滑动轴承设计与计算

1第二十二章第二十二章 滑动轴承滑动轴承 概述概述22.1 22.1 滑动轴承的类型与结构滑动轴承的类型与结构22.2 22.2 滑动轴承材料滑动轴承材料 22.3 22.3 润滑剂与润滑方法的选用润滑剂与润滑方法的选用22.4 22.4 滑动轴承的设计计算滑动轴承的设计计算 22.5 22.5 流体静压轴承流体静压轴承 2概概 述述 滑动轴承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概概 述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滑动轴承的类型与结构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滑动轴承的类型与应用径向轴承 推力轴承 5滑动轴承的类型与结构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滑动轴承的类型与结构干摩擦轴承无润滑轴承承 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滑动轴承的结构滑动轴承的结构 径向轴承 滑动轴承的类型与结构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滑动轴承的类型与结构9轴瓦轴瓦 滑动轴承的类型与结构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滑动轴承的类型与结构油孔、油槽和油室 1222.2 滑动轴承材料滑动轴承材料对轴瓦材料性能的要求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轴瓦材料的种类轴瓦材料的种类 滑动轴承材料滑动轴承材料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轴瓦表面涂层材料轴瓦表面涂层材料 滑动轴承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0.017 mm0.075 mm。16各种轴瓦材料的性能比较各种轴瓦材料的性能比较 滑动轴承材料滑动轴承材料轴瓦材料 抗拉强度b/MPa 弹性模量E/GPa 密度/gcm-3 热导率/W(m)-1 线胀系数/10-6-1 锡基轴承合金 8090 4857 73007380 33.538.5 23.1 铅基轴承合金60802993001020020.925.124.028.0铜基轴承合金 150700 75120 76009000 2771 1619 耐磨铸铁200350 表表22-1 22-1 各种轴瓦材料的物理性能各种轴瓦材料的物理性能 17表表22-2 22-2 各种轴瓦材料的使用性能比较各种轴瓦材料的使用性能比较 滑动轴承材料滑动轴承材料金 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1822.3 润滑剂与润滑方法的选用润滑剂与润滑方法的选用 润滑剂及其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。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/ms10.10.10.30.30.60.61.21.22.02.05.05.09.09.0轴承载荷p/MPa3工作温度1060粘度等级68,1006846,684632,4615,22,327,1037.5150100,15010068,100687.5302080680,1 000680460,320150,22020轴承间隙/mm 0.0020.006 0.0060.010 0.0100.030 0.0300.060 主轴油牌号 L-FD 2 L-FD 3、5、7 L-FD 7、10 L-FD 15、22 主轴油的选用主轴油的选用 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润滑剂与润滑方法的选用轴承工作温度/60 60130 130 线速度v/ms-1 0.5 0.50.50.5 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/(10 mm)-1 265340 335385 220250 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剂与润滑方法的选用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油、脂润滑滑动轴承润滑方法的选取 K/(Nm)1/2s-3/2 2 000 2 00016 000 16 00032 000 32 000 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 BdFppvk3F 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 滑动轴承的设计计算滑动轴承的设计计算滑动轴承的参数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=Rr)相对间隙(=c/r)轴瓦宽度B 24滑动轴承的设计计算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或相对间隙则需要根据经验选取。252.