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第十七章 滑动轴承.

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1 第十七章 滑动轴承

2 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。

3 §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。

4 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。

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6 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。

7 图17-1 润滑膜厚度与粗糙度高度

8 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。

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10 §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。

11 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

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13 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。

14 图17-3剖分式径向滑动轴承

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16 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)。

17 图17-4斜开径向轴承

18 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。

19 图17-5间隙可调滑动轴承

20 图17-6 自位轴承

21 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。

22 图17-7轴瓦上的油沟

23 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。

24 图17-8轴瓦上的润滑油导入结构

25 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。

26 图17-9 轴瓦上的油槽

27 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。

28 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。

29 图17-10 固定瓦止推轴承

30 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。

31 (a) (b) 图17-11 固定瓦动压止推轴承

32 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。

33 (a) (b) 图17-12可倾瓦止推轴承

34 图17-13扇形瓦块结构

35 §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。

36 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。

37 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)。

38 (a) (b) (c) 图17-14轴承合金的浇铸方法

39 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。

40 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。

41 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。

42 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。

43 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。

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45 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。

46 图17-15 牛顿流体流动示意图

47 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

48 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)。

49 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

50 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:

51 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)

52 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。

53 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。

54 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。

55 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。

56 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。

57 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。

58 (a) (b) 图17-16为油孔及注油杯

59 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。

60 图17-17润滑脂杯

61 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。

62 图17-18 针阀式油杯

63 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。

64 图17-19油芯式油杯

65 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。

66 图17-20飞浅润滑

67 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。

68 图17-21油环润滑

69 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。

70 §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。

71 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。

72 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)。

73 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)。

74 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

75 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。

76 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。

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78 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

79 (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

80 (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。

81 §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。

82 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)。

83 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

84 a) b) c) d) 图17-23 动压油膜的形成过程

85 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。

86 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。

87 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。

88 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。

89 图17-24 静压轴承

90 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。

91 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。


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