第 10 章 滑动轴承 主讲教师：陈良玉 东北大学国家工科机械基础课程教学基地
10-1 滑动轴承的特点、类型和摩擦状态 一、滑动轴承的组成 Fa F 组成：轴颈、轴瓦、止推环组成滑动摩擦副。 推力轴承——平面摩擦副 油孔 轴 轴环 推力环 轴瓦 轴颈 轴瓦 向心轴承——圆柱面或圆锥面摩擦副 推力轴承——平面摩擦副
二、滑动摩擦副的摩擦状态 10-1 滑动轴承的特点、类型和摩擦状态 二、滑动摩擦副的摩擦状态 按滑动摩擦状态分, 滑动轴承: 干摩擦 基体直接接触:f =0.3~0.7 摩擦磨损严重 边界摩擦 f =0.1~0.3 按滑动摩擦状态分, 滑动轴承: (1)液体摩擦轴承 按液体摩擦形成方法分: 动压和静压. (2)非液体摩擦轴承 物理、化学吸附膜； 化学反应膜; 污染膜 液体摩擦 f =0.01~0.05 避免磨损 混合摩擦 干+边界+液体
三、滑动轴承的特点 10-1 滑动轴承的特点、类型和摩擦状态 三、滑动轴承的特点 特点： 应用： (1)面接触,承载能力大 (2)抗冲击能力强、噪声小 (3)零件少 (4)大型重型轴承,单件和小量生产,成本低 (5)径向尺寸小 (6)适用速度范围广,尤其在高速和超高速场合有优势 (7)能实现液体摩擦状态,摩擦磨损小,寿命长 (8)能在水、腐蚀介质、无润滑等特殊恶劣条件工作 应用： 内燃机、汽轮机、铁路机车、轧机、机床等机械中应用广泛。
10-2 润滑油的黏度 一、黏度的定义及黏性液体的牛顿定律 液体黏度：液体阻滞运动的能力度量. y u dy du y 粘稠流体黏度大,流动比较困难,粘滞阻力大; 稀薄流体黏度小,流动相对容易,粘滞阻力小. y U F 剪切率(速度梯度) dy 牛顿黏性定律: du y 负号表示粘滞阻力与速度方向相反 u 黏性流体的牛顿模型 牛顿流体:符合牛顿黏性定律的流体为牛顿流体
二、动力黏度和运动黏度 10-2 润滑油性质 二、动力黏度和运动黏度 (2)运动黏度 (1)动力黏度 ●常用单位:cSt(厘托),mm2/s ●运动黏度为油品的国家标准的标定黏度 HU-20汽轮机油,50 ℃的运动黏度18~22mm2/s ●常用单位:cP(厘泊), 21℃的水动力黏度1cP,0.001Pa.s
三、润滑油的黏温特性 10-2 润滑油性质 三、润滑油的黏温特性 黏温特性：油品的黏度随温度变化的特性， 一般,温度升高,黏度降低 A,B为油品的常数, T为温度,K, T=273.15+t ℃, B的近似值B=-3.5.
10-3 流体动压润滑的基本理论 一、流体动压润滑的基本方程 (1)动压的发现与流体动力 润滑理论发展 ●雷诺(1886年)建立了楔形间隙油膜的流体动力学方程，即雷诺方程。奠定了流体动力润滑的理论基础，此后又有发展。 (1)动压的发现与流体动力 润滑理论发展 向心 动压 轴承 ●Tower实验：英国人Tower(1883年)车辆实验时发现油的动压和承载能力 轴颈表面带油运动,大间隙进入小间隙,油流动受阻,产生压力,从而承担外载荷. 油 n 轴颈 油 Tower实验
一、流体动压润滑的基本方程 (2)雷诺方程的推导 10-3 流体动压润滑的基本理论 一、流体动压润滑的基本方程 z油膜宽度-无限宽 U o A o ●基本假设： 忽略重力、惯性力 忽略粘压特性——不可压缩流体 流体压力不沿油膜厚度变化 ——油膜很薄 牛顿粘性流体 x油膜长度 油膜厚度h dx y油膜厚度 dz dy B ●雷诺方程推导——无限宽轴承 dx dy
10-3 流体动压润滑的基本理论 一、流体动压润滑的基本方程 一维直线坐标下无限宽雷诺方程 油膜压力p与黏度、速度、油膜厚度有关.对雷诺方程,再做积分,得油膜压力.再对压力积分就得油膜承载能力.
