其楔形的倾斜角固定不变，在楔形顶部留出平台，用来承受停车后的轴向载荷。图中，a只能承受单向载荷；b可承受双向载荷。

(a) (b) 图17-11 固定瓦动压止推轴承

图17-12为可倾式止推轴承，其扇形瓦块的倾斜角能随载荷的改变而自行调整，因此性能较为优越。图a由铰支调节瓦块倾角，图b则靠瓦块的弹性变形来调节。可倾瓦的块数一般为6~12，图17-13为扇形块的放大图。

(a) (b) 图17-12可倾瓦止推轴承

图17-13扇形瓦块结构

§17-3 滑动轴承材料及润滑   根据轴承的工作情况，要求轴瓦材料具备以下性能：①摩擦系数小；②导热性好，热膨胀系数小；③耐磨、耐蚀、抗胶合能力强；④要有足够的机械强度和可塑性。

能同时满足上述要求的材料是难找的，但应根据具体情况满足主要实用要求。较常见的是做成双层金属的轴瓦，以便性能上取长补短。在工艺 上可以用浇铸或压合方法，将薄层材料粘附在轴瓦基体上。粘附上去的薄层材料通常称为轴承衬。

常用的轴瓦和轴承衬材料有下列几种。 一、轴承合金（又称白合金、巴氏合金）   轴承合金有锡锑轴承合金和铅锑轴承合金两大类。锡锑轴承合金的摩擦系数小，抗胶合性能良好，对油的吸附性强，耐蚀性好，易跑合，是优良的轴承材料，常用于高速、重载轴承。但价格贵且机械强度较差，只作为轴承衬材料而浇铸在钢、铸铁（图17-14a、b）或青铜轴瓦上(图c)。

(a) (b) (c) 图17-14轴承合金的浇铸方法

用青铜作为轴瓦基体是取其导热性良好。这种轴承合金在110C开始软化，为了安全，在设计运行时常将温度控制得比110C低30~40C。 铅锑轴承合金的各方面性能与锡锑轴承合金相近，但这种材料较脆，不宜承受较大的冲击载荷。一般用于中速、中载的轴承。

二、青铜 青铜的强度高，承载能力大，耐磨性与导热性都优于轴承合金。它可以在较高的温度（250C）下工作。但它可塑性差，不易跑合，与之相配的轴颈必须淬硬。青铜可以单独做成轴瓦。为了节省有色金属，也可将青铜浇铸在钢或铸铁轴瓦内壁上。用作轴瓦材料的青铜，主要有锡磷青铜、锡锌铅青铜和铝铁青铜。在一般情况下，它们分别用于中速重载、中速中载和低速重载的轴承上。

三、具有特殊性能的轴承材料   用粉末冶金法(经制粉、成型、烧结等工艺)做成的轴承，具有多孔性组织，孔隙内可以储存润滑油，常称为含油轴承。运转时，轴瓦温度升高，由于油的膨胀系数比金属大，因而自动进入滑动表面以润滑轴承。含油轴承加一次油可以使用较长时间，常用于加油不方便的场合。

在不重要的或低速轻载的轴承中，也常采用灰铸铁或耐磨铸铁作为轴瓦材料。 橡胶轴承具有较大的弹性，能减轻振动使运转平稳，可以用水润滑，常用于潜水泵、砂石清洗机、钻机等有泥沙的场合。

塑料轴承具有摩擦系数低，可塑性、跑合性良好，耐磨、耐蚀，可以用水、油及化学溶液润滑等优点。但它的导热性差，膨胀系数较大，容易变形。为改善此缺陷，可将薄层塑料作为轴承衬材料粘附在金属轴瓦上使用。 表17-2中给出常用轴瓦及轴承衬材料的[p]、[pv]等数据。

四、润滑剂   轴承润滑的目的在于降低摩擦功耗，减少磨损，同时还起到冷却、吸振、防锈等作用，轴承能否正常工作，和选用润滑剂正确与否有很大关系。 润滑剂分为：①液体―润滑油；②半固体-润滑脂；③固体润滑剂等。 在润滑性能上润滑油一般比润滑脂好，应用最广。润滑脂具有不易流失优点，也广泛使用。固体润滑剂只在特殊场合下使用。

