滑动轴承

补充：摩擦与润滑摩擦分类补充：摩擦与润滑摩擦分类补充：摩擦与润滑流体不同的润滑机制补充：摩擦与润滑流体动压润滑、静压润滑机制第四篇轴系零、部件——轴及其相关的轴承、联轴器等第十二章滑动轴承(SlindingBearings)12-1概述轴承的功用：支撑、保证精度、减摩耐磨、承载。滑动轴承：工作在滑动摩擦状态下的轴承。基本结构：钢或铸铁轴承座+减摩耐磨材料的轴瓦（整体或剖分）+轴颈。轴瓦独特的优点和应用：工作转速特高的轴承。要求对轴的支承位置特别精确的轴承。特重型的轴承。承受巨大的冲击和振动载荷的轴承。装配要求做成剖分式的轴承（如曲轴的轴承）。特殊条件下（如水或腐蚀性介质中）工作的轴承。径向空间尺寸受限制的轴承。简单和成本低的回转支承在航空发动机附件、仪表、金属切削机床、内燃机、铁路机车及车辆、轧钢机、雷达、卫星通信地面站及天文望远镜等方面的应用很广泛。F类型：三、按润滑油膜形成原理的不同分类1、流体动力润滑滑动轴承（简称动压轴承）2、流体静力润滑滑动轴承（简称静压轴承）1、径向滑动轴承承受径向载荷；2、止推滑动轴承承受轴向载荷。1、液体润滑（摩擦）滑动轴承2、不完全液体润滑（摩擦）滑动轴承3、无润滑滑动轴承一、按承载方向不同分类二、按轴承工作时的润滑（摩擦）状态分类12-2滑动轴承的主要结构型式（一）、整体式径向滑动轴承轴套压装在轴承座中或机体孔中。润滑油通过轴套上的油孔和内表面上的油沟进入摩擦面。结构简单、制造方便、间隙无法调整、轴颈只能沿轴向装入。用于轴不大、低速、轻载、间歇转动的机械。参考标准JB/T2560-91进行设计。油杯孔轴套轴承座油沟（二）对开式径向滑动轴承由轴承盖、底座、剖分轴瓦、双头螺柱等组成。盖和座的剖分面上作出阶梯形的榫口，保证准确定位。润滑油通过油孔和油沟润滑摩擦面。轴安装方便、间隙可调整。多数轴承为水平剖分，也可斜剖分以适应载荷方向。12-2滑动轴承的主要结构型式（续）油杯螺孔轴承座轴承盖联接螺柱剖分轴瓦榫口自动调心式滑动轴承轴瓦可在轴承座的球面内摆动，自动适应轴的偏斜，避免边缘接触。12-2滑动轴承的主要结构型式（续）（三）止推滑动轴承由止推轴瓦和轴承座组成。12-2滑动轴承的主要结构型式（续）12-3滑动轴承的失效形式及常用材料（一）滑动轴承的失效形式1、磨粒磨损；2、刮伤；3、咬粘（胶合）；4、疲劳剥落；5、腐蚀。（二）轴承(轴瓦和轴承衬）材料对材料的要求：1、有良好的减摩耐磨性和抗咬粘性；2、有良好的顺应性、嵌入性和跑合性；3、有足够的强度；4、有足够的抗腐蚀能力；5、有良好的导热性、工艺性、经济性。1、轴承合金又称巴氏合金或白合金，其金相组织是在锡或铅的软基体中夹着锑、铜等硬合金颗粒。最好的减摩性、抗胶合性和耐腐蚀性（锡基），也很容易和轴颈跑合。价贵，用于高速重载下的重要轴承。但强度比青铜、铸铁等低很多，一般只用作轴承衬的材料。2、铜合金锡青铜、铅青铜和铝青铜三种。锡青铜减摩耐磨性最好，但跑合性不如轴承合金，适用于中速重载；铅青铜抗胶合性能好，可用于高速重载；铝青铜强度硬度高，最适合于低速重载。（二）轴承(轴瓦和轴承衬）材料（续）3、铝基轴承合金铝基轴承合金具有质量轻、强度高、导热性能好等许多优良的性能，是一类正在迅速发展的新型轴承合金。4、灰铸铁及耐磨铸铁生产成本低，石墨有自润作用，不耐冲击。（二）轴承(轴瓦和轴承衬）材料（续）5、多孔质金属材料将不同的金属粉末经压制烧结而成的多孔结构材料，称为粉末冶金材料，其孔隙约占体积的10%～35%，可贮存润滑油，故又称为含油轴承。运转时，轴瓦温度升高，因油的膨胀系数比金属大，从而自动进入摩擦表面润滑轴承。停车时，因毛细管作用润滑油又被吸回孔隙中。含油轴承不补充油便可工作相当长时间，若能定期加油，则效果更好。韧性差，宜用于载荷平稳、中低速场合。