第十七章滑动轴承Word格式文档下载.docx
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低速重载条件下的摩擦低副
干摩擦
1~10nm
表面氧化膜、气体吸附膜等
无润滑或自润滑的摩擦副
各种润滑状态所形成的润滑膜厚度不同,但是单纯由润滑膜的厚度还不能准确地判断润滑状态,尚须与表面粗糙度进行对比。
图17-1列出润滑膜厚度与粗糙度的数量级。
只有当润滑膜厚度足以超过两表面的粗糙峰高度时,才有可能完全避免峰点接触而实现全膜流体润滑。
对于实际机械中的摩擦副,通常总是几种润滑状态同时存在,统称为混合润滑状态。
图17-1润滑膜厚度与粗糙度高度
根据润滑膜厚度鉴别润滑状态的办法虽然是可靠的,但由于测量上的困难,往往不便采用。
另外,也可以用摩擦系数值作为判断各种润滑状态的依据。
表17-2为摩擦系数的典型数值。
表17-2不同摩擦润滑状态下的摩擦系数
摩擦润滑状态
摩擦系数
滚动轴承的滚动摩擦
0.01~0.001
圆柱在平面上纯滚动摩擦
0.001~0.00001
液体动压润滑
001~0.0000001(与设计参数有关)
矿物油湿润金属表面的边界润滑
0.15~0.3
有添加剂的油润滑,配对材料为钢—钢或尼龙—钢
0.05~0.10
有添加剂的油润滑,配对材料为尼龙—尼龙
0.10~0.20
石墨、二硫化钼润滑
0.06~0.20
铅膜润滑
0.08~0.20
黄铜-黄铜或青铜-青铜干摩擦
0.8~1.5
铜铅合金—钢
或巴氏合金—钢干摩擦
橡胶-其他材料干摩擦
0.6~0.9
聚四氟乙烯—其他材料干摩擦
0.04~0.12
17-2滑动轴承的结构型式
滑动轴承按照承受载荷的方向主要分为:
①径向滑动轴承,又称向心滑动轴承,主要承受径向载荷;
②止推滑动轴承,只能承受轴向载荷。
一、径向滑动轴承
图17-2所示是整体式径向滑动轴承。
图17-2整体式径向滑动轴承
图17-3所示是一种普通的剖分式轴承,由轴承盖、轴承座、剖分轴瓦和联接螺栓等组成。
轴承中直接支承轴颈的零件是轴瓦。
为了安装时容易对中,在轴承盖与轴承座的剖分面上做出阶梯形的榫口。
轴承盖应当适度压紧轴瓦,使轴瓦不能在轴承孔中转动。
轴承盖上制有螺纹孔,以便安装油杯或油管。
图17-3剖分式径向滑动轴承
当载荷垂直向下或略有偏斜时,轴承剖分面常为水平方向。
若载荷方向有较大偏斜时,则轴承的剖分面也斜着布置(通常倾斜45),使剖分平面垂直于或接近垂直于载荷方向(图17-4)。
图17-4斜开径向轴承
径向滑动轴承的类型很多,例如尚有轴承间隙可调节的滑动轴承(图17-5)、轴瓦外表面为球面的自位轴承(图17-6)等。
图17-5间隙可调滑动轴承
图17-6自位轴承
轴瓦是滑动轴承中的重要零件。
径向滑动轴承的轴瓦内孔为圆柱形。
若载荷方向向下,则下轴瓦为承载区,上轴瓦为非承载区。
润滑油应由非承载区引入,所以在顶部开进油孔。
在轴瓦内表面,以进油口为中心沿纵向、斜向或横向开有油沟,以利于润滑油均布在整个轴颈上。
油沟的形式很多,如图17-7所示。
一般油沟离端面保持一定距离,防止润滑油从端部大量流失。
图17-7轴瓦上的油沟
图17-8所示为润滑油从两侧导入的结构,常用于大型的液体润滑滑动轴承中。
一侧油进入后被旋转着的轴颈带入楔形间隙中形成动压油膜,另一侧油进入后覆盖在轴颈上半部,起着冷却作用,最后油从轴承的两端泄出。
