机械设计基础第15章-滑动轴承

§15—1摩擦状态第十五章滑动轴承§15—2滑动轴承的结构型式概述§15—3轴瓦及轴承衬材料§15—4润滑剂和润滑装置§15—5非液体润滑滑动轴承的计算§15—6动压润滑的基本原理§15—7向心动压轴承的几何关系及承载量滑动轴承滚动轴承概述1、支承轴及轴上零件，保持轴的旋转精度2、减少转轴与支承之间的摩擦与磨损用于高速、重载、高精度、结构上需要剖分的场合（如汽轮机、离心式压缩机、内燃机、大型电机等）；也用于低速、受冲击载荷作用的的场合（如水泥搅拌机、滚筒清砂机、破碎机等）。轴承的功用：轴承分类：滚动轴承是标准件，它具有一系列优点，在一般机器中得到广泛应用。滑动轴承滚动轴承工作平稳，无噪声；液体润滑时摩擦损失小特点及应用：滑动轴承：滚动轴承：一、摩擦磨损的基本知识：§15—1摩擦状态有相对运动的零件，工作时都会有摩擦和磨损。摩擦是机械运动中的物理现象。在一般机械中因各种形式的表面损坏而失效的零件占全部零部件报废零部件的80%。采用润滑是减少摩擦磨损的有效手段。轴承工作时会产生摩擦磨损，下面介绍有关这方面的知识。两摩擦表面间无润滑剂，两固体表面直接接触的摩擦。干摩擦的摩擦阻力最大，f0.3，磨损最严重，零件的使用寿命最短。1、干摩擦二、摩擦状态按表面润滑情况，摩擦可分为：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦。摩擦表面间有润滑油存在，由于吸附作用，在金属表面上形成了一层极薄的边界油膜。2、边界摩擦这种摩擦的摩擦系数，f0.1～0.3因为油膜厚度小于1m，不足以将两金属表面分隔开，虽不能绝对消除表面磨损，但可以起着减轻磨损的作用。两摩擦表面完全被润滑油隔开，形成厚度达几十微米的压力油膜。3、液体摩擦由于只有液体间的摩擦，摩擦系数极小（f0.001～0.01）。§15—2滑动轴承的结构型式向心（径向）滑动轴承—主要承受径向载荷Fr。推力滑动轴承—主要承受轴向载荷Fa。按承受载荷方向分类：1、向心滑动轴承（剖分式）特点：可正剖、斜剖，装拆方便；磨损后可调整间隙；结构复杂螺栓轴承盖轴承座油杯座孔螺母套管上轴瓦下轴瓦轴瓦：进油口在非承载区为了便于润滑油均匀分布，进油口开有油沟。润滑油从进油口导入大型液体润滑的滑动轴承，一般采用润滑油从两侧导入的结构。2、推力滑动轴承在止推环形面上，分布有若干有楔角的扇形快。---倾角固定，顶部预留平台，类型固定式可倾式---倾角随载荷、转速自行调整，性能好。FF§15-3轴瓦及轴承衬材料对轴瓦的材料要求：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；4）要有足够的机械强度和可朔性。同时满足上述要求的材料很难找，通常是采用两层不同的金属做成的轴瓦，粘附上去的薄层材料称为轴承衬。一、轴承合金（又称白合金、巴氏合金）分类：锡锑轴承合金、铅锑轴承合金。特点：锡锑轴承合金：优点：摩擦系数小、抗胶合性能良好、对油的吸附性强、耐腐蚀性能好、易跑合；缺点：价格较贵、高温时机械强度较差；铅锑轴承合金：优点：性能与锡锑轴承合金相近；缺点：但材料较脆；——常用于高速、重载；只能作为轴承衬材料（浇注在钢、铸铁或青铜轴瓦上）。——一般用于中速、中载，不宜承受较大的冲击载荷。只能作为轴承衬材料。——是锡、铅、锑、铜等金属的合金，锡或铅为基体。二、青铜——主要是铜与锡、铅、锌和铝的合金。锡+铜=锡青铜：用于高速、重载特点：优点：强度高、承载能力大、耐热性与导热性优于轴承合金；缺点：可塑性差、不易跑合，故对应的轴颈应淬火——可以直接制成轴瓦，也可作轴承衬材料浇注在钢、铸铁上。铅+铜=铅青铜：用于中速、中载铝+铜=铝青铜：用于低速、重载三、具有特殊性能的轴承材料——将不同金属粉末+石墨、硫、锡或铅等粉末混合，经高压成型，再经高温烧结，形成的多孔性材料（又称陶瓷金属）。粉末冶金：使用前需在热油中浸渍几小时，使孔隙中充满润滑油。使用时由于温升润滑油进入摩擦表面。可用于加油不方便的场合。可用于不重要或低速轻载的轴承中灰铸铁或耐磨铸铁：橡胶：优点：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。工程塑料：优点：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）。§15-4润滑剂和润滑装置一、润滑剂降低摩擦功耗，减少磨损；同时冷却、吸振、防锈。润滑剂可以分为：液体润滑剂——润滑油、液体，用途最广泛润滑目的：半固体润滑剂——润滑脂半固体，润滑油＋稠化剂，一般用于中低速固体润滑剂——主要用作油、脂的添加剂，也可单独使用，如C,MoS2,PTFE(聚四氟乙烯)等1、润滑油——是润滑油最重要的物理性能，是选择润滑有的主要依据。——表示流体抵抗剪切应力的能力，是衡量流体内摩擦阻力大小的指标。AoxyydyduBuv剪切应力如何求？由于润滑油的吸附作用（油性）——VA=V,VB=0由于润滑油的摩擦剪切应力——层与层之间有相对错动粘度：由实验：dydu：对应于点的速度梯度；：是比例系数，即液体的动力粘度，简称粘度。