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轴瓦教程

10－1　滑动轴承的类型和典型结构

  一、滑动轴承的类型

   滑动轴承与滚动轴承功能相同，同属支承件。

由于滑动轴承起动摩擦阻力较大，维护也较麻烦，故多为滚动轴承所取代。

但由于结构及摩擦状态等方面的不同在某些工况下，，滑动轴承具有滚动轴承所不能可比拟的一些独特优势，使其在机械设计中仍占有重要地位。

滑动轴承主要应用于高速、高精度、重载、强冲击、安装受限、经径向结构尺寸要求小、特殊工况工作条件等场合。

   滑动轴承按其承受载荷的方向，可分为径向滑动轴承（用于承受径向力或主要承受径向力）和推力滑动轴承（用于承受轴向力）。

根据滑动表面间摩擦状态的不同，可分为液体摩擦轴承、非液体摩擦轴承（指滑动表面间处于边界润滑或混合润滑状态）和干摩擦轴承（或称无润滑轴承，指工作前和工作时不加润滑剂）。

根据液体润滑承载机理的不同，又可分为液体动力润滑轴承（简称液体动压轴承）和液体静压润滑轴承（简称液体静压轴承）。

滑动轴承按其承受载荷方向的不同，分为径向滑动轴承（用于承受径向载荷）和推力滑动轴承（用于承受轴向载荷）。

根据其轴承工作表面间的摩擦状态的不同，滑动轴承可分为非液体摩擦轴承、液体摩擦轴承和干摩擦轴承。

又根据油膜形成原理的不同，液体摩擦轴承分为液体动压滑动轴承和液体静压滑动轴承。

本章主要讨论非液体摩擦滑动轴承和液体动压滑动轴承的结构、材料、参数选择及承载能力计算等内容设计计算。

  二、滑动轴承的典型结构

   滑动轴承的结构形式与摩擦状态和受载方向有关，其结构一般由轴承座、轴瓦、润滑和密封装置等组成并有多种结构形式，下面介绍几种典型结构。

   1．经向滑动轴承

（1）整体式

   图10－1所示为整体式径向滑动轴承，它是由轴承座1、整体轴瓦2和紧定螺定3等组成。

轴承座用螺栓与机座联接，顶部开有进油或安装油杯的螺孔螺纹孔。

用轴承材料制成的套筒式轴瓦（或简称轴套）压装在轴承座中。

也有一些机器不用专用的轴承座，而把轴瓦（或轴套）直接压压装在在机座或机体孔中，如机床、减速器等。

   这种轴承结构简单、容易制造、成本低，缺点是轴瓦磨损后间隙无法调整和轴颈只能从端部装入。

因此，它仅适用于低速轻载或间歇性工作的机器中。

   2．剖分式

   剖分式径向滑动轴承的典型结构如图11－2和图11－3所示，都由轴承盖座1、轴承座盖2、剖分轴瓦3和螺栓4等组成。

图11－2为正剖分式结构，主要用于载荷方向垂直于轴承安装基准面的场合。

图11－3为斜剖分式结构，用于载荷与轴承安装面成一定角度（通常倾斜45°）的场合。

轴承盖上的有螺纹孔用于安装油杯供给润滑油。

轴承座与盖的剖分面常作成阶梯形，以便加工和安装时定位并防止工作时错动。

在轴瓦剖分面间，一般装上一些薄垫片，当轴瓦磨损后，可通过抽去垫片来调整轴承的径向间隙。

这种结构，由于轴承盖可打开，因此装拆维修都较方便，但结构较复杂，价格较贵。

   3．自动调心式

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当轴承宽度B较大时，轴的弯曲变形或轴承孔倾斜安装误差较大时，它都将会造成轴颈与轴瓦两端的局部接触，从而引起剧烈的磨损和发热。

轴承宽度B越大，上述现象越严重。

因此，宽径比B/d＞1.5时，宜采用自动调心式轴承。

这种轴承的结构如图1310－4所示。

其特点是轴瓦1的外支承面作成?

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   凸球面，与轴承盖2和轴承座3上的凹球面相配合，球面中心通过轴颈的轴线。

因此，轴瓦可承受随轴的弯曲或倾斜而自动调心位，从而以保证轴颈与轴瓦的均匀接触。

   4．间隙可调式

   工作时轴瓦与轴颈表面必然要产生磨损，随之轴承间隙也会逐渐增大，当达到一定程度时，将影响机器的正常工作和运转精度。

因此，对于易产生较大磨损间隙运转精度要求较高的轴承，要采用间隙可调式轴承。

   此种轴承的结构见图10－5。

图（a）所示为常用的一种结构。

它的轴瓦，外表面为锥形的轴瓦外表面是锥形，与一个具有内锥形表面的轴套相配合，轴瓦上开有一条纵向切槽。

利用轴套两端的螺母可用来调整轴颈与轴瓦的间隙。

图（b）所示为为是用于圆锥形轴颈的结构，它的轴瓦做成与圆锥轴颈相配的内锥孔，从而省略了轴套。

为使轴套（轴瓦）在装配或调整时易轴向移动，在结构设计时，应在保证散热条件下尽量减少轴瓦与轴颈的接触面积。

圆锥面的锥度通常为1:

30~1:

10。

它是通过两端螺母改变轴与轴瓦的轴向相对位置来调整轴承间隙的。

   5．推力滑动轴承

   推力滑动轴承仅能承受轴向载荷，由轴承座和止推轴颈等组成，与径向轴承联合使用才可同时承受轴向与径向载荷。

其常用结构如图10－6所示。

   图a为实心端面推力轴承，这种轴承接触面上的压强分布不均匀，靠近边缘部分磨损较快，很少使用。

图b为空心端面推力轴承，接触面积减小，润滑条件有所改善，从而避免了空心式的一些缺点。

图c为单环式推力轴承，利用轴颈的环形端面承载，结构简单，常用于低速轻载的场合。

图d为多环式推力轴承，采用多个环承担轴向载荷，提高了承载能力，另外还可承受双方向的轴向载荷。

   实心型在接触面上的压力分布不均匀，中心处压强高，支承面磨损较快，很少使用。

空心型支承接触面上的压力分布较均匀，润滑条件有所改善。

单环型是利用轴瓦的端面止推，结构简单，润滑方便，广泛常用于低速轻载场合。

多环型结构特点同单环型，可用于重载场合。

   推力滑动轴承的结构尺寸可按下列经验公式确定：

   实心、空心型：

d由轴的结构设计确定

d0=（0.4~0.6）d

   单环与多环型：

d1由轴的结构设计确定。

d≈d1+2hs

d0=（0.4~0.6）d

hs=（0.1~0.3）d1

d1=（2~3）hs

10－2　轴瓦的结构与材料

  一、轴瓦的结构

   轴瓦在轴承中直接与轴颈接触，其结构是否合理对轴承的承载能力及使用寿命影响很大。

在设计轴瓦结构时应考虑的主要问题是：

要具有一定的强度和减摩性，定位要可靠，便于输送润滑剂，装拆及调整方便等。

   常用的轴瓦分为整体式和剖分式两种结构。

图10－7a所示为整体式轴瓦（又称轴套），轴瓦上开有油孔和油沟，以便把润滑油导入整个摩擦表面。

剖分式轴瓦分为上轴瓦和下轴瓦（如图10－7b），轴瓦两端有凸肩用作轴向定位，并能承受一定的轴向力。

    为改善轴瓦的摩擦性能及节省贵重的合金材料，常在轴瓦的内表面浇注或轧制一层减摩材料（如轴承合金），称为轴承衬，其厚度在0.5~5mm范围内（图10－8）。

通常情况下，轴承合金衬层愈薄，其疲劳强度愈高。

这种具有轴承衬的轴瓦结构又称为双金属轴瓦。

为综合利用各种金属材料的特性，还可在轴承衬表面再镀上一层或多层薄薄的其它金属材料（如银、铟等），则称之为三金属轴瓦或多金属轴瓦。

这类轴瓦比起单金属轴瓦，其减摩性、疲劳强度、跑合性和嵌藏性等方面都得到很大提高。

   非金属材料轴瓦多制成成装配式，将非金属构件镶入金属轴瓦内。

木材或层状塑料制造的轴瓦，要利用其横断面来作工作面（如图10－9a），橡胶轴瓦应开设轴向油沟，以便冷却和冲走污物（如图10－9b）。

   为使润滑油能顺利流入轴瓦的整个工作表面中，轴瓦上要制出进油孔和油沟用以输送润滑油。

对于宽径比B/d较小的轴承，开设油孔即可。

对于宽径比较大，可靠性要求高的轴承，还应开设油沟。

常用的油沟形式如图10－10所示。

   设计时应注意，液体动压滑动轴承的油孔和油沟均不应开设在轴瓦的承载区内，否则会明显降低油膜的承载能力（如图10－10所示）。

图10－10　油沟对承载能力的影响 

   二、轴瓦材料 

   轴瓦和轴承衬的材料统称轴瓦材料。

   滑动轴承工作时，轴瓦（轴承衬）与轴颈构成摩擦副，即使是液体摩擦轴承，在启动、停车、换向、载荷或转速变化时，也可能出现摩擦表面的直接接触。

因此，轴瓦的主要失效形式是磨损和胶合（烧瓦）。

在变载荷作用下，也会出现疲劳点蚀。

所以，对轴瓦材料的主要基本要求是：

有良好的减摩性、耐磨性、抗胶合性；良好的顺应性、嵌入性和跑合性；良好的导热性、热稳定性；具有足够的强度；对润滑油有较强的吸附能力、耐腐蚀和便于加工等。

   常用的轴瓦材料分为金属材料、粉末冶金材料和非金属材料。

   1．铸铁

   灰铸铁和耐磨铸铁均可作轴承材料。

