滑动轴承教材教案

第12章滑动轴承轴承是机器仪器和器械中的重要支承零件，其主要作用是支承转动（或摆动）的运动部件(转轴，心轴等)，保证轴和轴上传动件的回转精度，减少摩擦和磨损，并承受载荷。轴承分为滚动轴承和滑动轴承两大类。仅在滑动摩擦下运转的轴承称为滑动轴承。滚动轴承的摩擦阻力较小，机械效率较高，润滑和维护方便，并且已经标准化，在机械中应用广泛，但它的径向尺寸、振动和噪声较大。滑动轴承除了在简单和成本要求低的场合使用外，主要用于滚动轴承难以满足支承要求的场合——高速度、高精度、大冲击、长寿命，例如发电机组、内燃机组、陀螺仪、高速高精度机床和航空航天设备等。如图12-1所示。图12-1广东玉柴发动机组本章知识要点(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。兴趣实践拆装整体式、剖分式滑动轴承，掌握其结构上的异同和特殊性，注意滑动轴承的运动及润滑情况。探索思考针对不同的工作情况，怎样选择合适类型的滑动轴承？预习准备请预先复习以前学过的滚动轴承的相关知识，了解滚动轴承与滑动轴承在结构和使用场合的异同点。12.1认识滑动轴承在工业生产中，虽然滚动轴承被广泛采用，但在许多的情况下必须采用滑动轴承。这是因为滑动轴承具有滚动轴承所不能代替的特点。其具体优点有：滑动轴承具有工作平稳、可靠，结构简单、尺寸小、精度高，振动小、噪声比滚动轴承低，可以承受重载等优点，在保证液体润滑而非干摩擦的条件下，可以长期在设计转速下运行，所以滑动轴承在工程机械上得到了广泛的应用。12.1.1滑动轴承的分类滑动轴承的分类方法很多，但依据其载荷和结构形式分类的方式较为多用。按所承受载荷的方向可以分为：承受径向载荷的径向滑动轴承（图12-2），承受轴向载荷的止推轴承（图12-3）和承受径向、轴向联合载荷的径向止推滑动轴承。图12-2径向滑动轴承图12-3止推轴承按滑动轴承是否可以剖分又可以分为整体式（图12-4（a））和剖分式（图12-4（b））。整体式滑动轴承构造简单，常用于低速、载荷较小的间歇工作机器上，而且轴只能从轴的端部装入。剖分式滑动轴承的轴瓦一般是对开式，当它的轴瓦磨损后可以通过适当地调整垫片或对其分合面进行刮削、研磨来调整轴与孔的间隙，应用较广。图12-4整体式和剖分式滑动轴承结构另外，滑动轴承，根据其相对运动的两表面间油膜形成原理的不同，还可分为流体动力润滑轴承(简称动压轴承)和流体静力润滑轴承(简称静压轴承)。（1）动压轴承：这种轴承依靠轴颈（或止推盘）本身的旋转，把润滑油带入轴颈（或止推盘）与轴瓦之间，形成楔状油膜，受到负荷的挤压建立起油膜压力以承受载荷，由于轴颈与轴瓦之间被一层油膜完全隔开，油膜有足够的压力平衡外载荷，轴颈与轴瓦完全被油膜隔开，处于液体润滑状态中。如单油楔轴承结构，适应于载荷方向基本固定的场合。多油楔轴承结构较复杂，能满足变方向载荷和高速回转的要求。动压轴承还有径向、推力和径向推力之分，以及固定瓦和可倾瓦之分。（2）静压轴承：轴颈与轴承被外界供给的一定压力的承载油膜完全隔开，油膜的形成不受相对滑动速度的限制，在各种速度（包括速度为零）下均有较大承载能力。轴的稳定性好，可满足轴的高度平稳回转要求，摩擦系数小，机械效率高。但需要一套复杂的供油系统，多用于各种机床。12.1.2止推轴承推力滑动轴承仅能承受轴向载荷，由轴承座和止推轴颈等组成。固定式推力滑动轴承常用的结构形式及尺寸如图12-5所示。实心式接触面上的压强分布不均匀，靠近边缘部分磨损较快，很少使用;空心式接触面积减小，润滑条件改善，避免了磨报不均;单环式推力轴承，止推面可以利用轴的端面或轴环端面，也可在轴的中段做出凸肩或装上推力圆盘，结构简单，常用于低速轻载的场合;多环式采用多个环承担载荷，提高了承载能力，还可以承受双方向上的轴向载荷，但各环承载能力大小不等，环数不能太多（a）实心式（b）空心式（c）单环式（d）多环式图12-5固定式推力滑动轴承可倾式推力滑动轴承如图12-6所示，轴颈端面仍为一平面，轴承是由20-30个扇形块支承在球面或圆柱上，扇形块为钢板，滑动表面覆以轴承衬材料.