第15章 滑动轴承 §15-1 摩擦状态 §15-2 滑动轴承的结构型式 §15-3 轴瓦及轴承衬材料 §15-4 润滑剂和润滑装置

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1 第15章 滑动轴承 §15-1 摩擦状态 §15-2 滑动轴承的结构型式 §15-3 轴瓦及轴承衬材料 §15-4 润滑剂和润滑装置
第15章 滑动轴承 § 摩擦状态 § 滑动轴承的结构型式 § 轴瓦及轴承衬材料 § 润滑剂和润滑装置 § 非液体摩擦滑动轴承的计算 § 动压润滑的基本原理 § 液体动压多油楔轴承简介 § 静压轴承与空气轴承简介

2 轴承的功用： 1）支承轴及轴上零件，并保持轴的旋转精度； 2）减少转轴与支承之间的摩擦和磨损 滚动轴承 优点多，应用广 分类： 滑动轴承 用于高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合。 应用实例：汽轮机、离心式压缩机、内燃机、大型电机、水泥搅拌机、滚筒清砂机、破碎机等机械常采用滑动轴承。

3 §15-1 摩擦状态 v v 1. 干摩擦 固体表面直接接触，因而 →功耗↑ 磨损↑ 温度↑ →烧毁轴瓦 不用许出现干摩擦！ v
§ 摩擦状态 v v 1. 干摩擦 固体表面直接接触，因而 →功耗↑ 磨损↑ 温度↑ →烧毁轴瓦 不用许出现干摩擦！ v 2. 边界摩擦 运动副表面有一层厚度<1 μm的薄油膜，不足以将两金属表面分开，其表面微观高峰部分仍将相互搓削。 比干摩擦的磨损轻，f ≈ 0.1 ~ 0.3 v 3. 液体摩擦 有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此不直接接触。 摩擦和磨损极轻，f ≈ ~ 0.01

4 在一般机器中，处于以上三种情况的混合状态。
边界摩擦 f ηn/p o 混合摩擦 液体摩擦 摩擦特性曲线 称无量纲参数ηn/p为轴承特性数。 η-动力粘度，p-压强 ，n-每秒转数

5 §15-2 滑动轴承的结构型式 一、 向心滑动轴承 组成：轴承座、轴套或轴瓦、联接螺栓等。 螺纹孔 轴承座 联接螺栓 轴承 榫口 轴承盖
§ 滑动轴承的结构型式 一、 向心滑动轴承 组成：轴承座、轴套或轴瓦、联接螺栓等。 螺纹孔 轴承座 联接螺栓 轴承 榫口 轴承盖 整体式向心滑动轴承 剖分轴瓦 轴承座 剖分式向心滑动轴承

6 厚壁轴瓦 薄壁轴瓦 整体轴套 卷制轴套 轴瓦非承载区内表面开有进油口和油沟，以利于润滑油均匀分布在整个轴径上。 F 进油孔 油沟

7 结构特点： 在轴的端面、轴肩或安装圆盘做成止推面。在止推环形面上，分布有若干有楔角的扇形快。其数量一般为6~12。
二、 推力滑动轴承 作用：用来承受轴向载荷 结构特点： 在轴的端面、轴肩或安装圆盘做成止推面。在止推环形面上，分布有若干有楔角的扇形快。其数量一般为6~12。 用来承受停车后的载荷。 固定式 ---倾角固定，顶部预留平台， 类型 可倾式 ---倾角随载荷、转速自行 调整，性能好。 F 巴氏合金 F F 绕此边线自行倾斜

8 §15-3 轴瓦及轴承衬材料 材料要求： 1）摩擦系数小； 2）导热性好，热膨胀系数小； 3）耐磨、耐腐蚀、抗胶合能力强；
§ 轴瓦及轴承衬材料 材料要求： 轴承衬 1）摩擦系数小； 2）导热性好，热膨胀系数小； 3）耐磨、耐腐蚀、抗胶合能力强； 4）有足够的机械强度和塑性。 能同时满足这些要求的材料是难找的，但应根据具体情况主要的使用要求。 工程上常用浇铸或压合的方法将两种不同的金属组合在一起，性能上取长补短。 一、轴承合金（白合金、巴氏合金） 1）锡锑轴承合金 优点： f 小，抗胶合性能好、对油的吸附性强、耐腐蚀性好、容易跑合、是优良的轴承材料，常用于高速、重载的轴承。