二、流体动压润滑的承载机理 10-3 流体动压润滑的基本理论 二、流体动压润滑的承载机理 油膜对动板-轴颈是否有托举力? 分析: 剪切流- 线分布 压力流- 抛物线分布 油膜对动板-轴颈是否有托举力? 压力极大点 压力下降段 压力增大段 分析: (1)流速由黏性剪切流+压力流组成. (2)剪切流- 线性分布, 动板表面u=U;静板表面u=0 (3)压力流-厚度y抛物线分布, 入口凹,出口凸,流量保持不变. 中间y=h0,无压力流,压力达到最大p=pmax (4)入口h1~h0段,压力增大,高于供油压力; h0~出口h2段,压力下降,逐步降至供油压力 (5)油膜压力之和 - 承载 - 外载 油出口 油入口 A 压力流 B 剪切流 剪切流 剪切流 压力流 压力流=0, 只有剪切流
●形成动压润滑的充要条件: 10-3 流体动压润滑的基本理论 二、流体动压润滑的承载机理 (1)相对运动的两表面必须相互倾斜形成楔形间隙. ——几何条件; (2) 两表面须有一定的相对滑动速度,其速度方向 保证润滑油由大口进入,从小口流出. ——运动条件; (1)+(2):收敛油楔条件 (3)润滑油须有一定的粘度,供油要充分. ——供油和油品条件
10-4 非液体摩擦滑动轴承的计算 一、向心滑动轴承的计算 (2)限制轴承的pmv (1)限制轴承的平均压强pm (3)限制轴承滑动速度v 非液体摩擦滑动轴承——混合摩擦状态 主要失效形式：磨料磨损和黏着磨损 计算准则:条件性的耐磨性准则 (本课第1章) (2)限制轴承的pmv 一、向心滑动轴承的计算 [pv]—— 轴瓦材料的许用 值 表10-5，10-6，10-7 (1)限制轴承的平均压强pm (3)限制轴承滑动速度v [v]—— 轴瓦材料的许用滑动速度值 表10-5，10-6，10-7 [P]—— 轴瓦材料的许用压力 N/mm2 表10-5，10-6，10-7
二、推力滑动轴承的计算 二、推力滑动轴承的计算 轴承的限制条件： Fa Fa 许用值[p],[pv],[v],表10-5~7, 10-4 非液体摩擦滑动轴承的计算 二、推力滑动轴承的计算 二、推力滑动轴承的计算 轴承的限制条件： 类似于向心圆轴承 Fa Fa 轴 k:油沟系数, 0.8~0.9 油沟减小承载面积 轴 推力环数目 推力环 推力面 止推面 圆环面 许用值[p],[pv],[v],表10-5~7, z>1时,各环承载不均,降低20~40%
10-5 滑动轴承的结构类型 一、向心滑动轴承的结构 1. 整体式 ●结构简单，沿轴向装配，中小型；磨损后间隙不能调节，更换轴瓦/套。 油孔 10-5 滑动轴承的结构类型 一、向心滑动轴承的结构 1. 整体式 油孔 轴承座 轴瓦 骑缝螺钉 ●结构简单，沿轴向装配，中小型；磨损后间隙不能调节，更换轴瓦/套。
2. 剖分式 10-5 滑动轴承的结构类型 一、向心滑动轴承的结构 10-5 滑动轴承的结构类型 一、向心滑动轴承的结构 2. 剖分式 油孔 连接螺栓 轴承座上 轴瓦 上，下 轴承座下 ●上下结构，螺栓连接，沿径向装配，大中型；磨损后间隙可调节——更换垫片或重刮瓦修复。安装方便,应用广 ●可以斜剖分，适应斜向载荷.
10-5 滑动轴承的结构类型 一、向心滑动轴承的结构 3. 间隙可调式 轴套/瓦调节间隙 轴颈移动调节间隙 轴套/瓦调节间隙
4. 自位式 5. 多油楔式 10-5 滑动轴承的结构类型 一、向心滑动轴承的结构 形成多个油膜压力区,提高运转稳定性. 两油楔 椭圆轴承 10-5 滑动轴承的结构类型 一、向心滑动轴承的结构 4. 自位式 5. 多油楔式 形成多个油膜压力区,提高运转稳定性. 两油楔 椭圆轴承 轴套/瓦外缘为球形,适应轴颈偏斜,避免边缘接触。 可倾动瓦块三油楔 固定瓦块三油楔
10-5 滑动轴承的结构类型 二、推力滑动轴承的结构 二、推力滑动轴承的结构 1. 普通推力滑动轴承 Fa Fa 轴 轴 止推环 止推环面
10-5 滑动轴承的结构类型 二、推力滑动轴承的结构 2. 液体动力润滑推力轴承 Fa Fa 固定瓦块 可倾动瓦块
10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构 一、轴承材料性能的要求 要求： 选用上： (1)减摩性、耐磨性好 10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构 一、轴承材料性能的要求 要求： (1)减摩性、耐磨性好 (2)抗冲击、抗压、抗疲劳性能高 (3)顺应性、嵌藏性、跑合性、润滑性等好 顺应性:适应制造和安装误差 嵌藏性:嵌藏污物和硬颗粒 跑合性:经过短期轻载荷磨损,降低表面粗糙度 润滑性:润滑剂在表面有好的吸附力,边界膜牢固 (4)导热性、工艺性、经济性好、低热膨胀性。 选用上： 材料性能有所长也有所短，根据使用的主要要求选择. 主要因素：载荷、速度、温度； 次要因素：腐蚀、粉尘等环境条件.