（二）轴承(轴瓦和轴承衬）材料（续）6、非金属轴瓦材料以塑料用得最多，其优点是摩擦系数小，耐腐性、耐磨性、抗胶合性等都较好，但导热性不好，吸水性大，线膨胀系数大，易变形，尺寸稳定性不好，适用于速度不高或散热条件好的地方。橡胶轴承弹性大，能减轻振动，使运转平稳，可以用水润滑，常用于离心水泵，水轮机等场合。（二）轴承(轴瓦和轴承衬）材料（续）12-4轴瓦的结构（一）轴瓦的型式和构造整体式轴瓦对开式轴瓦轴瓦型式整体轴套单、双或多层材料的卷制轴套。薄壁轴瓦厚壁轴瓦轴承衬（二）轴瓦的定位凸缘、销子、紧定螺钉12-4轴瓦的结构（续）（三）油孔及油槽（沟）油孔用于供应润滑油油沟用于输送和分布润滑油。12-4轴瓦的结构（续）液体动压径向轴承轴向油槽周向油槽单轴向油槽双轴向油槽1、润滑油应从油膜压力最小处输入轴承；2、油槽开在非承载区，否则会降低油膜的承载能力；3、油槽轴向不能开通，以免油从油槽端部大量流失；4、水平安装轴承油槽开半周，不要延伸到承载区，全周油槽应开在靠近轴承端部处。12-4轴瓦的结构（续）不完全液体润滑（摩擦）轴承几种常见的油沟。12-4轴瓦的结构（续）补充：滑动轴承摩擦减阻1.工程科学计算与数值仿真微造型摩擦减阻几何及材料参数值/单位轴瓦内径dbdb=20mm轴颈直径dD=19.8mm轴承宽度bb=25mm直径间隙cdcd=200um轴承间隙cC=100um姿态角φφ=45°偏心率εε=0.7润滑油密度ρΡ=880kg/m^3润滑油动力粘度η0η0=0.04Pa·s比定压热容CC=1.88J/g·k表1轴瓦油膜几何参数及润滑油参数流体动压径向轴承（有限宽、光滑；n=1000~5000r/min）无微造型+含微造型几何结构参数值/单位宽度WW=200um长度LL=15mm深度HH=50um单位个数NN=30个覆盖角度ΔθΔθ=68.4°起始角θiθi=225°角间距θAθA=2.28°含微造型轴承补充：滑动轴承摩擦减阻1.工程科学计算与数值仿真微造型摩擦减阻——无微造型n=3000r/min注：这里，横坐标X是序列点的序号系列1表示：各序列点所对应的X坐标值系列2表示：各序列点所对应的压力值系列2和系列1一一对应雷诺边界条件下计算的压力分布[1]Ref：[1]BharatBhushan.IntroductiontoTribology(ISBN0-471-15893-3),2002,NewYork可见，收敛区（液膜最薄点至高压半区）液膜压力产生正压力，而发散区（液膜最薄点至低压半区）的液膜压力产生负压，压力分布呈斜对称hminhh’n=3000r/min1.工程科学计算与数值仿真微造型摩擦减阻——含微造型1.油膜压力分布（笛卡尔）2.非结构网格，网格节点无序分布，较难提取圆周向油膜压力分布n=3000r/minn=3000r/minh’hh’hPmaxPminP=0P=0xyo补充：滑动轴承摩擦减阻结果对比：中截面油膜压力分布Micro-texturesculptNormal随转速变化的油膜压力峰值分布随转速变化的摩擦因子变化1.摩擦因子数值计算与理论计算平均误差ζ=6.4%2.数值计算的含微造型平均摩擦因子降低了35.5%21222()(1)ftScrs()4(10.5Q/Q)ftprPctcQ补充：滑动轴承摩擦减阻采用条件性计算方法，保证三个条件满足：P≤[P]——防止边界膜破裂Pv≤[Pv]——限制温升V≤[V]——限制边缘磨损和温升从而控制磨损和维持边界膜润滑状态。12-6不完全液体润滑轴承的设计计算12-6不完全液体润滑轴承的设计计算（续）（一）径向滑动轴承的计算已知：径向载荷F（N）、轴转速n（r/min）、轴颈直径d（mm）。1、验算轴承的平均压力p（MPa）ppdBF2、验算轴承的pv值（MPa·m/s）pvpvBFndnBdF191001000603、验算滑动速度v（m/s）vv（一）止推滑动轴承的计算已知：轴向载荷F（N）、轴转速n（r/min）、轴环直径d1、d2（mm）。