15.1摩擦狀態分析15.2滑動軸承的結構15.3軸瓦和軸承襯材料15.4非液體摩擦滑動軸承的設計計算15.5潤滑劑和潤滑裝置15.6液體摩擦滑動軸承介紹習題盡管滾動軸承具有許多優點，并在一般機器中獲得了廣泛應用，但在高速、重載、高精度以及結構上要求剖分等情況下，滑動軸承就顯示出了特有的優勢，因而在汽輪機、大型電機、內燃機、空氣壓縮機中多采用滑動軸承。此外，在一些低速、有沖擊且不重要的場合也常采用滑動軸承，如水泥攪拌機、破碎機、農用機械等。按照運動副表面的潤滑狀況，摩擦可分為以下幾種，如圖15-1所示。

(1)干摩擦：兩相對運動表面直接接觸，不加入任何潤滑劑的摩擦狀態。此時，摩擦十分強烈，伴隨有大量的摩擦功損耗和嚴重的磨損。除非在特殊的無潤滑或自潤滑運動副中，一般的滑動軸承中不允許出現干摩擦。15.1摩擦狀態分析圖15-1摩擦狀態(a)干摩擦；(b)邊界摩擦；(c)液體摩擦

(2)邊界摩擦：在油潤滑情況下，若潤滑油與金屬表面吸附良好，則可在兩相對運動表面形成極薄的邊界油膜(厚度一般在0.1μm以下)。兩相對運動表面覆蓋一層邊界油膜后，雖不能完全消除表面的磨損，卻可以起著減輕磨損的作用。邊界摩擦的摩擦系數約為0.1～0.3。

這種摩擦狀態的摩擦性能取決于邊界油膜和金屬表面的吸附能力，稱為油性，它與潤滑油和金屬表面的性質、狀況有關。

(3)液體摩擦：兩相對運動表面被流體層隔開的摩擦狀態。其摩擦性能取決于流體內部分子間的粘性阻力。由于摩擦表面被油隔開而不直接接觸，因此摩擦系數很小(f≈0.001～0.01)，是最理想的摩擦狀態。

(4)混合摩擦：摩擦副處于干摩擦、邊界摩擦及流體摩擦的混合狀態。其摩擦、磨損的性能主要取決于處于邊界摩擦狀態的部分。液體摩擦是最理想的情況，長期高速旋轉的機器，應該確保其軸承在液體潤滑條件下工作，這樣的軸承稱為液體摩擦滑動軸承。在一般機器中，摩擦表面多處于干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦的混合狀態，稱為混合摩擦(或稱為非液體摩擦)滑動軸承。

圖15-2為向心滑動軸承摩擦副的摩擦特性曲線，這條曲線是由實驗得到的。無量綱參數ηn/p稱為軸承特性數，其中η為潤滑油的動力粘度，n為每秒轉數，p為軸承的壓強。該圖說明，對向心滑動軸承摩擦副來講，隨著軸承特性數的變化(工況變化)，摩擦副可以處于不同的摩擦狀態。圖15-2磨擦特性曲線根據承受載荷的方向，滑動軸承可分為向心滑動軸承和推力滑動軸承。