轴承工作时，扇形块可以自动调位，以适应不同的工作条件。若扇形块固定，则成为固定式推力轴承。图12-6可倾瓦推力滑动轴承12.2轴瓦的材料和结构12.2.1轴瓦的材料滑动轴承的材料主要是指轴瓦（套）材料。对滑动轴承材料的主要要求有：应具有良好的减磨和耐磨性；良好的承载性能和抗疲劳性能，故有时要采用多层或组合结构加以保障；良好的顺应性和嵌藏性，这样能避免表面间的卡死和划伤；在可能产生胶合的场合，选用具有抗胶合性的材料；具有良好的加工工艺性与经济性。滑动轴承的常用材料主要有金属材料、粉末冶金材料和非金属材料三大类。金属材料又主要有轴承合金、青铜和铸铁。１．轴承合金又称巴氏合金。它以锡(Sn)或铅(Pb)作软基体，内悬浮锑锡(Sb-Sn）及铜锡(Cu-Sn)的硬晶粒。硬晶粒起抗磨作用，软基体则增加材料的塑性。硬晶粒受重载时回嵌陷到软基体里，而使承载面积增大。轴承合金的嵌藏性和顺应性最好，易跑合，且不易与轴颈胶合。但其机械强度低，价格也贵，不能单独制作轴瓦，只能用作轴承衬材料。按基体材料的不同,分为锡锑轴承合金和铅锑轴承合金两类。锡锑轴承合金摩擦系数小、抗胶合、易跑合、耐腐蚀，用于高速、重载场合，是一种很好的轴承材料，但价格较高；铅锑轴承合金各种性能与锡锑轴承合金接近，且价格低一些，但不适合于有冲击载荷的场合，一般用于中速、中载的轴承。2．铸铁主要是灰铸铁和耐磨铸铁。铸铁类材料的塑性和跑合性差，但价格低廉，适于低速、轻载的不重要场合的轴承。3．青铜主要有锡青铜、铅青铜和铝青铜。青铜类材料强度高、耐磨和导热性好，但跑合性略差。锡青铜和铅青铜适于中速、重载轴承，铝青铜适于低速、重载轴承。4．粉末冶金材料由金属粉末和石墨高温烧结成型，是一种多孔结构金属合金材料。使用前将轴瓦在润滑剂中浸泡，则各微小孔中充满润滑剂，工作时由于轴颈转动的抽吸和轴瓦自身的热胀作用，使润滑剂流出而实现润滑。停车后润滑剂又被吸回孔中。主要用于轻载、低速且不易经常添加润滑剂的场合。5．非金属材料主要是塑料、橡胶、石墨、尼龙等材料以及一些合成材料，成本低，对润滑无要求，易成型，抗振动。在家电、轻工、玩具、小型食品机械中使用较为广泛。12.2.2轴瓦的结构轴瓦是轴承的重要构件之一，轴瓦是滑动轴承和轴接触的部分，非常光滑，一般用青铜、减摩合金等耐磨材料制成，在特殊情况下,可以用木材、塑料或橡皮制成。也叫“轴衬”，形状为瓦状的半圆柱面。滑动轴承工作时，轴瓦与转轴之间要求有一层很薄的油膜起润滑作用。如果由于润滑不良，轴瓦与转轴之间就存在直接的摩擦，摩擦会产生很高的温度，虽然轴瓦是由于特殊的耐高温合金材料制成，但发生直接摩擦产生的高温仍然足于将器烧坏。轴瓦还可能由于负荷过大、温度过高、润滑油存在杂质或黏度异常等因素造成烧瓦。烧瓦后滑动轴承就损坏了。因此其结构的合理性对轴承性能有直接的影响。一般情况下，按照轴瓦的结构形式，轴瓦的结构形式有整体式和剖分式两种。整体式轴瓦通常称为轴套，如图12-7所示。轴套又分为光滑轴套(一般不带油沟)和带纵向油槽的轴套两种。光滑轴套的构造简单，用子轻载、低速或不经常转动和不重要的场合;带纵向汕槽的轴套，便于向丁作面供油，故应用比较广泛。剖分式轴瓦由上、下两轴瓦组成通常，下轴瓦承载载荷，上轴瓦不承受载荷上轴瓦开有油沟和油孔，润滑油由油孔输人后，经油沟分布到整个轴瓦表面上。如图12-8所示。油孔和汕沟的开设原则是:①轴向油沟应较轴承宽度稍短，以免油从油沟端部大量流失;②油沟的形状和位置影响轴承中油膜压力分布情况，当宽度相同时，设有周向油沟轴承的承载能力低于设有轴向油沟的轴承;③润滑油应该自油膜压力最小的地方输人，油沟不应该开在油膜承载区内，否则会降低油膜的承载能力。图12-7整体式轴瓦图12-8剖分式轴瓦轴瓦可以由一种材料制成，也可以在高强度材料的轴瓦基体上浇注一层或两层轴承合金作为轴承衬，称为双金属轴瓦或三金属轴瓦。