滑动轴承设计与计算

1第二十二章滑动轴承概述§22.1滑动轴承的类型与结构§22.2滑动轴承材料§22.3润滑剂与润滑方法的选用§22.4滑动轴承的设计计算§22.5流体静压轴承2概述•滑动轴承——与轴颈表面形成滑动摩擦副的轴承•组成、特点及应用•不同类型、不同应用场合的滑动轴承,其重要程度和运转参数差异非常大,结构的复杂程度和价格差异亦极大。因而，滑动轴承的设计计算，在要求和工作量方面也有很大的差别。•滑动轴承设计计算内容3概述决定轴承的结构型式;选择轴瓦、衬层和涂覆层材料；确定轴承几何参数；选择润滑剂和润滑方法；计算轴承工作能力，确定轴承运转参数。4§21.1滑动轴承的类型与结构•按能承受的载荷方向滑动轴承的类型与应用径向轴承推力轴承5§22.1滑动轴承的类型与结构•按能承受的载荷方向滑动轴承的类型与应用径向轴承推力轴承径向推力轴承6•按摩擦状态滑动轴承的类型与结构干摩擦轴承无润滑轴承固体润滑轴承流体摩擦（润滑）轴承流体动压轴承流体静压轴承动静压混合润滑轴承流体摩擦混合摩擦（润滑）轴承:干摩擦、边界摩擦、流体摩擦共有的摩擦状态7滑动轴承的结构•径向轴承滑动轴承的类型与结构3）调心轴承1）整体式2）剖分式8•推力轴承结构a)圆止推面b)环形止推面c)单止推环d)多止推环滑动轴承的类型与结构9轴瓦滑动轴承的类型与结构轴瓦包括径向轴承的轴瓦、轴套和推力轴承的推力瓦。•轴瓦单层(金属)轴瓦和多层(金属)轴瓦厚壁轴瓦和薄壁轴瓦带挡边和不带挡边轴瓦10•轴套滑动轴承的类型与结构带挡边和不带挡边轴套;单层和多层轴套•油孔、油槽和油室11滑动轴承的类型与结构•油孔、油槽和油室12§22.2滑动轴承材料对轴瓦材料性能的要求1．减摩性成副材料的属性(不是单一材料的属性)2．嵌入性材料允许润滑剂中外来硬质颗粒嵌入而防止刮伤和磨粒磨损的性能。3．顺应性133．顺应性滑动轴承材料材料靠表层的弹塑性变形补偿滑动摩擦表面初始配合不良和轴的挠曲的性能。4．耐磨性配副材料抵抗磨损的性能。5．耐气蚀性材料抵抗气蚀(磨损)的性能。6．磨合性在轴颈与轴瓦初始接触的磨合阶段，减小轴颈或轴瓦加工误差、同轴度误差、表面粗糙度，使接触均匀，从而降低摩擦力、磨损率的性能。14轴瓦材料的种类滑动轴承材料1．金属材料•铸造锡基轴承合金:如,ZSnSb12Pb10Cu4。•铸造铅基轴承合金:如,ZPbSb16Sn16Cu2•铸造铜基轴承合金:如,ZCuSn5Pb5Zn5,ZCuSn10P1•变形(锻造)铜合金:如,CuSn8P•铸造铝基轴承合金•耐磨铸铁2．粉末冶金材料3.非金属材料:工程塑料、炭石墨、陶瓷、橡胶15轴瓦表面涂层材料滑动轴承材料•常用的表面涂层材料：PbSn10、PbIn7、PbSn10Cu2•涂层的功能使轴瓦表面与轴颈匹配有良好的减摩性；提供一定的嵌入性；改善轴瓦表面的顺应性；防止含铅衬层材料中的铅腐蚀轴颈。•涂层的厚度一般为0.017mm～0.075mm。16各种轴瓦材料的性能比较滑动轴承材料轴瓦材料抗拉强度σb/MPa弹性模量E/GPa密度ρ/g·cm-3热导率λ/W(m·℃)-1线胀系数α/10-6·℃-1锡基轴承合金80～9048～577300～738033.5～38.523.1铅基轴承合金60～80299300～1020020.9～25.124.0～28.0铜基轴承合金150～70075～1207600～900027～7116～19耐磨铸铁200～350————表22-1各种轴瓦材料的物理性能17表22-2各种轴瓦材料的使用性能比较滑动轴承材料金属材料非金属材料(含油)粉末冶金材料锡(铅)基轴承合金铜基轴承合金铜铅合金铸铁塑料木材橡胶炭石墨承载能力尚可良良良尚可差差差尚可减摩性优中等良中等中等优优良中等耐磨性尚可优中等优中等尚可差尚可中等顺应性优尚可差差优良优中等差18§22.3润滑剂与润滑方法的选用润滑剂及其选用滑动轴承常用润滑剂有：润滑油、润滑脂、固体润滑剂、气体润滑剂、水等。