15.2.1向心滑動軸承的結構

向心滑動軸承有整體式和剖分式兩種結構。

圖15-3所示為整體式向心滑動軸承，其優點是結構簡單、成本低廉。但安裝和拆卸軸時需要沿軸向相對移動，有些應用場合使用不便，甚至無法裝配，軸瓦磨損后也無法調整軸承間隙。故常用于低速、輕載或間歇工作的場合。15.2滑動軸承的結構圖15-3整體式向心滑動軸承圖15-4所示為剖分式向心滑動軸承，由軸承蓋1、底座2、剖分軸瓦3和螺紋聯接件4等組成。為保證安裝時準確定位，在軸承蓋與軸承座的中分面上做有階梯形的榫口。軸承蓋上制有螺紋孔，以便安裝油杯或油管。這種軸承拆裝方便，軸瓦磨損后可通過修刮軸瓦和調整軸瓦中分面間的墊片厚度加以補償，軸瓦與軸肩端面可承受一定的軸向載荷。當軸承所承受的徑向載荷方向向下或略有偏斜時，軸承的中分面常為水平方向；若載荷方向有較大偏斜時，則軸承的中分面也應斜著布置，使中分平面垂直于或接近垂直于載荷(見圖15-5)。圖15-4剖分式向心滑動軸承圖15-5斜開向心滑動軸承剖分軸瓦(見圖15-6)是滑動軸承中最重要的零件。若載荷方向向下，則下軸瓦為承載區，上軸瓦為非承載區。潤滑油應由非承載區引入，所以在頂部開進油孔。在軸瓦內表面，以進油口為中心沿縱向、斜向或橫向開有油溝，以利于潤滑油均勻分布在整個軸頸上。

油溝的形式很多，圖15-7所示為幾種常見的形式。油溝與軸瓦端面應保持一定距離，以防止漏油。圖15-6剖分軸瓦圖15-7油溝形式有些滑動軸承座本身是箱體的一部分，這種軸承座通過在箱體上直接加工孔得到，由于同一軸的兩個軸承孔可通過一次裝夾完成加工，因此容易得到較高的同軸度。15.2.2推力滑動軸承的結構

推力滑動軸承主要承受軸向載荷，其常用結構如圖15-8所示。圖(a)為空心端面推力滑動軸承，靠近軸心處加工有凹坑，不承受載荷，避免靠近軸心處壓強分布大、潤滑不良。圖(b)為單環式推力滑動軸承，結構簡單，應用廣泛。當載荷較大時應采用圖(c)所示的多環式推力滑動軸承，但環數不宜過多，計算承載能力時應考慮各環受力不均因素。除此之外，也可以利用向心滑動軸承的端部承載。由于兩平行平面之間是不能形成動壓油膜的(見15.6節)，因此，為了改善推力滑動軸承的性能，通常沿軸承止推面按若干塊扇形面積開出楔形(見圖15-9)。圖(a)為固定式推力滑動軸承，其楔形傾角固定不變，在楔形頂端留有平臺，用來承受停車后的軸向載荷。圖(b)為可傾式推力滑動軸承，其扇形塊的傾斜角能隨著載荷、轉速的改變而自行調整，因此性能更為優越。扇形塊數一般為6～12，圖(c)為扇形塊的放大圖。圖15-8普通推力滑動軸承(a)空心端面式；(b)單環式；(c)多環式圖15-9有動壓效應的推力滑動軸承(a)固定式；(b)可傾式；(c)扇形塊放大圖非液體摩擦的滑動軸承，其主要的失效形式是：①載荷過大、轉速過高或溫度過高使潤滑油膜破裂而產生磨損；②工作條件超過材料疲勞極限出現疲勞破壞；③過熱造成的膠合。

液體潤摩擦動軸承除了以上失效形式之外，更常見的失效形式是油膜承載能力不夠，軸頸與軸瓦接觸產生磨損。15.3軸瓦和軸承襯材料因此滑動軸承軸瓦材料應當具有以下性能：①對軸頸的摩擦系數要小；②耐磨、耐蝕、抗膠合能力強；③良好的導熱性和較小的熱膨脹系數；④良好的順應性和嵌藏性，以嵌藏外來微粒，補償加工誤差和彈塑性變形；⑤足夠的機械強度和抗疲勞性能。

圖15-10組合材料軸瓦能同時滿足上述要求的材料幾乎沒有(例如順應性和嵌藏性良好的材料，強度往往較低；耐磨的材料順應性和嵌藏性大多不好)。通常是根據具體情況滿足主要使用要求，按照局部品質原理作成雙金屬或三金屬軸瓦(見圖15-10)，使不同金屬在性能上取長補短。在工藝上可用澆鑄或壓合的方法，將薄層材料粘附在軸瓦基體上。粘附上去的薄層材料稱為軸承襯。