图17-9所示的轴瓦两侧面镗有油室,这种结构可以使润滑油顺利地进入轴瓦轴颈的间隙。
图17-8轴瓦上的润滑油导入结构
图17-9轴瓦上的油槽
轴瓦宽度与轴颈直径之比B/d称为宽径比,它是径向滑动轴承中的重要参数之一。
对于液体摩擦的滑动轴承,常取B/d=0.5~1,对于非液体摩擦的滑动轴承,常取B/d=0.8~1.5,有时可以更大些。
二、止推滑动轴承
轴上的轴向力应采用止推轴承来承受。
止推面可以利用轴的端面,或在轴的中段做出凸肩或装上止推圆盘,如图17-10。
图17-10固定瓦止推轴承
也可以沿轴承止推面按一块块扇形面积开出楔形,如图17-11所示的固定瓦动压止推轴承,其楔形的倾斜角固定不变,在楔形顶部留出平台,用来承受停车后的轴向载荷。
图中,a只能承受单向载荷;
b可承受双向载荷。
(a)(b)
图17-11固定瓦动压止推轴承
图17-12为可倾式止推轴承,其扇形瓦块的倾斜角能随载荷的改变而自行调整,因此性能较为优越。
图a由铰支调节瓦块倾角,图b则靠瓦块的弹性变形来调节。
可倾瓦的块数一般为6~12,图17-13为扇形块的放大图。
(a)(b)
图17-12可倾瓦止推轴承
图17-13扇形瓦块结构
17-3滑动轴承材料及润滑
根据轴承的工作情况,要求轴瓦材料具备以下性能:
①摩擦系数小;
②导热性好,热膨胀系数小;
③耐磨、耐蚀、抗胶合能力强;
④要有足够的机械强度和可塑性。
能同时满足上述要求的材料是难找的,但应根据具体情况满足主要实用要求。
较常见的是做成双层金属的轴瓦,以便性能上取长补短。
在工艺上可以用浇铸或压合方法,将薄层材料粘附在轴瓦基体上。
粘附上去的薄层材料通常称为轴承衬。
常用的轴瓦和轴承衬材料有下列几种。
一、轴承合金(又称白合金、巴氏合金)
轴承合金有锡锑轴承合金和铅锑轴承合金两大类。
锡锑轴承合金的摩擦系数小,抗胶合性能良好,对油的吸附性强,耐蚀性好,易跑合,是优良的轴承材料,常用于高速、重载的轴承。
但价格贵且机械强度较差,因此只能作为轴承衬材料而浇铸在钢、铸铁(图17-14a、b)或青铜轴瓦上(图c)。
用青铜作为轴瓦基体是取其导热性良好。
这种轴承合金在110C开始软化,为了安全,在设计运行时常将温度控制得比110C低30~40C。
(a)(b)(c)
图17-14轴承合金的浇铸方法
铅锑轴承合金的各方面性能与锡锑轴承合金相近,但这种材料较脆,不宜承受较大的冲击载荷。
一般用于中速、中载的轴承。
二、青铜
青铜的强度高,承载能力大,耐磨性与导热性都优于轴承合金。
它可以在较高的温度(250C)下工作。
但它可塑性差,不易跑合,与之相配的轴颈必须淬硬。
青铜可以单独做成轴瓦。
为了节省有色金属,也可将青铜浇铸在钢或铸铁轴瓦内壁上。
用作轴瓦材料的青铜,主要有锡磷青铜、锡锌铅青铜和铝铁青铜。
在一般情况下,它们分别用于中速重载、中速中载和低速重载的轴承上。
三、具有特殊性能的轴承材料
用粉末冶金法(经制粉、成型、烧结等工艺)做成的轴承,具有多孔性组织,孔隙内可以储存润滑油,常称为含油轴承。
运转时,轴瓦温度升高,由于油的膨胀系数比金属大,因而自动进入滑动表面以润滑轴承。
含油轴承加一次油可以使用较长时间,常用于加油不方便的场合。
在不重要的或低速轻载的轴承中,也常采用灰铸铁或耐磨铸铁作为轴瓦材料。
橡胶轴承具有较大的弹性,能减轻振动使运转平稳,可以用水润滑,常用于潜水泵、砂石清洗机、钻机等有泥沙的场合。
塑料轴承具有摩擦系数低,可塑性、跑合性良好,耐磨、耐蚀,可以用水、油及化学溶液润滑等优点。