•润滑油在一般参数下的大多数滑动轴承使用矿物油，有特殊要求时使用合成油。1.为滑动轴承专门研制的‘主轴、轴承和有关离合器用油’(F组)。19润滑剂与润滑方法的选用2.为某些机械研制的润滑油也是用来润滑那些机械中的滑动轴承的。•润滑油的选用轴颈线速度v/m·s－1＜0.10.1~0.30.3~0.60.6~1.21.2~2.02.0~5.05.0~9.0＞9.0轴承载荷p/MPa＜3工作温度10～60℃粘度等级68,1006846,684632,4615,22,327,103～7.5150100,15010068,10068—7.5～3020～80℃680,1000680460,320150,220—20轴承间隙/mm0.002~0.0060.006~0.0100.010~0.0300.030~0.060主轴油牌号L-FD2L-FD3、5、7L-FD7、10L-FD15、22主轴油的选用高速主轴轴承一般应选用L-FD油，可根据轴承间隙按下表选牌号。润滑剂与润滑方法的选用•润滑脂脂润滑轴承可根据滑动速度参考表22-5选用润滑脂的锥入度，根据工作温度选取润滑脂品种。21润滑剂与润滑方法的选用轴承工作温度θ/℃＜6060~130＞130线速度v/m·s-1＜0.5＞0.5＜0.5＞0.5—润滑脂品种钙基润滑脂羟基润滑脂锂基润滑脂膨润土基脂锥入度/(10mm)-1265~340335~385220~250表22-5脂润滑轴承润滑脂的选择•固体润滑剂滑动轴承常用的固体润滑剂有炭石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。22润滑剂与润滑方法的选用润滑方法的选用油、脂润滑滑动轴承润滑方法的选取K/(N·m)1/2·s-3/2≤2000＞2000~16000＞16000~32000＞32000润滑剂润滑脂润滑油润滑方法旋盖式注油杯润滑滴油润滑飞溅、油环或压力供油润滑压力供油润滑BdFppvk3F—轴承的径向载荷,B—是轴承的有效宽度d—轴颈直径；v—轴颈的圆周速度(m/s)23§22.4滑动轴承的设计计算滑动轴承的参数•径向轴承轴颈直径d或半径r轴瓦孔直径D或半径R半径间隙c(c=R－r)相对间隙ψ(ψ=c/r)轴瓦宽度B1.几何参数24滑动轴承的设计计算•推力轴承止推环的外径do或外半径ro止推垫圈的内直径di或内半径ri轴瓦宽度B、轴颈的直径d、止推环的外径do、止推垫圈的内直径di需通过承载能力计算确定，而半径间隙c或相对间隙ψ则需要根据经验选取。252.工况参数滑动轴承的设计计算载荷F(包括大小、方向和特性)；轴的转速n(包括大小、方向和特性)。一般已知。3.热力学参数功耗P、散热量、轴承各处温度和润滑剂的温度。实测值必须在允许的范围内，通过计算在设计时加以控制。26无润滑轴承的设计计算滑动轴承的设计计算设计已知条件：轴径d、转速n、载荷F、轴瓦材料。设计准则:轴承的p、v值不要超过轴承材料极限p-v曲线限定的范围。•设计步骤1)计算出滑动速度:v=πdn(径向轴承)2)计算允许的p值•无润滑轴承的失效形式:磨损273)确定轴承宽度滑动轴承的设计计算PDFBF---轴承所承受的径向载荷,D---轴承直径4）其它参数•相对间隙（ψ=2c/d）,ψ=0.8×10-3(πdn)1/4•轴瓦壁厚推荐值见表22-728滑动轴承的设计计算29轴瓦孔径10~1818~3030~4040~5050~6565~8080~100100~150150~200轴瓦壁厚工程塑料0.8~1.01.0~1.51.5~2.02.0~3.03.0~3.53.5~4.0———炭石墨3~44~56~810~1212~1818~25表22-7工程塑料与炭石墨轴瓦壁厚滑动轴承的设计计算30含油轴承、不充分润滑轴承和固体润滑轴承的计算滑动轴承的设计计算1.限制轴承的单位面积载荷p(防止过度塑性变形和磨损)][pBdFp径向轴承推力轴承][)(4220pddZFpi2.