表15-1列出了常用軸瓦、軸承襯材料的使用性能。下面分類介紹。表15-1常用軸瓦材料的性能軸承合金也稱白合金或巴氏合金，是滑動軸承的專用耐磨、減摩材料，分為錫基或鉛基兩類。軸承合金的抗膠合性、順應性、嵌藏性都很好。但它的機械強度差，只能作為軸承襯材料澆鑄在鋼、鑄鐵或青銅軸瓦上使用。軸承合金的熔點比較低，設計運行中應將溫度控制在110～120℃以下。錫基軸承合金常用在高速重載軸承中。鉛基軸承合金因為較脆，故一般用于中速中載軸承。

2．青銅

青銅軸瓦強度高，承載能力大，耐磨性和導熱性都優于軸承合金，可以在較高的溫度下工作。但它的嵌入性、順應性和抗膠合能力不如軸承合金，不易跑合，與之相配合的軸頸必須淬火處理。常用的青銅軸瓦材料有錫青銅、鉛青銅和鋁青銅，一般情況下它們分別用于高速重載、中速中載和低速重載的軸承中。

3．粉末冶金

粉末冶金是用金屬粉末或在金屬粉末中加入石墨、硫等粉末，混合、高壓成型，再經過高溫燒結而成的多孔性材料。用這種材料制造的軸承在使用前先在熱油中浸漬，使孔隙中充滿潤滑油，故亦稱含油軸承。工作時，由于軸頸轉動的抽吸作用及軸承發熱時油的膨脹，油便進入摩擦表面起潤滑作用；停車時，因毛細管作用，油又被吸回軸承孔隙內。這樣，即使在相當長的時間內不補充油，軸承仍能較好地工作。粉末冶金的缺點是性脆、不耐沖擊，故

只適用于載荷平穩的情況。

4．其他材料

鑄鐵生產成本較低，工藝性能好，而且其組織中的石墨可以在滑動表面間提供自潤滑作用。但由于鑄鐵質地較硬、較脆，抗沖擊性差，因此一般應用在不重要的或低速輕載的軸承中。

橡膠軸承具有較大的彈性，能減輕振動使運轉平穩，可用水潤滑，常用于潛水泵、砂石清洗機、鉆機等有泥砂的場合。塑料軸承具有摩擦系數低，可塑性、磨合性良好，耐磨、耐蝕，可用水、油及化學溶液潤滑等優點。但它的導熱性差，膨脹系數較大，吸水吸油后容易變形。為改善此缺陷，常將薄層塑料作為軸承襯材料粘附在金屬軸瓦上使用。非液體摩擦滑動軸承不能形成完整的流體潤滑膜，軸承與軸頸處于混合摩擦狀態，起主要作用的是邊界吸附油膜，維持邊界油膜不破裂，是非液體摩擦滑動軸承的設計依據。由于邊界油膜的強度和破裂溫度受多種因素影響而十分復雜，因此工程上對這類軸承的設計采用條件性計算：①限制軸承的平均壓強p以限制磨損；②限制pv值以限制軸承發熱。15.4非液體摩擦滑動軸承的設計計算15.4.1徑向滑動軸承的計算(1)驗算軸承平均壓強p(參見圖15-11)：(15-1)圖15-11向心軸承結構簡圖式中，F是作用在軸承上的徑向載荷(N)；B是軸承寬度(mm)；d是軸頸直徑(mm)；［p］是軸承材料的許用壓強(MPa)。(2)驗算軸承的pv值：(15-2)式中，n是軸頸的轉速(r/min)；［pv］是軸承材料的許用值(MPa·m/s)。對于低速或間歇轉動的軸承，可以只校核平均壓強。15.4.2推力滑動軸承的計算

(1)驗算平均壓強p(參見圖15-8)：(15-3)式中，F是作用在軸承上的軸向載荷(N)；d1、d2分別是推力環的內徑和外徑(mm)；z是推力環的數目；k是考慮承載面積因油溝而減少的系數，隨油溝的數目與寬度的不同取k＝0.8～0.9。(2)驗算pv值：(15-4)式中，v是推力軸頸平均直徑上的圓周速度(m/s)；n是軸的轉速(r/min)。單環或端面止推軸承所用材料的許用值［p］、［pv］見表15-1。但對于多環軸承，因各環受力不均，故其許用值比表中值要降低20%～30%。15.5.1潤滑劑