12-6不完全液体润滑轴承设计计算（续）12-7液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算液体动力润滑状态依靠轴颈与轴瓦的相对运动而建立起压力油膜将两滑动表面完全隔开，由油膜产生的压力来平衡外载荷。（一）流体动力润滑的基本方程研究采用的力学模型：互不平行的两刚体（平板）被润滑油隔开，上板以速度v移动，下板静止不动。上层油随上板发生沿x轴方向的流动。从油膜中取出一微元体dx×dz×dy。设：单位面积上的油膜压力为p，p沿x轴方向的变化率为:。τ为润滑油的内摩擦力，τ沿y轴方向的变化率为:，则微元体x方向的力平衡条件为：zyx（一）流体动力润滑的基本方程（续）y/h整理后得:牛顿液体有物理方程：故：（一）流体动力润滑的基本方程（续）对y积分得：根据边界条件：y=h,u=0；y=0,u=v，得积分常数：油膜内任意点在x方向上的流速即油膜内任意点在x方向上的流速为：润滑油在单位时间内沿x方向流过任意截面(单位宽度)的流量为：uh（一）流体动力润滑的基本方程（续）当无侧漏（z方向无流动），且假设流体不可压缩，流量连续，则任何截面上的q都是常数，即：整理后得：而若设：=0时，油膜的厚度h=h0，则根据q为常数，可得：（一）流体动力润滑的基本方程（续）一维雷诺方程（一）流体动力润滑的基本方程（续）若油大口流向小口（收敛油楔），能建立起大于大气压的油膜压力；若油小口流向大口（发散油楔），建立的是负油压；当油从平行间隙流过时（平行油楔），油压等于大气压，即不能建立起油膜压力；形成流体动压润滑油膜的条件：1）两摩擦表面间具有一定的相对滑动速度；2）两相对滑动的表面之间具有收敛的楔形间隙（间隙沿油的流动方向逐渐变小）；3）流体具有一定的粘度并有充足的供油量。（一）流体动力润滑的基本方程（续）（二）径向滑动轴承形成流体动力润滑的过程能充分供油、有足够转速和油粘度的径向滑动轴承，可形成流体动力润滑状态：轴起动时轴静止时正常工作时（三）径向滑动轴承的几何关系和承载量系数(续)轴承孔半径和轴颈半径：R、r半径间隙δ=R-r相对间隙ψ=δ/r偏心距偏心率最小油膜厚度1ooerRee1minreh95.0~5.0:一般径向载荷承载量系数Cp含三重积分，用数值计算方法计算，并做成表。（1）油的粘度η增加，承载力增加；（2）相对速度ω增加，承载力增加；（3）相对间隙ψ减小，承载力增加；（4）承载量系数Cp增加，承载力增加。pdBCF2（三）径向滑动轴承几何关系和承载量系数(续))/,(dBCp（表12-7）（三）径向滑动轴承几何关系和承载量系数(续)例1：如图所示的车辆的轴颈与滑动轴承轴瓦，已知径向载荷为Fmax=50KN，最大车速为25m/s，车轮直径为1000mm，求轴承的pv值。F120º200解：smvrnvndn/25.2min/5.4771000605.4779060251000601000100060sMMPapvMPapdF/22.725.221.321.320060sin25000020060sin22902例2：有一电动机的转子，用滑动轴承支承，已知额定转速n=970r/min，额定功率P=13kW，转子重量W=3000N，皮带的压轴力Q=6000N，轴的材料为45号钢，轴承材料为ZCuSn10P1，润滑油摩擦系数f=0.006。试确定轴径尺寸，并计算消耗的功率。解：（1）计算轴承上的受力：200Q=250W+500R右R右=900NR左=6000+3000+900=9900N（2）对左轴承进行计算：查表得ZCuSn10P1的材料特性，[p]=15Mpa，[v]=10m/s，[pv]=15MPa·m/svvppdndBF100060mmddBpF5.241.1151.199001.1mmdnv9.19697010100060