9 缺点：价格贵、机械强度较差； 只能作为轴承衬材料浇注在钢、铸铁、或青铜轴瓦上。 工作温度：t<120℃ 由于巴式合金熔点低 2）青铜 优点：青铜强度高、承载能力大、耐磨性和导热性 都优于轴承合金。工作温度高达250 ℃。 缺点：可塑性差、不易跑合、与之相配的轴径必须淬硬。 青铜可以单独制成轴瓦，也可以作为轴承衬浇注在钢或铸铁轴瓦上。 锡青铜 →中速重载 铅青铜 →中速中载 铝青铜 →低速重载

10 缺陷，可作为轴承衬粘复在金属轴瓦上使用。
3）具有特殊性能的轴承材料 含油轴承： 用粉末冶金法制作的轴承，具有多孔组织，可存储润滑油。可用于加油不方便的场合。 运转时轴瓦温度升高，由于油的膨胀系数比金属大， 油自动进入摩擦表面起到润滑作用。含油轴承加一次油，可使用较长时间。 铸铁：用于不重要、低速轻载轴承。 橡胶轴承：具有较大的弹性，能减轻振动使运转平稳，可用水润滑。常用于潜水泵、沙石清洗机、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、耐腐蚀、可用水、油及化学溶液等润滑的优点。 缺点：导热性差、膨胀系数大、容易变形。为改善此 缺陷，可作为轴承衬粘复在金属轴瓦上使用。

11 表15-1 常用轴瓦及轴承衬材料的性能 材料及其代号 [p] Mpa [pv] Mpa.m/s HBS 铸锡锑轴承合金 ZSnSb11Cu6
表 常用轴瓦及轴承衬材料的性能 材料及其代号 铸锡锑轴承合金 ZSnSb11Cu6 铸铅锑轴承合金 ZPbSb16Sn16Cu2 铸锡青铜 ZCuSn10P1 ZCuSn5Pb5Zn5 铸铝青铜 ZCuAl10Fe3 [p] Mpa [pv] Mpa.m/s 平稳 冲击 25 20 15 HBS 金属型 砂型 最高工作温度℃ 轴径硬度 150HBS 45HBC 150 280 27 30 90 80 65 60 110 100 8 10 12

12 §15-4 润滑剂和润滑装置 一、 润滑剂 作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。 液体润滑剂----润滑油 分类
§ 润滑剂和润滑装置 一、 润滑剂 作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。 液体润滑剂----润滑油 A、B两板之间充满了液体，B板静止，A板水平移动速度为v。由于液体与金属表面的吸附作用，A板表面的液体速度为v，而B板表面的液体速度为0。两板之间的速度呈线性分布。 分类 半固体润滑剂----润滑脂 A 固体润滑剂 1. 润滑油 o x y 在用的大部分润滑油为矿物油（石油） y 在轴承中，润滑油最重要的物理参数是粘度，它是选择润滑油的主要依据。粘度表征液体流动的内摩擦特性。 dy du 粘度----重要参数 液体层与层之间摩擦切应力： B 分析位置y处薄层的受力 τ=η du dy 实验结果： ----- 牛顿液体流动定律 η----液体的动力粘度，简称粘度 量纲：力·时间/长度2 单位：N · s /m2 (Pa ·s) 或泊：1P=1 dyn · s /cm2 ν = η ρ 单位： m2 / s 或斯St：cm2 /s 运动粘度： 或厘斯cSt：1St=100 cSt 我国石油产品是用运动粘度标定的

13 全损耗 系统用油 GB443-89 汽轮机油 GB11120-89 代 号 主要用途
表 常用常用润滑油的主要性质 名 称 全损耗 系统用油 GB443-89 汽轮机油 GB 代 号 40 ℃的粘度 mm2/s L-AN ~ 凝点 ≤ C 闪点(开式) ≥ C 用于高速底负荷机械、精密机床、纺织纱锭的润滑和冷却。 普通机床的液压油。用于一般滑动轴承、齿轮、蜗轮的润滑 用于重型机床导轨、矿山机械的润滑。 用于汽轮机、发电机等高速高负荷轴承和各种小型液体润滑轴承 L-AN ~ L-AN ~ L-AN ~ L-AN ~ L-AN ~ L-AN ~ L-TSA ~35.2 L-TSA ~50.6 主要用途