二、常用轴承材料 10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构 二、常用轴承材料 (1)金属材料 (2)粉末冶金(含油轴承)材料 (3)非金属材料 10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构 二、常用轴承材料 二、常用轴承材料 (1)金属材料 轴承合金-巴氏合金(锡锑合金,铅锑合金) 顺应性、嵌藏性、跑合性、抗胶合性能 好,机械强度低,只作轴承衬. 青铜-锡青铜,铅青铜,铝青铜 最常用,强度高,导热性好,减摩耐磨性较好. 锡青铜:中速,重载轴承 铅青铜:高速,重载,冲击大轴承 铝青铜:低速,重载轴承 黄铜-铜锌合金.强度高,易铸造和机械加工,减摩性 比青铜差,低速中载轴承. 铝合金:强度较高,耐腐蚀性,导热性,润滑性良好, 在发动机轴承上大量应用. 铸铁:有一定减摩性,成本低,低速轻载不重要场合 表10-5,轴承用金属材料性能和应用. (2)粉末冶金(含油轴承)材料 铁、铜、石墨粉末热压,多孔组织,自润滑. 轻载,低速,润滑困难轴承. 表10-6. (3)非金属材料 塑料(酚醛塑料,尼龙、聚四氟乙烯)、石墨、木材. 表10-7.
10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构 三、轴瓦结构 三、轴瓦结构 油孔 (1)整体式 油孔 油孔 (2)剖分式 油室 油室
轴瓦上的油沟、油室、油孔 10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构 三、轴瓦结构 轴瓦与座的连接 防止滑脱 (设在非承载区) 10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构 三、轴瓦结构 轴瓦与座的连接 防止滑脱 轴瓦上的油沟、油室、油孔 (设在非承载区) 轴瓦 轴瓦 轴瓦 在轴瓦剖分面处开有较大的油沟(油室)以稳定供油,容纳污物
10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构 三、轴瓦结构 低碳钢带+粉末冶金轧制形成的双金属瓦 非金属轴瓦 三金属轴瓦：轴瓦基材+轴承衬(轴承合金) 10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构 三、轴瓦结构 低碳钢带+粉末冶金轧制形成的双金属瓦 非金属轴瓦 层状塑料、木材轴瓦 三金属轴瓦：轴瓦基材+轴承衬(轴承合金) +镀层(铟、银), 提高跑合性和嵌藏性。 橡胶轴瓦
10-7 滑动轴承的润滑 二、润滑脂的选择 一、润滑油的选择 润滑目的:降摩,减磨,冷却,吸振,防尘,防锈. 涉及:润滑剂、润滑方法(装置) 10-7 滑动轴承的润滑 二、润滑脂的选择 润滑目的:降摩,减磨,冷却,吸振,防尘,防锈. 涉及:润滑剂、润滑方法(装置) 只用于非液体摩擦轴承 润滑脂(润滑油+金属皂稠化剂+添加剂)： 钠皂基:耐热好,抗水性差 钙皂基:耐热差,抗水性好 锂皂基:耐热、抗水性均好,多用途. 铝皂基:抗水性好 复合基:多种 主要指标：稠度(针入度),滴点 表10-9——选润滑脂 一、润滑油的选择 油品——基础油+各种添加剂 润滑油——应用多广 主要指标：黏性——黏度 油性——表面吸附能力, 边界膜的强度 液体摩擦轴承——黏性主要 非液体摩擦轴承——油性主要 黏度的选择——载荷(pm)和速度(v) 表10-8——选油黏度,选油牌号. 石墨、二硫化钼、水、空气润滑剂等在特殊场合下使用。
10-7 滑动轴承的润滑 三、润滑方法-装置 三、润滑方法-装置 (1)定期注油-间歇润滑 用于低速,轻载等不重要轴承 注油杯
10-7 滑动轴承的润滑 三、润滑方法-装置 (2)针阀油杯-滴油润滑 (3)芯捻油杯-毛细现象
(4)油环飞溅润滑 (5)压力循环润滑 10-7 滑动轴承的润滑 三、润滑方法-装置 适用转速:50~3000r/min, 10-7 滑动轴承的润滑 三、润滑方法-装置 (4)油环飞溅润滑 (5)压力循环润滑 油箱 油泵 轴承 适用转速:50~3000r/min, 转速过低过高,润滑不足. 供油充分，散热良好。 多用于高速重载重要场合
10-7 滑动轴承的润滑 三、润滑方法-装置 (6)润滑脂润滑 通过油脂杯等装置和结构,定期压入润滑脂, 实现润滑. 油脂杯
10-7 滑动轴承的润滑 三、润滑方法-装置 (7)润滑方法的选择
本章结束!