但它的导热性差,膨胀系数较大,容易变形。
为改善此缺陷,可将薄层塑料作为轴承衬材料粘附在金属轴瓦上使用。
表17-2中给出常用轴瓦及轴承衬材料的[p]、[pv]等数据。
表17-3常用轴瓦及轴承衬材料的性能
材料及其代号
[p]
/MPa
[pv]
/(MPa.m/s)
HBS
最高工作温度C
轴颈硬度
金属型
砂型
铸锡锑轴承合金ZSnSb11Cu6
平稳
25
20
27
150
150HBS
冲击
15
铸铅锑轴承合金ZPbSb16Sn16Cu2
10
30
铸锡磷青铜ZCuSn10P1
90
80
280
45HRC
铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5
8
65
60
铸铝青铜ZCuAl10Fe3
12
110
100
注[pv]值为非液体摩擦下的许用值
四、润滑剂
轴承润滑的目的在于降低摩擦功耗,减少磨损,同时还起到冷却、吸振、防锈等作用,轴承能否正常工作,和选用润滑剂正确与否有很大关系。
润滑剂分为:
①液体润滑剂―润滑油;
②半固体润滑剂-润滑脂;
③固体润滑剂等。
在润滑性能上润滑油一般比润滑脂好,应用最广。
但润滑脂具有不易流失等优点,也广泛使用。
固体润滑剂只在特殊场合下使用,目前正在逐步扩大使用范围。
v
图17-15牛顿流体流动示意图
1.润滑油
润滑油是滑动轴承中应用最广的润滑剂,目前使用的润滑油大部分为矿物油。
润滑油最重要的物理性能是粘度,用以描述润滑油流动时的内摩擦性能,它是选择润滑油的主要依据。
如图17-15所示,在AB两块平板间充满着润滑油,板B静止不动,而板A以速度V沿x轴运动,由于润滑油与金属表面的吸附作用(润滑油的油性),板A表层的润滑油随板A以同样的速度V运动,而板B表层的润滑油速度为零。
即两板间的液体逐层发生了错动,润滑油内存在着层与层间的摩擦切应力τ,根据实验结果,得到下面的关系式:
(17-1)
此式称为牛顿粘性定律。
式中,u为油层中任一点的速度;
是该点的速度梯度;
比例常数η定义为流体的动力粘度(常简称为粘度)。
粘度是单位面积上的剪应力与单位速度梯度之比,在国际单位制(SI)中,它的单位为N·
s/m2或写作Pa·
s。
但在工程应用中目前仍有部分采用CGS制,动力粘度的单位用Poise,简称泊(P),或泊的百分之一,即厘泊(cP)。
1P=1dyn·
s/cm2=0.1N·
s/m2=0.1Pa·
s
各种不同流体的动力粘度数值范围很宽。
空气的动力粘度为0.02mPa·
s,而水的粘度为1mPa·
润滑油的粘度范围为2~400mPa·
s,熔化的沥青可达700mPa·
在工程中,常常将流体的动力粘度与其密度的比值作为流体的粘度,这一粘度称为运动粘度,常用表示。
运动粘度的表达式为:
(17-2)
运动粘度的单位在国际单位制中用m2/s。
在工程中目前仍有部分用CGS单位制,运动粘度的单位为Stoke,简称St(斯),1St=102mm2/s=10-4m2/s。
实际上常用St的百分之一cSt作为单位,称为厘斯,因而1cSt=1mm2/s。
通常润滑油的密度=0.7~1.2g/cm3,而矿物油密度的典型值为0.85g/cm3,因此工程运动粘度与动力粘度的近似转换式可采用
1(cP)=0.85(cSt)(17-3)
选用润滑油时,要考虑速度、载荷和工作情况。
对于载荷大、温度高的轴承宜选粘度大的油,载荷小、速度高的轴承宜选粘度较小的油。