潤滑是降低摩擦、磨損的有效方法，它還有帶走摩擦熱量和防銹等功能。潤滑劑一般可以分為四大類：液體潤滑劑(潤滑油)、潤滑脂、固體潤滑劑和氣體潤滑劑。其中潤滑油和潤滑脂應用最廣泛。15.5潤滑劑和潤滑裝置

1．潤滑油

目前使用的潤滑油大部分為石油系列潤滑油(礦物油)。潤滑油的主要性能指標有黏度和油性等。

1)黏度

黏度是流體流動時內摩擦力的量度，是潤滑油的基本指標，也是選擇潤滑油的主要依據。

圖15-12所示為兩相對運動平板間流體作層流運動的模型。由于潤滑油分子的吸附作用，與板面接觸的流體層具有與板面相同的速度，與移動件接觸的流體層的速度為v，與靜止件接觸的流體層的速度為0，流體內部各層速度呈線性分布，各層之間存在速度差，因而流體層之間就產生了摩擦切應力。圖15-12平行板間液體的層流實驗表明摩擦切應力與速度梯度成正比：(15-5)式中，τ為流體內摩擦切應力；v為流體速度；dv/dz為速度梯度；比例系數η稱為流體的動力黏度，動力黏度的數值越大，流體越粘稠。服從式(15-5)關系的流體稱為牛頓流體。在國際單位制中，黏度η的單位是Ns/m2(或Pa·s)。工程上常用動力黏度的厘米克秒制P(稱為泊)，1P＝1dyns/cm2。此外，還有運動黏度ν，它與動力黏度的關系為(15-6)式中，ρ為流體的密度。在國際單位制中，運動黏度ν的單位是m2/s；在厘米克秒制中，ν的單位是St(稱為斯)，工程上常用的單位是cSt(厘斯)，1St＝1cm2/s＝100cSt。

我國石油產品是用運動黏度單位cSt來標定的。載荷大、速度低、溫度高的軸承應選用黏度大的潤滑油，輕載、高速軸承宜選用黏度小的潤滑油。圖15-13幾種潤滑油的黏度—溫度曲線

2)黏度指數

潤滑油的黏度隨溫度的變化是非常明顯的。隨著溫度的升高，黏度將降低。圖15-13為幾種常用全損耗系統用油的黏度—溫度曲線。全損耗系統用油是一種通用的潤滑油，用來潤滑安裝在室內、工作溫度在50～60℃以下的各種輕負載機械。黏度指數是表示潤滑油黏度隨溫度變化特性的指標。黏度指數越大，表示潤滑油的黏度隨溫度的變化越小。此外，黏度還隨著壓力的升高而增大，但壓力不太高時(如小于10MPa)黏度變化極微，可略而不計。

3)油性(或潤滑性)

油性是表征潤滑油與固體間吸附性能的一個指標。在邊界潤滑條件下，潤滑油會在摩擦表面形成各種邊界膜(吸附膜和化學反應膜)，從而有效地降低摩擦和磨損。因而

油性是在較苛刻的使用條件下選用潤滑油的一個重要指標。一般說來，動、植物油的油性較好，礦物油的油性較差。此外，工作在特殊工況(如高溫、低溫、腐蝕等)條件下的潤滑油，其燃點、閃點、凝點、化學穩定性等指標也是非常重要的。常用潤滑油的性能指標參見表10-6。

2．潤滑脂

潤滑脂是由潤滑油、稠化劑和添加劑等調制成的一種膠狀物。潤滑脂密封簡單，不需經常加添，不易流失，故在垂直的摩擦表面上也可應用。潤滑脂對載荷和速度的變化有較大的適應范圍，受溫度的影響不大，但摩擦損耗較大，潤滑性能上不如潤滑油好，機械效率較低，故不宜用于高速場合。潤滑脂易變質，不如潤滑油穩定。總的來說，一般參數的機器，特別是低速或帶有沖擊的機器，都可以使用潤滑脂潤滑。