滑动轴承设计计算例 主讲教师：陈良玉 东北大学国家工科机械基础课程教学基地
滑动轴承设计计算例 [例10-1] 设计一汽轮机转子的流体动压向心滑动轴承,已知轴承载荷F=65kN, 轴颈直径d=200mm,转速n=3000r/min=50r/s,要求采用剖分结 构,进油温度控制在40℃左右. 解:(1)确定轴承结构尺寸。 根据设计要求,采用正剖分结构,180°包角,非压力供油.取宽径比 则轴承宽度 (2)选择轴瓦材料。 平均压强: 滑动速度: Pmv值: 查表10-5,选用锡基轴承合金ZCuSnSbll-6为轴承衬材料,在流体润滑状态下: [p]=25MPa,[v]=80m/s,[pv]=100MPa·m/s.
(3)选择润滑油。 因滑动速度高,应选用黏度较低的润滑油。参考表10-8,表14-4,转速>1500r/min选用HU-20汽轮机油(老标准为N22汽轮机油),50℃时运动黏度υ=18~22mm2/s,取润滑油的密度ρ=860kg/m³. 设油的平均温度tm =50℃,50℃时油的运动黏度为υ=18~22=20mm2/s, 由式(10-2),油的动力黏度为 (4)选择相对间隙ψ 由式(10-18) 取Ψ=0.0018。轴承的半径间隙 (5)确定许用油膜厚度[h] 参考表10-2,取轴颈表面粗糙度Rz1=3.2 μm,轴承衬表面粗糙度Rz2=6.3 μm, 取可靠性系数K=2,则许用油膜厚度
(6)计算最小油膜厚度hmin 轴承特性系数 由图10-9a查得 , 则最小油膜厚度为 可见, hmin>[h], 满足最小油膜准则。
(7)计算温升Δt和平均油温tm 对非压力供油，其温升为 按B/d=1, 轴承包角为180°, S=0.128, 查图10-11得 ,查图10-12得 ,查图10-13得 ,取 则温升为 平均油温为 (8)选择孔-颈配合——通过配合保证轴承半径间隙c 选择间隙配合H9/d9, 查配合标准得其极限间隙
(9)验算Δmin是否使hmin过小和Δt 过高 ， ， 平均油温为 与所设平均温差相差不到2℃，符合计算精度控制要求。
(10)验算Δmax是否使hmin过小和Δt 过高 ， ， 平均油温为 可见进油温度控制在40℃以下时,可以满足工作能力要求。
●讨论 (1)液体润滑轴承仍然需要验算条件性耐磨准则.本例中是通过选择材料来实现条件性耐磨准则的. (2)半径间隙 c 通常由标准的孔-颈配合来保证，但也可以通过非标准的公差实现. (3)
(3)选择润滑油。 因滑动速度高,应选用黏度较低的润滑油。参考表10-8,表14-4,转速>1500r/min选用HU-20汽轮机油(老标准为N22汽轮机油),50℃时运动黏度υ=18~20mm2/s,取润滑油的密度ρ=860kg/m³,设油的平均温度tm =50℃ 由式(10-3),取B=-3.5,则 解得 所以，50℃时油的运动黏度为 则油的动力黏度为 (4)选择相对间隙ψ 由式(10-18) 取Ψ=0.0018。轴承的半径间隙
(5)确定许用油膜厚度[h] 参考表10-2,取轴颈表面粗糙度Rz1=1.6 μm,轴承衬表面粗糙度Rz2=3.2 μm, 取可靠性系数=2,则许用油膜厚度