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。
润滑脂密封简单,不须经常加添,不易流失,所以在垂直的摩擦表面上可以使用。
润滑脂对载荷和速度的变化有较大的适应范围,受温度的影响不大,但摩擦损耗较大,机械效率低,故不宜用于高速。
且润滑脂易变质,不如油稳定。
总的来说,一般参数的机器,特别是低速而带有冲击的机器,都可以使用润滑脂润滑。
目前使用最多的是钙基润滑脂,它有耐水性,常用于60C以下的各种机械设备中的轴承润滑。
钠基润滑脂可用于115~145C以下,但不耐水。
锂基润滑脂性优良,耐水,在-20~150C范围内广泛适用,可以代替钙基、钠基润滑脂。
3.固体润滑剂
固体润滑剂有石墨、二硫化钼(MoS2)、聚氟乙烯树脂等多种品种。
一般在超出润滑油使用范围之外才考虑使用,例如在高温介质中,或在低速重载条件下。
目前其应用已逐渐广泛,例如可将固体润滑剂调合在润滑油中使用,也可以涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜,或者用固结成型的固体润滑剂嵌装在轴承中使用,或者混入金属或塑料粉末中然后一并烧结成型。
石墨性能稳定,在350C以上才开始氧化,并可在水中工作。
聚氟乙烯树脂摩擦系数低,只有石墨的一半。
二硫化钼与金属表面吸附性强,摩擦系数低,使用温度范围也广(-60~300C),但遇水则性能下降。
五、润滑装置
为了获得良好的润滑效果,需要正确选择润滑方法和相应的润滑装置。
利用油泵供应压力油进行强制润滑是重要机械的主要润滑方式。
此外,还有不少装置实现简易润滑。
图17-16用手工向轴承加油的油孔(a)和注油杯(b),是小型、低速或间歇润滑机器部件的一种常见的润滑方式。
注油杯中的弹簧和钢球可防止灰尘等进入轴承。
(a)(b)
图17-16为油孔及注油杯图17-17润滑脂杯
图17-17是润滑脂用的油杯,定期旋转杯盖,使空腔体积减小而将润滑脂注入轴承内,它只能间歇润滑。
图17-18是针阀式油杯。
油杯接头与轴承进油孔相连。
手柄平放时,阻塞针杆因弹簧的推压而堵住底部油孔。
直立手柄时(右上图),针杆被提起,油孔敞开,于是润滑油自动滴到轴颈上。
在针阀油杯的上端面开有小孔,供补充润滑油用,平时由片弹簧遮盖。
观察孔可以查看供油状况。
调节螺母用来调节针杆下端油口大小以控制供油量。
图17-18针阀式油杯
图17-19为油芯式油杯。
它依靠毛线或棉纱的毛细管作用,将油杯中的润滑油滴入轴承。
供油是自动且连续的,但不能调节给油量,油杯中油面高时给油多,油面低时供油少,停车时仍在继续给油,直到流完为止。
图17-19油芯式油杯图17-20飞浅润滑
图17-20对轴承采用了飞溅润滑方式。
它是利用齿轮、曲轴等转动零件,将润滑油由油池拨溅到轴承中进行润滑。
采用飞溅润滑时,转动零件的圆周速度应在5~13m/s范围内。
它常用于减速器和内燃机曲轴箱中的轴承润滑。
图17-21的轴承采用的是油环润滑。
在轴颈上套一油环,油环下部浸入油池中,当轴颈旋转时,摩擦力带动油环旋转,把油引入轴承。
当油环浸在油池内的深度约为直径的四分之一时,供油量已足以维持液体润滑状态的需要。
此法常用于大型电机的滑动轴承中。
图17-21油环润滑
最完善的供油方法是利用油泵循环给油,给油量充足,供油压力只须5104N/m2,在油的循环系统中常配置过滤器、冷却器。