14 1) 载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；
润滑油的特性： 1）温度 t ↑ → η ↓ 粘--温图 但p <10 Mpa时可忽略。变化很小 2）压力p ↑ → η ↑ 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 30 40 50 60 70 80 90 ℃ η 选用原则： L-TSA32 1) 载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油； L-TSA32 2) 载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油； L-TSA32 2. 润滑脂 L-TSA32 ----润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。 优点：密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度不敏感，适用范围广。

15 缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。 目前使用最多的是钙基脂，有耐水性，常用于60 ℃以下的各种机械设备的轴承。
3. 固体润滑剂 石墨 ---性能稳定、t >350 ℃才开始氧化， 可在水中工作。 -----摩擦系数低，只有石墨的一半。 聚氟乙烯树脂 二流化钼（MoS2） -----摩擦系数低，使用温度范围广 (-60~300 ℃)，但遇水性能下降。 用于润滑油不能胜任工作的场合：高温、低速重载。 其应用日渐广泛 使用方式： 1.调和在润滑油中； 2.涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜； 3.混入金属或塑料粉末中烧结成型。

16 二、润滑装置 1. 油杯 压注式油杯 针阀式油杯 弹簧盖油杯 旋盖式油杯 脂用

17 2. 油环

18 §15-5 非液体摩擦滑动轴承的计算 在油、脂中加入少量石墨或二流化钼粉末，形成边界油膜，填平粗糙表面而减少磨损。不能完全排除磨损。
§ 非液体摩擦滑动轴承的计算 在油、脂中加入少量石墨或二流化钼粉末，形成边界油膜，填平粗糙表面而减少磨损。不能完全排除磨损。 限制轴承压强p，以保证润滑油不被过大的压力挤出，从而避免轴瓦产生过渡的磨损。 一、 向心轴承 p= ≤[p] F Bd 1. 轴承的压强p F----径向载荷，B----轴瓦宽度，d----轴径，[p]----许用压强。 表 常用轴瓦及轴承衬材料的性能 材料及其代号 铸锡锑轴承合金 ZSnSb11Cu6 铸铅锑轴承合金 ZPbSb16Sn16Cu2 铸锡青铜 ZCuSn10P1 ZCuSn5Pb5Zn5 铸铝青铜 ZCuAl10Fe3 [p] Mpa [pv] Mpa.m/s 平稳 冲击 25 20 15 HBS 金属型 砂型 最高工作温度℃ 轴径硬度 150HBS 45HBC 150 280 27 30 90 80 65 60 110 100 8 10 12

19 2. 轴承的pv值 压强限制p以保证润滑剂不被挤出
pv与功耗成正比，它表征了轴承的发热因素，pv越大，温升越高，越容易引起油膜的破裂 2. 轴承的pv值 压强限制p以保证润滑剂不被挤出 pv = · F Bd πdn 60× 1000 ≤[pv] n----转速，[pv]----许用值。 二、 推力轴承 F d1 d2 F ≤[p] d2 d1 pvm=[pv] z----轴环数, 考虑承载的不均匀性， [p]、[pv]应降低20~40%

20 §15-6 动压润滑的基本原理 一、动压润滑的形成和原理和条件 两平形板之间不能形成压力油膜！ 动压油膜----因运动而产生的压力油膜。 v
§ 动压润滑的基本原理 一、动压润滑的形成和原理和条件 先分析平行板的情况。板B静止，板A以速度向左运动，板间充满润滑油，无载荷时， 液体各层的速度呈三角形分布，近油量与处油量相等，板A不会下沉。但若板A有载荷时，油向两边挤出，板A逐渐下沉，直到与B板接触。 两平形板之间不能形成压力油膜！ 如两板不平行板。板间间隙呈沿运动方向由大到小呈收敛楔形分布，且板A有载荷， 当板A运动时，两端速度若程虚线分布，则必然进油多而出油少。由于液体实际上是不可压缩的，必将在板内挤压而形成压力，迫使进油端的速度往内凹，而出油端的速度往外鼓。进油端间隙大而速度曲线内凹，出油端间隙小而速度曲线外凸，进出油量相等，同时间隙内形成的压力与外载荷平衡，板A不会下沉。这说明了在间隙内形成了压力油膜。这种因运动而产生的压力油膜称为动压油膜。各截面的速度图不一样，从凹三角形过渡到凸三角形，中间必有一个位置呈三角形分布。 动压油膜----因运动而产生的压力油膜。 v F v v v h2 c h0 b h1 a F F F F