dyduAoxyydyduBuv负号表示u随y的增加而减少η量纲：力·时间/长度2单位：国际单位：N·s/m2(Pa·s)；厘米克秒制：1P（泊）=100cP（厘泊）1Ns/m2=10P运动粘度：v单位：国际单位：m2/s厘米克秒制:St(斯,cm2/s)=100cSt(厘斯,mm2/s)等于动力粘度与液体密度的比值：1m2/s=104St我国石油产品是用运动粘度cSt(mm/s2)标定的表15-2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GB11120-89代号40℃的粘度mm2/sL-AN76.12~7.48-10110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-AN10090~1100210L-AN109.0~11.0-10125L-AN1513.5~16.5-10165L-AN3228.8~32.2-10170L-AN4641.4~50.6-10180L-AN6861.2~74.8-10190L-TSA3228.8~35.2-7180L-TSA4641.4~50.6主要用途润滑油的粘度是随温度的升高而降低的——温粘图粘度随压力的升高而增大，当压力不高时（小于100个大气压），变化极小。潘存云教授研制0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃ηL-AN32L-AN46L-AN100L-AN150载荷大、温度高，速度低——粘度大一些；载荷小、温度低，速度高——粘度小一些；润滑油选择原则：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）混合稠化而成的。分类：钙基脂钠基脂锂基脂：既耐水、又耐高温（150°C）：耐水、不耐高温（60°C）：不耐水、耐高温（145°C）特点：无流动性、可在滑动表面形成一层薄膜、承载能力大；性能不稳定、摩擦功耗大。适用场合：难以经常供油、低速重载、冲击、温度变化不大、摆动运动。3、固体润滑剂一般在超出润滑油使用范围之外才考虑使用：高温、低速重载如C（石墨）,MoS2,PTFE(聚四氟乙烯)等。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。二、润滑装置润滑油润滑装置：油孔芯捻或线纱油杯针阀滴油杯油环压力润滑润滑脂润滑装置：潘存云教授研制潘存云教授研制压注式油杯旋盖式油杯15-5非液体摩擦滑动轴承的计算混合摩擦（也称非液体摩擦）：介于干摩擦、边界摩擦与液体摩擦之间。失效形式：磨损——导致轴承配合间隙加大，影响轴的旋转精度，甚至使轴承不能正常工作胶合——高速重载且润滑不良时，摩擦加剧，发热多，使轴承上较软的金属粘焊在轴颈表面而出现胶合设计准则：维持边界膜不遭破坏——主要进行压强p、压强与速度乘积pv的验算一、向心轴承的计算2、压强和速度乘积pv的验算限制温升，防止油膜破裂，防止胶合破坏1、压强p验算限制压力，防止油膜破裂，防止轴瓦过度磨损bdFbdFpMPa][pbnFdnbdFpv19100100060][pv3、速度验算限制速度，防止早期磨损100060dnv][v见表15-1二、推力轴承的计算2、压强和速度乘积pv的验算限制温升防止油膜破裂，防止胶合破坏1、压强p验算限制压强，防止油膜破裂，防止轴瓦过度磨损)(4202ddzFpMPa][pmpv][pv许用pv值查表15-1d0Fn平均速度§15-6动压润滑的基本原理一、液体动压润滑基本方程——雷诺方程1、建模为方便研究，作如下假设：研究对象：被润滑油隔开作相对运动的两刚体，一个以v运动，一个静止。潘存云教授研制潘存云教授研制FFFF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。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。v潘存云教授研制Fvvvh1aah2ccvvh0bbF一、动压润滑的形成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。§12-7液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算§15-6液体动力润滑的基本方程式一、液体动压润滑基本方程——雷诺方程1、建模为方便研究，作如下假设：研究对象：被润滑油隔开作相对运动的两刚体，一个以v运动，一个静止。1）忽略p-η效应（压粘效应）一般情况适用，对高副不适用（如齿轮）2）油沿z方向无流动，即无限宽轴承0zpB→∞（无限宽）：一维方程3）层流（一般中高速情况；特高速“湍流”、“紊流”）4）油与表面吸附，一起运动或静止即：油层流速y=0，u=v(板速)y=h，u=0(静止板)5）不计油的惯性力和重力6）油不可压缩：ρ=const端泄端泄BB为有限宽时：二维方程2、求解针对“连续介质”，通过取“微单元体”手段：:0X0)()(dxdzdyydxdzdydzdxxpppdydzyxpyu由于：22yuxp流速方程：yhyxpyhhvu)(21)(剪切流(直线分布)压力流(抛物线分布)二次积分21221CyCyxpu代入边界条件：y=0，u=v；y=h，u=0pmaxOxyh0hh0hh0epx0exeep=0pexe0υ移动件静止件υeex=0p静止件移动件h=h0p=0连续流动方程：任何截面沿x方向单位宽度流量qx相等301212hxphvdyuqhx设在最大油压Pmax处，h=h0(即0xp时，h=h0)，此时：02hvqx301212121hxpvhvh∴30)(6hhhvxp一维雷诺方程（R·E）二、油楔承载机理由R·E油压变化与η、v、h有关p→积分→油膜承载能力→平衡外载当h＞h0时，0xp，油压为增函数；当h=h0时，0xp，p=pmax；当h＜h0时，0xp，油压为减函数。可见，对收敛形油楔，油楔内各