限制轴承滑动速度v(防止高温下过快磨损)径向轴承v=πdn≤[v]v=π(do+di)n/2≤[v]推力轴承313.限制轴承的pv值(限制轴承发热量)滑动轴承的设计计算径向轴承][PVBnFpv推力轴承][)(20pvddzFnpvi将对p、pv、v的限制画在对数坐标图上，构成一条折线。这种计算方法称为条件性计算。[p]、[v]和[pv]数据查阅相关表格。32液体动力润滑轴承的计算滑动轴承的设计计算液体动力润滑轴承是利用轴颈与轴瓦的相对速度和表面与油的粘附性能，将润滑油带入轴承间隙，建立起压力油膜而把轴颈与轴瓦隔开的一种液体摩擦轴承。描述这种润滑状态的基本方程是雷诺方程。从数学观点看，流体润滑计算的基本内容就是对雷诺方程的应用和求解。（一）雷诺方程33()()6(22-9)pphhhuxxzzx33滑动轴承的设计计算33()()6(22-9)pphhhuxxzzxh---油膜厚度；η---润滑油粘度；P---油膜压力；u---轴颈线速度；X---轴颈线速度方向的坐标；Z---轴瓦表面垂直于轴颈线速度方向的坐标。由雷诺方程得出流体动力润滑轴承形成承载油膜的条件：34滑动轴承的设计计算流体动力润滑轴承形成承载油膜的条件：•润滑剂要有粘度，且油膜承载能力随粘度提高而增大；•轴颈要有相对速度，且油膜承载能力随速度提高而增大；•油膜厚度是变量，且沿速度方向逐渐减小方能形成正油膜压力，即需要轴颈和轴瓦表面形成收敛形间隙，称为油楔；•要供给充足的润滑剂。（二）油楔形成方法35形成油楔是流体动压轴承的最基本条件。不同的油楔形成方法造就成各种各具特色的动压轴承。滑动轴承的设计计算（二）油楔形成方法(三)液体动力润滑径向轴承的计算偏心距e—轴瓦几何中心O与轴颈中心Oj的距离;1.几何参数偏心率ε—偏心距e与轴颈间隙c之比，(ε=e/c)36偏位角φ—中心连线OOj与载荷作用线所夹锐角；滑动轴承的设计计算油膜厚度h—圆轴承，从OOj量起，任意θ角处油膜厚度h≈R-r+ecosθ≈c+ecosθ≈c(1+εcosθ)最小油膜厚度h2（θ＝180°）是保证流体动力润滑的最重要的参数。h2=dψ(1-ε)/2372.性能计算滑动轴承的设计计算即计算液体动力润滑径向圆轴承的承载能力、摩擦功耗、润滑油流量。雷诺方程有三个未知量（h、η、p），还需要补充两个方程。•膜厚度方程h≈c(1+εcosθ)•热平衡方程1)令：Fμ/F=μ，为轴承的摩擦因数；μ=μ/ψ，为摩擦特性数,则摩擦功耗为Pμ=πμψFdn2)热平衡计算38滑动轴承的设计计算2)热平衡计算•对自吸(无压力)供油的轴承,轴承表面散去的热量计算式为:Pμ=QA=kA(Θb-Θa)k是系数，在自然通风下k=15~20[W/(m2K)]；A是轴承座散热面积；Θb是轴承工作温度，最高不得超过90℃；Θa是环境温度。•对压力供油的轴承,润滑剂带走的热量计算式为Pμ=QL=cρq(Θo-Θi)39c是润滑油的比热容；ρ是润滑油密度；q是轴承端泄流量；Θo是润滑油出油温度；Θi是润滑油进油温度，一般取为35-45℃。QL=cρq(Θo-Θi)滑动轴承的设计计算轴承工作温度为:Θb=(Θo+Θi)/2,轴承最高工作温度不得超过100℃。3)确定轴承的承载能力油膜压力的合力即为轴承的承载能力。用轴承特性数F来表征承载能力，有402(22-16)mepFn滑动轴承的设计计算pm是轴承平均载荷,pm=F/(BD);ψ是相对间隙；ηe是润滑油有效黏度；n是轴颈转速。轴承特性数F可以建立圆轴承在稳态条件下、不同宽径比时,轴承特性数F与偏心率ε的关系曲线。同样可以建立轴承的功耗、流量、偏位角等特性数与偏心率ε的关系曲线。当载荷、转速已知，选定直径、宽度、间隙和润滑剂之后，利用关系曲线可以查出偏心率ε，再利用这些图表根据偏心率ε可以求出功耗、流量和偏位角。41滑动轴承的设计计算42滑动轴承的设计计算3.参数选取•宽径比(B/D)。一般情况建议在0.2-1.5范围内选取，•相对间隙(ψ)•润滑