21 2.两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体；
形成动压油膜的必要条件： 1.两工件之间的间隙必须有楔形间隙； 2.两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体； 3.两工件表面必须有相对滑动速度。其运动芳方向必须保证润滑油从大截面流进，从小截面出来。 向心轴承动压油膜的形成过程： 静止 →爬升 →将轴起抬 转速继续升高 F →质心左移 →稳定运转达到工作转速 e ----偏心距 e ∑ Fy =F ∑ Fx ≠ 0 ∑ Fy =F ∑ Fx = 0

22 dτ d y dx dp dx dp d2u d y2 dy du τ=η 2η 1 dx dp 2η 1 dx dp h v
二、流体动压润滑的基本方程 1.Z向无限长，润滑油在Z向没有流动； 假设条件： 2.压力 p 不随 y 值的大小而变化； 3.润滑油粘度 η不随压力而变化； 4.润滑油处于层流状态。 取微单元进行受力分析: pdydz+(τ+dτ)dxdz-(p+dp)dydz –τdxdz=0 = dτ d y dx dp A x z y 整理后得： 任意一点的油膜压力p沿x方向的变化率，与该点y向的速度梯度的导数有关。 =η dx dp d2u d y2 得： dy du τ=η 又有： u= y2+C1y+C2 2η 1 dx dp B 对y积分得： τ p+dp p 边界条件： 当y=0时，u=-v →C2 = -v τ+dτ →C1= h + 2η 1 dx dp h v 当y=h时，u=0

23 速度梯度du/dy呈线性分布，其余位置呈非线性分布。流量相等，阴影面积相等。
u= (y2- hy) + 2η 1 dx dp v h y-h 代入得： 任意截面内的流量： 依据流体的连续性原理，通过不同截面的流量是相等的 该处速度呈三角形分布，间隙厚度为h0 x p b-b截面内的流量： pmax 负号表示流速的方向与x方向相反，因流经两个截面的流量相等，故有： =6ηv dx dp h0-h h3 得： --- 一维雷诺方程 液体动压润滑的基本方程，它描述了油膜压力p的变化与动力粘度、相对滑动速度及油膜厚度h之间的关系。 v F a c x z y 由上式可得压力分布曲线: p=f(x) h0 b 在b-b处：h=h0， p=pmax 速度梯度du/dy呈线性分布，其余位置呈非线性分布。流量相等，阴影面积相等。

24 §15-7 液体动压多油楔轴承简介 将轴瓦内孔做成特殊形状，以产生多个动压油膜，提高轴承的工作稳定性和旋转精度。 一、椭圆轴承
§ 液体动压多油楔轴承简介 将轴瓦内孔做成特殊形状，以产生多个动压油膜，提高轴承的工作稳定性和旋转精度。 一、椭圆轴承 制造时两半之间加垫片，镗出圆孔，使用时拆去垫片即可。 特点：形成两个动压油膜，提高了稳定性。摩擦损耗加 大、供油量增大、承载能力降低。矢量之合 F F ω ω ω O1 ω O1 O2 O2 O3 固定式 可倾式 二、三油楔轴承 特点：形成三个动压油膜，提高了旋转精度和稳定性。 摩擦损耗加大、承载能力降低，制造困难。

25 §15-8 静压轴承与空气轴承简介 一、静压轴承 工作原理：依靠供油装置，将高压油压入轴承间隙中，强制形成油膜。
§ 静压轴承与空气轴承简介 一、静压轴承 节流器 D ~ 工作原理：依靠供油装置，将高压油压入轴承间隙中，强制形成油膜。 油台 起密封作用 特点：静压轴承载任何工况下都能胜任工作。 d0 关键器件： 节流器 节流器作用：根据外载荷的变化自动调节各油腔内的压力。 d0 常用节流器

26 二、空气轴承 空气也是一种流体润滑剂，其粘度只有L-AN7润滑油的1/4000， 摩擦力小到可忽略不计，因此可用于数十万转的超高速轴承。 空气轴承的工作原理与液体润滑轴承本质上是一样。 分静压和动压两种。 制造精度↑ 气膜厚度 μm 严格过滤 优点：1)不随温度变化，可用于高温或低温； 2)没有油污染的危险； 3)回转精度高，运行噪音低。 缺点：承载能力不大，密封困难。

27 本 章 要 求 (1)   了解滑动轴承的润滑与摩擦状态。 (2)   熟悉滑动轴承的主要结构型式、轴瓦及轴承材料。 (3)   了解润滑剂和润滑装置。