还可以设置油压控制开关,当管路内油压下降时可以报警,或启动辅助油泵,或指令主机停车。
所以这种供油方法安全可靠,但设备费用较高,常用于高速且精密的重要机器中。
17-4非液体摩擦滑动轴承的计算
非液体摩擦滑动轴承可用润滑油,也可用润滑脂润滑。
在润滑油、润滑脂中加入少量鳞片状石墨或二硫化钼粉末,有助于形成更坚韧的边界油膜,且可填平粗糙表面而减少磨损。
但这类轴承不能完全排除磨损。
维持边界油膜不遭破裂,是非液体摩擦滑动轴承的设计依据。
由于边界油膜的强度和破裂温度受多种因素影响而十分复杂,尚未完全被人们掌握。
因此目前采用的计算方法是间接的、条件性的。
实践证明,若能限制压强p[p],压强与轴颈线速度的乘积pv[pv],那么轴承是能够很好地工作的。
一、径向轴承
1.轴承的压强p
限制轴承压强p,以保证润滑油不被过大的压力所挤出,因而轴瓦不致产生过度的磨损。
即
(MPa)(17-4)
式中,F为轴承径向载荷,N;
B为轴瓦宽度,mm;
d为轴颈直径,mm;
[p]为轴瓦材料的许用压强,MPa(表17-3)。
2.轴承的pv值
pv值简略地表征轴承的发热因素,它与摩擦功率损耗成正比。
pv值越高,轴承温升越高,容易引起边界油膜的破裂。
pv值的验算式为
(MPam/s)(17-5)
式中,n为轴的转速,r/min;
[pv]为轴瓦材料的许用值,MPa•m/s(表17-3)。
二、止推轴承
(MPa)(17-6)
(MPam/s)(17-7)
式中,止推环的平均速度
,平均直径
。
止推轴承的许用压强为:
未淬火钢对铸铁[p]=2.0~2.5MPa;
对青铜[p]=4~6MPa;
对巴氏合金[p]=5~6MPa。
淬火钢对青铜[p]=7.5~8MPa;
对巴氏合金[p]=8~9MPa;
对淬火钢[p]=12~15MPa。
[pv]=1~2.5MPa•m/s。
例17-1试按非液体摩擦状态设计图17-22所示的滑动轴承。
W=20kN,轴承内轴颈转速为n=20r/min,轴颈直径d=60mm。
d
n
W
图17-22
解:
(1)选取轴承材料
选用铸锡锌铅青铜(ZcuSn5Pb5Zn5),查表17-3得:
[p]=8MPa
[pv]=10MPam/s
(2)取宽径比B/d=1,则
mm
(3)计算压强p
MPa
(4)计算速度v
m/s
(5)计算pv值
MPam/s
(6)验算并选取润滑剂
因为
p[p]
pv[pv]
因此,该轴承满足强度和功率损耗条件。
由于速度很低,采用脂润滑,用油杯加脂,见图17-22。
17-5液体摩擦滑动轴承简介
液体摩擦是滑动轴承中的理想摩擦状态,根据摩擦面油膜的形成原理,可把液体摩擦滑动轴承分为动压轴承和静压轴承。
一、液体动压轴承
两个作相对运动物体的摩擦表面,可借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开,由液体膜产生的压力来平衡外载荷称为液体动力润滑。
动压油膜的形成过程可以通过图17-23描述。
图17-23a表示轴处于静止状态,轴颈位于轴承孔最下方的位置,两表面形成楔形间隙;
图17-23b是当轴开始转动时,由于油的粘性而被带进楔形间隙。
随着转速的增大、轴颈表面的圆周速度增大、带入楔形间隙内的油量也逐渐加多,由于油具有一定的粘度和不可压缩性,从而在楔形间隙内产生一定的压力,形成一个压力区(图17-23c)。