潤滑脂的主要性能指標有錐入度和滴點等。

1)錐入度(或稠度)

錐入度是指在25℃的恒溫下，將質量為150g的標準圓錐體置于潤滑脂表面上，經5s后錐體沉入脂內的深度(以0.1mm為單位)。錐入度越小，稠度越大。隨溫度的升高潤滑脂變稀，錐入度增加。

2)滴點

滴點是指潤滑脂達到一定流動性時的最低溫度。潤滑脂的滴點大致決定了其最高使用溫度，一般使用溫度要比潤滑脂的滴點低20～30℃。常用的潤滑脂有鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂和鋰基潤滑脂。鈣基潤滑脂有較好的耐水性，

但耐溫性較差，常用于60℃以下的各種機械設備的潤滑。鈉基潤滑脂耐溫性較好(115～145℃以下)，但不耐水。鋰基潤滑脂耐溫、耐水性均較好，可在-20～150℃的溫度范圍內工作。

3．固體潤滑劑

固體潤滑劑有石墨、二硫化鉬和聚四氟乙烯等，一般用于不宜使用潤滑油和潤滑脂的高溫、低速、重載場合。石墨性能穩定，350℃才開始氧化，并可在水中工作。二硫化鉬與金屬表面吸附能力強，摩擦系數小，可在-60～300℃的溫度范圍內工作。固體潤滑劑也常調合在潤滑油和潤滑脂中使用。

為改善潤滑油和潤滑脂的使用性能常需加入各種添加劑，如耐磨損添加劑、耐腐蝕劑、抗氧化劑、極壓劑和防銹劑等。15.5.2常用潤滑裝置

滑動軸承的供油方式分為間歇供油和連續供油。

常見的間歇供油裝置是各種油杯，如圖15-14所示，圖(a)為壓配式壓注油杯；圖(b)為旋套式油杯，適用于加注潤滑油；圖(c)為旋蓋式油杯，適用于潤滑脂，加滿潤滑脂后，旋轉螺旋杯蓋可使部分潤滑脂強行擠入潤滑部位。間歇供油裝置通常用于開機前和關機后加注潤滑劑。圖15-14常見的間歇供油裝置(a)壓配式壓注油杯；(b)旋套式油杯；(c)旋蓋式油杯連續供油潤滑根據所需供油量的大小可采用滴油潤滑、油環潤滑、浸油潤滑或噴油潤滑。

圖15-15是兩種常用的連續供油油杯。圖(a)是針閥油杯，手柄平放時，彈簧壓力使針閥堵住油杯底部的油孔；手柄直立時，針閥被提起，油孔敞開，潤滑油流入軸頸，調節螺母可以調整針閥開口的大小。圖(b)是彈簧蓋油杯，依靠棉線毛細作用使潤滑油流入潤滑部位，這種油杯結構簡單，但供油量與液面高度有關，不能調節。圖15-15連續供油裝置(a)針閥油杯；(b)彈簧蓋油杯圖15-16為油環潤滑，軸頸上套有油環，油環的下部浸入油池中，軸頸旋轉時，靠摩擦力帶動油環旋轉，并把潤滑油帶入軸承。

圖15-17是油泵循環供油潤滑，供油壓力一般僅需0.05MPa，配有潤滑油分配裝置可潤滑多處需要潤滑的部位，還可有過濾、冷卻、報警、控制裝置，但設備費用較高。圖15-16油環潤滑圖15-17油泵循環供油潤滑15.6.1流體動壓向心滑動軸承

流體動壓向心滑動軸承形成液體動壓油膜的過程如圖15-18所示。圖(a)表示停車狀態，此時軸頸在重力作用下與軸承孔在下部直接接觸，并形成楔形間隙。工作時經歷三個狀態：