灰铸铁中的游离石墨虽能起润滑作用，但铸铁硬度高且脆，跑合性差。

耐磨铸铁中石墨细小而分布均匀，耐磨性较好。

这类材料应用较少，仅适用于轻载、低速和不受冲击的场合。

   2．轴承合金（又称巴氏合金或白合金） 

   它主要由锡、铅、锑、铜等组成。

分为锡基轴承合金（例如ZSnSb10Cu6合金中，含锑10%，含铜6%，锡83%）和铅基轴承合金（例如ZPbSb16Sn16Cu2合金中，含锑16%，锡16%，铜1.75%，其余为铅）两类。

锡基轴承合金的摩擦系数小，抗胶合能力好，对油的吸附性强，耐腐蚀性好，易跑合，它适用于高速、重载的场合。

铅基轴承合金的性能较前者脆，不宜承受冲击载荷，适用于中速、中载的场合。

这两类轴承合金的机械强度和熔点都较低，仅宜用于小于150℃的工况，且价格贵，一般只用作轴承衬的材料。

轴承合金的弹性模量和弹性极限都很低，在所有轴承材料中，它的嵌入性及摩擦顺应性最好，很容易与轴颈磨合。

   3．铜合金 

   有锡青铜、铝青铜和铅青铜三种。

青铜的疲劳强度优于轴承合金，耐磨性与减磨性较好，能在较高温度下工作。

但可塑性差，不易跑合，宜用于中速重载、中速中载及低速重载。

   4．铝合金

   有低锡和高锡两类。

铝合金强度高，耐磨性、耐腐蚀性和导热性好，但要求轴颈有较高的 硬度和较小的表面粗糙度，轴承的间隙也要稍大些。

此类合金价格较便宜，适用于中速中载、低速重载的场合。

例如用20高锡铝基合金（含锡20%，铜1%，其余为铝）与钢制成的双金属轴瓦，成本低，耐磨性好，且有较高的承载能力，已获得广泛应用。

   5．粉末冶金

   常用的有铁－石墨和青铜－石墨两种。

它们是利用铁或铜和石墨粉末混合，经压型、烧结、浸油而制成的多孔隙整体轴套（又称含油轴承）。

其特点是组织疏松孔隙大（其孔隙约占总容积的15%~35%），孔隙能吸收润滑油。

工作时，贮存在孔隙中的油由于轴颈转动的抽吸和热膨胀作用（油的热胀系数比金属大），油可自动进入工作表面起润滑作用；停车时，油又被吸回孔隙中。

因此，这种轴承长期不加油仍能很好地工作。

这种材料价廉、易于制造、耐磨性好，但韧性差，宜用于轻载、低速及加油不便的场合。

如排气扇、纺织机械、洗衣机及一些复杂仪器设备需经常加油但有困难的轴承。

   6．非金属材料 

   非金属材料主要特点是摩擦系数小，耐腐蚀，但导热性能差，易变形。

常用的有塑料、橡胶和木材等。

   塑料分为酚醛塑料、聚酰胺（尼龙）和聚四氟乙烯等。

一般用于温度不高，载荷不大的场合。

   橡胶的弹性较大，能适应轴的小量偏斜及在有振动的条件下工作。

多用于离心水泵、水轮机和水下机具上。

   说明：

上述现有的轴承材料尚不能同时满足所有要求。

因此，设计时只能根据轴承的具体工作条件选择相对满足要求的材料或通过采用多金属轴瓦结构来加以改善。

在选择轴瓦材料时，其主要依据是：

载荷、速度、温度、环境条件、经济性等方面的要求。

常用的轴瓦材料和性能见表10－1。

10－3　滑动轴承的润滑

   滑动轴承润滑的目的在于降低摩擦和减少磨损，同时还可以起到冷却、吸振、防锈等作用。

这一目的实现主要依靠润滑剂和润滑装置的正确选用。

   一、润滑剂及选择

   润滑剂分为气体、液体、半固体和固体四种基本类型。

在液体润滑剂中应用最广泛的是润滑油，它包括矿物油、动植物油、合成油和各种乳剂。

半固体润滑剂主要是指各种润滑脂，它是润滑油和稠化剂的稳定混合物。

固体润滑剂是在摩擦表面上形成固体膜以减少摩擦阻力的物质，如石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。

任何气体都可作为气体润滑剂，其中用得最多的是空气，它主要用在气体轴承中。

   1．润滑油

   目前使用的润滑油大部分为石油产品（矿物油）。

润滑油中最重要的性能指标为粘度，它是选择润滑油的重要依据。

因此，有必要介绍与粘度相关的一些基本知识。