随着压力的继续增高,楔形间隙中压力逐渐加大,当压力能够克服外载荷F时,就会将轴浮起,这时轴承处于流体动力润滑状态,油膜产生的压力与外载荷F平衡(图17-23d)。
a)b)c)d)
图17-23动压油膜的形成过程
液体动压轴承内的摩擦阻力仅为液体的内部摩擦阻力,所以其摩擦系数达到最小值。
综上所述,形成液体动压油膜需要具备以下条件:
(1)轴颈和轴瓦工作表面间必须有一个收敛的楔形间隙。
(2)轴颈和轴瓦工作表面间必须有一定的相对速度,且它们的运动方向必须使润滑剂从大口流入,从小口流出。
(3)要有一定粘度的润滑剂,且供应要充分。
二、液体静压轴承
静压轴承是依靠一套给油装置,将高压油压入轴承的间隙中,强制形成油膜,保证轴承在液体摩擦状态下工作。
油膜的形成与相对滑动速度无关,承载能力主要取决于油泵的给油压力,因此静压轴承在高速、低速、轻载、重载下都能胜任工作。
在起动、停止和正常运转时期内,轴与轴承之间均无直接接触,理论上轴瓦没有磨损,寿命长,可以长时期保持精度。
而且正由于任何时期内轴承间隙中均有一层压力油膜,故对轴和轴瓦的制造精度可适当放低,对轴瓦的材料要求也较低。
如果设计良好,可以达到很高的旋转精度。
但静压轴承需要附加一套繁杂的给油装置。
所以应用不如动压轴承普遍。
一般用于低速、重载或要求高精度的机械装备中,如精密机床、重型机器等。
静压轴承在轴瓦内表面上开有几个(通常是四个)对称的油腔,各油腔的尺寸一般是相同的。
每个油腔四周都有适当宽度的封油面,称为油台,而油腔之间用回油槽隔开如图17-24所示。
应当注意在外油路中必需配有节流器。
工作时,若无外载荷(不计轴的自重)作用,轴颈浮在轴承的中心位置,各油腔内压力相等,亦即油泵压力ps通过节流器降压变为p,且p=p1=p3。
当轴颈受载荷W后,轴颈向下产生位移,此时下油腔3四周油台与轴颈之间的间隙减小,流出的油量亦随之减少,根据管道内各截面上流量相等的连续性原理,流经节流器的流量亦减少,在节流器中产生的压降亦减小,供油压力ps是不变的,因而p3必然增大。
在上油腔1处则反之,间隙增大,回油畅通而p1降低,上下油腔产生的压力差与外载荷平衡。
图17-24静压轴承
本章要点
(1).润滑状态的特点和不同润滑剂的性能。
(2).非液体润滑轴承的设计计算,重点掌握非液体摩擦滑动轴承的验算。
(3).液体动压润滑原理,形成流体动压润滑的条件。
(4).了解典型滑动轴承的结构特点、功用、主要失效形式。
习题
17-1滑动轴承的摩擦状况有哪几种?
它们有何本质差别?
17-2径向滑动轴承的主要结构形式有哪几种?
各有何特点?
17-3非液体摩擦滑动轴承的主要失效形式是什么,试从下面选择正确答案?
(a)点蚀(b)胶合(c)磨损(d)塑性变形
17-4常用轴瓦材料有哪些,适用于何处?
为什么有的轴瓦上浇铸一层减磨金属作轴承衬使用?
17-5形成滑动轴承动压油膜润滑要具备什么条件?
17-6选择下列正确答案。
液体滑动轴承的动压油膜是在一个收敛间楔、充分供油和一定条件下形成的。
(a)相对速度(b)外载(c)外界油压(d)温度
17-7液体滑动轴承的摩擦副的不同状态如图17-25所示。
试判断这些状态中,哪些状态符合形成动压润滑条件,哪些状态不符合。
并分别说明你所得出的结论的根据。
UU
UU
(a)(b)(c)(d)
图17-25
17-8校核铸件清理滚筒上的一对滑动轴承,已知装载量加自重为18000N,转速为40r/min,两端轴颈的直径为120mm,轴瓦材料为10-1锡青铜ZCuSn10Pl,,用润滑