图17-15 牛顿流体流动示意图

1． 润滑油 润滑油是滑动轴承中应用最广的润滑剂，目前使用的润滑油大部分为矿物油。润滑油最重要的物理性能是粘度，用以描述润滑油流动时的内摩擦性能，它是选择润滑油的主要依据。如图17-15所示，在AB两块平板间充满着润滑油，板B静止不动，而板A以速度V沿x轴运动，由于润滑油与金属表面的吸附作用（润滑油的油性），板A表层的润滑油随板A

以同样的速度V运动,而板B表层的润滑油速度为零。即两板间的液体逐层发生了错动，润滑油内存在着层与层间的摩擦切应力τ，根据实验结果，得到下面的关系式： 此式称为牛顿粘性定律。式中，u为油层中任一点的速度；du/dy是该点的速度梯度；比例常数η定义为流体的动力粘度（常简称为粘度）。

1 P=1 dyn·s/cm2=0.1 N·s/m2=0.1 Pa·s 粘度是单位面积上的剪应力与单位速度梯度之比，在国际单位制（SI）中，它的单位为N·s/m2或写作Pa·s。但在工程应用中目前仍有部分采用CGS制，动力粘度的单位用Poise，简称泊（P），或泊的百分之一，即厘泊（cP）。 1 P=1 dyn·s/cm2=0.1 N·s/m2=0.1 Pa·s

各种不同流体的动力粘度数值范围很宽。空气的动力粘度为0 各种不同流体的动力粘度数值范围很宽。空气的动力粘度为0.02mPa·s，而水的粘度为1 mPa·s。润滑油的粘度范围为2~ 400 mPa·s，熔化的沥青可达700 mPa·s。 在工程中，常常将流体的动力粘度与其密度的比值作为流体的粘度，这一粘度称为运动粘度，常用表示。运动粘度的表达式为：

运动粘度的单位在国际单位制中用m2/s。在工程中目前仍有部分用CGS单位制，运动粘度的单位为Stoke，简称St（斯），1 St=102 mm2/s=10-4 m2/s。实际上常用St的 百分之一cSt作为单位，称为厘斯，因而1 cSt= 1 mm2/s。 通常润滑油的密度=0.7~1.2g/cm3，而矿物油密度的典型值为0.85 g/cm3，因此工程运动粘度与动力粘度的近似转换式可采用 1 (cP)=0.85(cSt)

选用润滑油时，要考虑速度、载荷和工作情况。对于载荷大、温度高的轴承宜选粘度大的油，载荷小、速度高的轴承宜选粘度较小的油。

2．润滑脂 润滑脂是由润滑油和各种稠化剂（如钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。润滑脂密封简单，不须经常加添，不易流失，所以在垂直的摩擦表面上可以使用。润滑脂对载荷和速度的变化有较大的适应范围，受温度的影响不大，但摩擦损耗较大，机械效率低，故不宜用于高速。且润滑脂易变质，不如油稳定。

总的来说，一般参数的机器，特别是低速而带有冲击的机器，都可以使用润滑脂润滑。 目前使用最多的是钙基润滑脂，它有耐水性，常用于60C以下的各种机械设备中的轴承润滑。钠基润滑脂可用于115~145C以下，但不耐水。锂基润滑脂性优良，耐水，在-20~150C范围内广泛适用，可以代替钙基、钠基润滑脂。

3．固体润滑剂 固体润滑剂有石墨、二硫化钼(MoS2)、聚氟乙烯树脂等多种品种。一般在超出润滑油使用范围之外才考虑使用，例如在高温介质中，或在低速重载条件下。目前其应用已逐渐广泛，例如可将固体润滑剂调合在润滑油中使用，也可以涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜，或者用固结成型的固体润滑剂嵌装在轴承中使用，或者混入金属或塑料粉末中然后一并烧结成型。

石墨性能稳定，在350C以上才开始氧化，并可在水中工作。聚氟乙烯树脂摩擦系数低，只有石墨的一半。二硫化钼与金属表面吸附性强，摩擦系数低，使用温度范围也广（-60~300C），但遇水则性能下降。

4 ．润滑装置   为了获得良好的润滑效果，需要正确选择润滑方法和相应的润滑装置。利用油泵供应压力油进行强制润滑是重要机械的主要润滑方式。此外，还有不少装置实现简易润滑。 图17-16用手工向轴承加油的油孔(a)和注油杯(b) ，是小型、低速或间歇润滑机器部件一种常见的润滑方式。注油杯中的弹簧和钢球可防止灰尘等进入轴承。