(1)啟動狀態(見圖15-18(b))。在啟動的最初階段，軸頸轉速很小，在驅動力矩T與軸承孔的滾動摩擦阻力的共同作用下，軸頸沿軸承內壁逆向滾動(爬坡)，直到軸承孔對軸頸的全反力剛好等于外載荷F時，爬坡停止。15.6液體摩擦滑動軸承介紹圖15-18流體動壓向心滑動軸承的工作狀態(a)停車；(b)啟動；(c)初步脫離；(d)穩定工作

(2)初步脫離狀態(見圖15-18(c))。當軸頸轉速繼續增加時，潤滑油在軸頸的帶動下，由楔形間隙的較大間隙處向較小間隙處流動，使潤滑油在楔形間隙中因擁擠而形成壓力，迫使軸頸脫離軸承孔，形成初期的潤滑油膜。

(3)穩定工作狀態。圖(c)的狀態不能持久，因油膜內各點壓力的合力有向左推動軸頸的分力存在，因而軸頸繼續向左移動。達到穩定運轉狀態時，軸頸處于圖(d)所示的位置。此時油膜內各點的壓力，其垂直方向的合力與載荷F平衡，其水平方向的壓力左右自行抵消，于是軸頸就穩定在此平衡位置上旋轉。由圖可知，軸頸中心與軸承孔中心不重合，兩者的距離稱為偏心距。其他條件相同時，工作轉速越高，偏心距值越小，但兩者永遠不可能重合。由以上分析可知，流體動壓滑動軸承形成潤滑油膜必須具備以下條件：

(1)兩工作表面的間隙必須充滿潤滑油；

(2)兩工作表面必須有變化的間隙(突變或逐漸變化均可)；

(3)兩表面必須有足夠的相對滑動速度，且運動件應將潤滑油由間隙的大端帶入小端。對于圖15-18所示的向心軸承，條件1意味著動壓滑動軸承應采用完善的供油方式進行潤滑；條件2意味著在承受載荷的條件下，軸頸和軸承孔必須有一定的偏心，無偏心便不能產生動壓力；條件3意味著軸必須有足夠的轉速，顯然，動壓滑動軸承不適合在低速條件下

運行。

實際工程設計中，要求軸承在額定載荷和額定轉速下運轉時，最小間隙的數值應該大于表面粗糙度的數值。此外還要計算潤滑油的流量，并根據軸承的功率損耗校核熱平衡溫度。為了提高動壓軸承的旋轉精度和工作穩定性，常將軸瓦的內孔制成特殊的形狀，在工作中產生多個油楔，此即多油楔軸承，如圖15-19所示。圖(a)、(b)為雙油楔軸承，軸承孔做成橢圓形，因而在頂部和底部均可形成液體潤滑動壓油膜，雙油楔軸承常做成上下剖分式結構。

圖(c)為三油楔動壓潤滑軸承，工作時可形成三個動壓油膜。多油楔軸承有助于提高旋轉精度和工作穩定性。但與相同工作條件下的單油楔軸承相比，其供油量和摩擦損耗都會有所增加，承載能力也有所降低。圖(d)是可傾式多油楔軸承，分離的多片軸瓦由球端螺釘支撐，隨著運行

條件的改變能自動調整傾斜角度，以保證隨時都處于良好的工作狀態。因此，這種軸承除了有良好的旋轉精度和穩定性之外，正常工作的速度范圍也較大。圖15-19多油楔軸承(a)雙油楔軸承1；(b)雙油楔軸承2；(c)三油楔動壓潤滑軸承；(d)可傾式多油楔軸承15.6.2流體靜壓滑動軸承

流體靜壓滑動軸承是利用外部供油裝置，將有較高壓力的潤滑油送入軸承的油腔，使軸頸與軸承表面分開而形成液體潤滑油膜，其油膜形成不依賴于速度和油楔。因此，不論它在高速、低速、輕載、重載條件下，還是啟動、停車、運轉階段均能很好地工作。此外，由于油膜剛度大，因此它的回轉精度高且精度保持性好。但因需要一套供油系統，所以造價高，應用沒有動壓軸承普遍，主要用于低速、重載或要求精度很高的機械裝備中。圖15-20為流體