工况参数 滑动轴承的设计计算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无润滑轴承的设计计算 滑动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=dn(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（=2c/d）,=0.810-3(dn)1/4 轴瓦壁厚 推荐值见表22-7 28滑动轴承的设计计算滑动轴承的设计计算29轴瓦孔径 1018 1830 3040 4050 5065 6580 80100100150 150200 轴瓦壁厚工程塑料 0.81.0 1.01.51.52.02.03.0 3.03.53.54.0 炭石墨 34 45 68 1012 1218 1825 表表22-7 22-7 工程塑料与炭石墨轴瓦壁厚工程塑料与炭石墨轴瓦壁厚 滑动轴承的设计计算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滑动轴承的设计计算p(防止过度塑性变形和磨损)pBdFp径向轴承推力轴承)(4220pddZFpiv(防止高温下过快磨损)径向轴承 v=dnv v=(do+di)n/2v 推力轴承31pv值(限制轴承发热量)滑动轴承的设计计算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液体动力润滑轴承的计算 滑动轴承的设计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)pphhhuxxzzx33滑动轴承的设计计算滑动轴承的设计计算33()()6(22-9)pphhhuxxzzxh-油膜厚度；-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 偏心率偏心距e与轴颈间隙c之比，(=e/c)36 偏位角中心连线O Oj与载荷作用线所夹锐角；滑动轴承的设计计算滑动轴承的设计计算油膜厚度h 圆轴承，从OOj量起，任意角处油膜厚度hR-r+ecosc+ecosc(1+cos)最小油膜厚度h2（180）是保证流体动力润滑的最重要的参数。h2=d(1-)/2 372.性能计算 滑动轴承的设计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、p），还需要补充两个方程。膜厚度方程 hc(1+cos)热平衡方程令：F/F=，为轴承的摩擦因数；=/，为摩擦特性数,则摩擦功耗为 P=Fdn2)热平衡计算 38滑动轴承的设计计算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:P=QA=kA(b-a)k是系数，在自然通风下k=1520W/(m2 K)；A是轴承座散热面积；b是轴承工作温度，最高不得超过90；a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 P=QL=cq(o-i)39c是润滑油的比热容；是润滑油密度；q是轴承端泄流量；o是润滑油出油温度；i是润滑油进油温度，一般取为35-45。QL=cq(o-i)滑动轴承的设计计算滑动轴承的设计计算轴承工作温度为:b=(o+i)/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 F来表征承载能力，有402(22-16)mepFn滑动轴承的设计计算滑动轴承的设计计算pm是轴承平均载荷,pm=F/(BD);是相对间隙；e是润滑油有效黏度；n是轴颈转速。轴承特性数F 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 F与偏心率的关系曲线。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，再利用这些图表根据偏心率可以求出功耗、流量和偏位角。41滑动轴承的设计计算滑动轴承的设计计算42滑动轴承的设计计算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()润滑油粘度 ()最小油膜厚度(h2)，h2min=S(Ra1+Ra2)表面粗糙度 Ra值一般在0.2-0.8 m范围内 4.改变参数对轴承性能的影响 43滑动轴承的设计计算滑动轴承的设计计算性 能 参 数 加 大 的 参 数 改用周向油槽 轴承直径D 轴承宽度B 半径间隙c 载荷p 旋转速度n 润滑油粘度 进油温度in 供油压力ps 轴向油槽长度 轴向油槽宽度 最小油膜厚度h2 轴承工作温度e 摩擦功耗P 润 滑油 流量q 表22-11 参数改变对轴承性能的影响44 21.5 流体静压轴承流体静压轴承 流体静力润滑:依靠泵入润滑表面压力流体以形成承载油膜的润滑方式。采用该润滑方法的轴承称为静压轴承，也称外压轴承。突出特点:摩擦副表面组成等厚间隙、无相对运动也能实现良好的流体润滑。1.静压轴承的组成 45流体静压轴承流体静压轴承静压轴承的组成静压轴承的组成 46 流体静压轴承流体静压轴承47 流体静压轴承流体静压轴承基本方程仍是雷诺方程 静压轴承在无速度下也能形成润滑油膜,雷诺方程右边项中的速度为零,变为拉普拉斯方程。33()()0hphpxxzz若进一步简化为一维流,则可根据连续性原理,通过流量平衡计算出静压轴承的承载能力。48流体静压轴承流体静压轴承计算结果表明:静压油膜的刚度比动压油膜高 轴转动的静压轴承,理论上仍应按雷诺方程求解，即在其承载能力中包含动压承载能力部分。若动压承载能力部分小到可以忽略不计，这样的轴承可按纯静压轴承计算。充分利用其动压承载能力部分的静压轴承，称为动静压混合轴承。