(a) (b) 图17-16为油孔及注油杯

图17-17是润滑脂用的油杯，定期旋转杯盖，使空腔体积减小而将润滑脂注入轴承内，它只能间歇润滑。

图17-17润滑脂杯

图17-18是针阀式油杯。油杯接头与轴承进油孔相连。手柄平放，阻塞针杆因弹簧推压堵住底部油孔。直立手柄时（右上图），针杆被提起，油孔敞开，润滑油自动滴到轴颈上。在针阀油杯上小孔，供补充润滑油用，平时由片弹簧遮盖。观察孔可查看供油状况。螺母用来调节针杆下端油口大小以控制供油量。

图17-18 针阀式油杯

图17-19为油芯式油杯。靠毛线或棉纱毛细管作用，将润滑油滴入轴承。供油是自动且连续的，但不能调节给油量，油杯中油面高时给油多，油面低时供油少，停车时仍在继续给油，直到流完为止。

图17-19油芯式油杯

图17-20对轴承采用了飞溅润滑方式。它是利用齿轮、曲轴等转动零件，将润滑油由油池拨溅到轴承中进行润滑。采用飞溅润滑时，转动零件的圆周速度应在5~13m/s范围内。它常用于减速器和内燃机曲轴箱中的轴承润滑。

图17-20飞浅润滑

图17-21的轴承采用的是油环润滑。在轴颈上套一油环，油环下部浸入油池中，当轴颈旋转时，摩擦力带动油环旋转，把油引入轴承。当油环浸在油池内深度约为直径的四分之一时，供油量已足以维持液体润滑状态的需要。此法常用于大型电机的滑动轴承中。

图17-21油环润滑

最完善的供油方法是利用油泵循环给油，给油量充足，供油压力只须5104N/m2，在油的循环系统中常配置过滤器、冷却器。还可以设置油压控制开关，当管路内油压下降时可以报警，或启动辅助油泵，或指令主机停车。所以这种供油方法安全可靠，但设备费用较高，常用于高速且精密的重要机器中。

§17-4非液体摩擦滑动轴承的计算   非液体摩擦滑动轴承可用润滑油，也可用润滑脂润滑。在润滑油、润滑脂中加入少量鳞片状石墨或二硫化钼粉末，有助于形成更坚韧的边界油膜，且可填平粗糙表面而减少磨损。但这类轴承不能完全排除磨损。

维持边界油膜不遭破裂，是非液体摩擦滑动轴承的设计依据。由于边界油膜的强度和破裂温度受多种因素影响而十分复杂，尚未完全被人们掌握。因此目前采用的计算方法是间接的、条件性的。实践证明，若能限制压强p[p]，压强与轴颈线速度的乘积pv[pv]，那么轴承是能够很好地工作的。

一、径向轴承 1．轴承的压强p 限制轴承压强p，以保证润滑油不被过大的压力所挤出，因而轴瓦不致产生过度的磨损。即 式中，F为轴承径向载荷，N；B为轴瓦宽度，mm；d为轴颈直径，mm；[p]为轴瓦材料的许用压强，MPa（表17-3）。

2．轴承的pv值 pv值简略地表征轴承的发热因素，它与摩擦功率损耗成正比。pv值越高，轴承温升越高，容易引起边界油膜的破裂。pv值的验算式为 式中，n为轴的转速，r/min；[pv]为轴瓦材料的许用值，MPa•m/s(表17-3)。

二、止推轴承计算 （MPa）（17-6） (MPam/s)（17-7） 式中，止推环的平均速度， 平均直径

止推轴承的许用压强为： 未淬火钢 对铸铁[p]=2.0~2.5MPa； 对青铜[p]=4~6MPa； 对巴氏合金[p]=5~6MPa； 淬火钢 对青铜[p]=7.5~8MPa； 对巴氏合金[p]=8~9MPa； 对淬火钢[p]=12~15MPa。 [pv]=1~2.5 MPa•m/s。

