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1、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,轴瓦,轴,轴环推力环,组成：轴颈、轴瓦、止推环组成滑动摩擦副。,向心轴承圆柱面或圆锥面摩擦副,推力轴承平面摩擦副,轴瓦,F,轴颈,油孔,二、滑动摩擦副的摩擦状态,干摩擦基体直接接触:f=0.30.7摩擦磨损严重,边界摩擦f=0.10.3,液体摩擦f=0.010.05避免磨损,混合摩擦干+边界+液体,物理、化学吸附膜；化学反应膜;污染膜,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:(1)液体摩擦轴承
2、按液体摩擦形成方法分:动压和静压.(2)非液体摩擦轴承,三、滑动轴承的特点,特点：(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,10-1 滑动轴承的特点、类型和摩擦状态,三、滑动轴承的特点,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.粘稠流体黏度大,流动比较困难,粘滞阻
3、力大;稀薄流体黏度小,流动相对容易,粘滞阻力小.,F,U,y,dy,du,u,牛顿黏性定律:,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,y,剪切率(速度梯度),负号表示粘滞阻力与速度方向相反,二、动力黏度和运动黏度,(1)动力黏度,常用单位:cP(厘泊),21的水动力黏度1cP,0.001Pa.s,(2)运动黏度,常用单位:cSt(厘托),mm2/s 21的水运动黏度1cSt(厘托),1mm2/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1822mm2/s,10-2 润滑油性质,二、动力黏度和运动黏度,三、润滑油的黏温特性,黏温特性：油品的黏
4、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.,10-2 润滑油性质,三、润滑油的黏温特性,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,Tower实验,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,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。,向心动压轴承,油,n,轴颈,油,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.,(2)雷
5、诺方程的推导,一、流体动压润滑的基本方程,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,雷诺方程推导无限宽轴承,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,dx,dy,dz,y油膜厚度,U,x油膜长度,z油膜宽度-无限宽,B,A,o,dx,dy,油膜厚度h,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.,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,二、流体动压润滑的承载机理,压力增大段,压力下降段,压力极大点,油入口,油出
6、口,剪切流,压力流,压力流,剪切流,剪切流-线分布,压力流-抛物线分布,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h1h0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,压力流=0,只有剪切流,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?,A,B,剪切流,(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
7、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,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,10-4 非液体摩擦滑动轴承的计算,一、向心滑动轴承的计算,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),(1)限制轴承的平均压强pm,P 轴瓦材料的许用压力 N/mm2 表10-5，10-6，10-7,(2)限制轴承的pmv,pv 轴瓦材料的许用 值 表10-5，10-6，10-7,
8、(3)限制轴承滑动速度v,v 轴瓦材料的许用滑动速度值 表10-5，10-6，10-7,二、推力滑动轴承的计算,Fa,轴,推力环,Fa,推力面止推面圆环面,轴,轴承的限制条件：类似于向心圆轴承,推力环数目,k:油沟系数,0.80.9油沟减小承载面积,许用值p,pv,v,表10-57,z1时,各环承载不均,降低2040%,10-4 非液体摩擦滑动轴承的计算,二、推力滑动轴承的计算,10-5 滑动轴承的结构类型,一、向心滑动轴承的结构,轴瓦,轴承座,骑缝螺钉,油孔,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。,2.剖分式,轴承座上,轴承座下,轴瓦上，下,连接螺栓,油
9、孔,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.,一、向心滑动轴承的结构,10-5 滑动轴承的结构类型,3.间隙可调式,轴套/瓦调节间隙,轴套/瓦调节间隙,轴颈移动调节间隙,一、向心滑动轴承的结构,10-5 滑动轴承的结构类型,4.自位式,轴套/瓦外缘为球形,适应轴颈偏斜,避免边缘接触。,5.多油楔式,固定瓦块三油楔,可倾动瓦块三油楔,形成多个油膜压力区,提高运转稳定性.,一、向心滑动轴承的结构,10-5 滑动轴承的结构类型,两油楔椭圆轴承,二、推力滑动轴承的结构,1.普通推力滑动轴承,Fa,轴,止推环,Fa,止推环面
10、,轴,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,固定瓦块,可倾动瓦块,Fa,10-5 滑动轴承的结构类型,二、推力滑动轴承的结构,Fa,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
11、、温度；次要因素：腐蚀、粉尘等环境条件.,10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构,二、常用轴承材料,(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.,(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
12、,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.,(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.,二、常用轴承材料,10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构,三、轴瓦结构,(1)整体式,(2)剖分式,油孔,油孔,油孔,油室,油室,三、轴瓦结构,轴瓦上的油沟、油室、油孔(设在非承载区),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,轴瓦与座的连接防止滑脱,轴瓦,轴瓦,轴瓦,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,三金属轴瓦：轴瓦基材+轴承衬(轴承合
13、金)+镀层(铟、银),提高跑合性和嵌藏性。,非金属轴瓦,层状塑料、木材轴瓦,橡胶轴瓦,10-6 滑动轴承的材料和轴瓦结构,三、轴瓦结构,10-7 滑动轴承的润滑,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),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.,二、润滑脂的选择,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
14、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,石墨、二硫化钼、水、空气润滑剂等在特殊场合下使用。,三、润滑方法-装置,(1)定期注油-间歇润滑,注油杯,10-7 滑动轴承的润滑,三、润滑方法-装置,用于低速,轻载等不重要轴承,(2)针阀油杯-滴油润滑,(3)芯捻油杯-毛细现象,10-7 滑动轴承的润滑,三、润滑方法-装置,(4)油环飞溅润滑,适用转速:503000r/min,转速过低过高,润滑不足.,(5)压力循环润滑,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,10-7 滑动轴承的润滑,三、润滑方
15、法-装置,油脂杯,(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.,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,查表10-5,选用锡基轴承合金ZCuSnSbl
16、l-6为轴承衬材料,在流体润滑状态下:p=25MPa,v=80m/s,pv=100MPam/s.,(2)选择轴瓦材料。平均压强:,滑动速度:,Pmv值:,(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=1822mm2/s,取润滑油的密度=860kg/m.,设油的平均温度tm=50,50时油的运动黏度为=1822=20mm2/s,由式(10-2),油的动力黏度为,(4)选择相对间隙由式(10-18),取=0.0018。轴承的半径间隙,(5)确定许用油膜厚度h 参考表10-2
17、,取轴颈表面粗糙度Rz1=3.2 m,轴承衬表面粗糙度Rz2=6.3 m,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,hminh,满足最小油膜准则。,(7)计算温升t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min是否使hmin过小和t 过高,，,，,平均油温为,与所设平均温差相差不到
18、2，符合计算精度控制要求。,(10)验算max是否使hmin过小和t 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。,(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),讨论,(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=1820mm2/s,取润滑油的密度=860kg/m,设油的平均温度tm=50,解得,所以，50时油的运动黏度为,则油的动力黏度为,(4)选择相对间隙由式(10-18),取=0.0018。轴承的半径间隙,由式(10-3),取B=-3.5,则,(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 m,轴承衬表面粗糙度Rz2=3.2 m,取可靠性系数=2,则许用油膜厚度,