为了使轴承衬与轴瓦基体结合牢固，可在轴瓦基体内表面或侧面制出沟槽，如图12-9所示。图12-9瓦背内壁沟槽为了使润滑油能均匀流到轴瓦的整个工作表面上，轴瓦上要开出油孔和油沟，一般油孔和油沟应开在非承载区，以保证承载区油膜的连续性。图12-10所示为几种常见的油沟形式。图12-10油沟形式(非承载区)12.3非流体摩擦滑动轴承的计算当滑动轴承中润滑剂缺乏或形成流体动压润滑初期润滑不良时，其摩擦表面不能被润滑油完全隔开，存在局部金属表面的直接接触，轴承只能在混合摩擦或边界摩擦下状态工作，称为非液体摩擦滑动轴承其结构简单、成本低，但摩擦磨损大、效率低，主要用于工作可靠性要求不高、转速较低、间隙工作和难y}维护等条件下工作的轴承。这类轴承主要失效形式是磨损和胶合，其次是表面压溃和点蚀。因此，这类轴承的设计准则是:以维护边界油膜不遭破坏为最低要求，并尽量减少轴承材料的磨损。由于促使边界油膜破坏的因素较复杂，尚未完全被人们掌握，因此目前采用的计算方法具有一定的间接性和条件性实践证明，若能限制压力和压力与速度的乘积不超过许用值.是能够保证轴承很好地工作。12.3.1径向轴承设计计算时一般已知轴承的载荷转速及轴的直径，然后选定宽径比B/d值。推荐取0.5-1.5的宽径比，这样就可以确定出轴承的宽度B的值。然后对轴承进行以下验算。1、验算轴承平均压力p.验算轴承工作摩擦表面的压强p，以控制磨损：由于压强p是影响磨损的主要因素，对于滑动速度较低的轴承，验算轴承的这一项参数就可以。如图12-11所示。图12-11径向滑动轴承的计算图承载区域上的最大压强：FppBdMPa（12-1）式中，F——轴承的径向载荷，N；B——轴承的工作宽度，mmd——轴径，mm；[p]——轴瓦材料的许用应力，可以查表12-1得到。2、验算轴承压力和速度乘积pv值轴承运转时的温升与单位面积上的摩擦功率fpv(f为摩擦系数)有关，即与pv有关。pv值越大，轴承温度越高，将容易引起润滑油膜的破裂，使润滑条件恶化而导致轴承发生胶合。因此为防止轴承温度过高，避免产生胶合，应限制轴承的pv值：601000FdnpvpvBd（12-2）式中，n——轴的转速，r/min；v——轴颈的速度，m/s[pv]——轴瓦材料pv的许用值，MPa(m/s)，可以查表12-1得到；表12-1常用金属轴承材料性能轴承材料牌号最大许用值最高工作温度/(℃)轴颈硬度/（HBS）性能比较[p]/(MPa)[v]/(m/s)[pv]/(MPa.m/s)抗咬粘性顺应性嵌入性耐蚀性疲劳强度锡锑轴承合金ZSnSb11Cu6ZSnSb8Cu4平稳载荷15011115258020冲击载荷206015铅锑轴承合金ZPbSb16Sn16Cu21512101501501135ZPbSb15Sn5Cu3Cd2585锡青铜ZCuSn10P1151015280300~4003511(10-1锡青铜)ZCuSn5Pb5Zn58315(5-5-5锡青铜)铅青铜ZCuPb302512302803003442(30铅青铜)铝青铜ZCuAl10Fe3154122803005552(10-3铝青铜)黄铜ZCuZn16Si4122102002005511(16-4硅黄铜)ZCuZn40Mn2(40-2锰黄铜)101102002005511铝基轴承合金28~3514--14030043122%铝锡合金三元电镀合金铝-硅-镉镀层14~35----170200~3001222银镀层28~35----180300~4002311耐磨铸铁HT3000.1~63~0.750.3~4.51501504511灰铸铁HT150～HT2501~42~0.5____--4511注：性能比较的取值为1-5依次由佳到差3、验算轴承的速度v为防止轴承的速度过大而出现的早期磨损，需要限制轴承的速度：vv（12-3）式中，[v]——轴瓦材料许用线速度，m/s可以查表12-1