例17-1试按非液体摩擦状态设计图17-22所示的滑动轴承。W=20 kN，轴承内轴颈转速为n=20 r/min，轴颈直径d=60 mm。

解： （1）选取轴承材料 选用铸锡锌铅青铜（ZcuSn5Pb5Zn5），查表17-3得： [p]=8MPa [pv]=10 MPam/s

（2）取宽径比B/d=1，则 mm （3）计算压强p MPa （4）计算速度v m/s

（5）计算pv值 MPam/s （6）验算并选取润滑剂 因为 p[p] pv[pv] 因此，该轴承满足强度和功率损耗条件。由于速度很低，采用脂润滑，用油杯加脂，见图17-22。

§17-5 液体摩擦滑动轴承简介 液体摩擦是滑动轴承中的理想摩擦状态,根据摩擦面油膜的形成原理,可把液体摩擦滑动轴承分为动压轴承和静压轴承。 §17-5 液体摩擦滑动轴承简介 液体摩擦是滑动轴承中的理想摩擦状态,根据摩擦面油膜的形成原理,可把液体摩擦滑动轴承分为动压轴承和静压轴承。 一、液体动压轴承 两个作相对运动物体的摩擦表面，可借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由液体膜产生的压力来平衡外载荷称为液体动力润滑。

动压油膜的形成过程可以通过图17-23描述。图17-23a表示轴处于静止状态，轴颈位于轴承孔最下方的位置，两表面形成楔形间隙；图17-23b是当轴开始转动时，由于油的粘性而被带进楔形间隙。随着转速的增大、轴颈表面的圆周速度增大、带入楔形间隙内的油量也逐渐加多，由于油具有一定的粘度和不可压缩性，从而在楔形间隙内产生一定的压力，形成一个压力区（图17-23c）。

随着压力的继续增高，楔形间隙中压力逐渐加大，当压力能够克服外载荷F时，就会将轴浮起，这时轴承处于流体动力润滑状态，油膜产生的压力与外载荷F平衡（图17-23d）。 压力沿宽度方向的分布

a) b) c) d) 图17-23 动压油膜的形成过程

液体动压轴承内的摩擦阻力仅为液体的内部摩擦阻力，所以其摩擦系数达到最小值。综上所述，形成液体动压油膜需要具备以下条件： （1）   轴颈和轴瓦工作表面间必须有一个收敛的楔形间隙 。 （2）   轴颈和轴瓦工作表面间必须有一定的相对速度，且它们的运动方向必须使润滑剂从大口流入，从小口流出。 （3） 要有一定粘度的润滑剂，且供应要充分。

二、液体静压轴承 静压轴承是依靠一套给油装置，将高压油压入轴承的间隙中，强制形成油膜，保证轴承在液体摩擦状态下工作。油膜的形成与相对滑动速度无关，承载能力主要取决于油泵的给油压力，因此静压轴承在高速、低速、轻载、重载下都能胜任工作。在起动、停止和正常运转时期内，轴与轴承之间均无直接接触，理论上轴瓦没有磨损，寿命长，可以长时期保持精度。

而且正由于任何时期内轴承间隙中均有一层压力油膜，故对轴和轴瓦的制造精度可适当放低，对轴瓦的材料要求也较低。如果设计良好，可以达到很高的旋转精度。但静压轴承需要附加一套繁杂的给油装置。所以应用不如动压轴承普遍。一般用于低速、重载或要求高精度的机械装备中，如精密机床、重型机器等。

静压轴承在轴瓦内表面上开有几个（通常是四个）对称的油腔，各油腔的尺寸一般是相同的。每个油腔四周都有适当宽度的封油面，称为油台，而油腔之间用回油槽隔开如图17-24所示。

图17-24 静压轴承

应当注意在外油路中必需配有节流器。工作时，若无外载荷（不计轴的自重）作用，轴颈浮在轴承的中心位置，各油腔内压力相等，亦即油泵压力ps通过节流器降压变为p，且p= p1 = p3。

当轴颈受载荷W后，轴颈向下产生位移，此时下油腔3四周油台与轴颈之间的间隙减小，流出的油量亦随之减少，根据管道内各截面上流量相等的连续性原理，流经节流器的流量亦减少，在节流器中产生的压降亦减小，供油压力ps是不变的，因而p3必然增大。在上油腔1处则反之，间隙增大，回油畅通而p1降低，上下油腔产生的压力差与外载荷平衡。