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軸承

軸承的主要功能是支撐機械旋轉(zhuǎn)體,降低其運動過程中的摩擦系數(shù),并保證其回轉(zhuǎn)精度。

1滾動軸承

滾動軸承是依靠滾動體與軸承座圈之間的滾動接觸來工作的軸承,用于支撐旋轉(zhuǎn)零件或擺動零件。它廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備中,如汽車變速器、分動器等,全部采用滾動軸承。
  滾動軸承的尺寸已標(biāo)準化,并由專門的軸承廠成批量生產(chǎn)。所謂滾動軸承的設(shè)計,只是根據(jù)具體的載荷、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)精度和工作條件等方面的要求,正確地選擇軸承的類型和型號(尺寸)及進行軸承的組合設(shè)計。
  1.滾動軸承的結(jié)構(gòu)
  滾動軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架組成。圈緊套在軸頸上,隨軸一起轉(zhuǎn)動;外圈固定在機座或零件的軸承孔內(nèi),起支撐作用。內(nèi)、外圈上加工有滾道。工作時,滾動體在內(nèi)、外圈滾道上滾動,形成滾動摩擦。保持架使?jié)L動體均勻地相互隔開,以避免滾動體之間的摩擦和磨損。滾動體是滾動軸承的核心元件,有球形滾動體,短圓柱、圓錐、鼓形滾子及滾針等。
  滾動體和內(nèi)、外圈間是點或線接觸,表面接觸應(yīng)力大,故滾動體和內(nèi)、外圈的材料選用強度高、耐磨性和沖擊韌性好的鉻錳高碳鋼制造,如GCrl5、GCrl5SiMn等,熱處理后的硬度應(yīng)不低于61~65HRC,工作表面要求磨削拋光。保持架多用低碳鋼板沖壓制成,也可用有色金屬合金或塑料制成。
  2.滾動軸承的主要類型及其特性
  滾動軸承類型較多,可以適應(yīng)各種機械裝置的多種要求。滾動軸承按滾動體的形狀可分為球軸承和滾子軸承。球形滾動體與內(nèi)、外圈是點接觸,滾子滾動體與內(nèi)、外圈是線接觸。在相同條件下,球軸承制造方便、價格低、運轉(zhuǎn)時摩擦損耗少,但承載能力和抗沖擊能力不如滾子軸承。
  按軸承所承受載荷的方向或公稱接觸角的不同,滾動軸承可分為向心軸承和推力軸承。
  軸承公稱接觸角是指滾動軸承的滾動體與外圈滾道接觸點的法線和軸承徑向平面的夾角α。α越大,滾動軸承承受軸向載荷的能力也越大。
  向心軸承主要用于承受徑向載荷,0°≤α≤45°。向心軸承分為:徑向接觸軸承,α=0°;向心角接觸軸承,0°<α≤45°。推力軸承主要用于承受軸向載荷,45°<α≤90°。推力軸承又可分為軸向接觸軸承,α=90°;推力角接觸軸承,45°<α<90°。
  按滾動體的列數(shù),滾動軸承分為單列、雙列及多列。
  根據(jù)國標(biāo)GB/T 272一1993《滾動軸承代號方法》規(guī)定,滾動軸承按軸承所承受的載荷方向及結(jié)構(gòu)的不同進行分類。
  3.滾動軸承的代號
  滾動軸承的類型很多,每一類型的軸承中,在結(jié)構(gòu)、尺寸、精度和技術(shù)要求等方面又各不相同,為了便于組織生產(chǎn)和合理選用,國標(biāo)GB/T 272—1993規(guī)定滾動軸承的代導(dǎo)用字母和數(shù)字表示,并由前置代號、基本代號和后置代號構(gòu)成。
  1)基本代號
  基本代號用來表示軸承的類型、結(jié)構(gòu)和尺寸,是軸承代號的基礎(chǔ);敬栍深愋痛、尺寸系列代號和內(nèi)徑代號組成。類型代號用數(shù)字或拉丁字母表示,后兩者用數(shù)字表示。
  (1)類型代號。滾動軸承的常用類型代號參見表12—5。
  (2)尺寸系列代號。尺寸系列代號由寬度系列代號和直徑系列代號組成,寬度系列是指內(nèi)外徑相同的軸承有幾個不同的寬度;直徑系列是指內(nèi)徑相同的軸承有幾個不同的外徑,寬度系列代號、直徑系列代號及組合成的尺寸系列代號都用數(shù)字表示。
  (3)內(nèi)徑代號。內(nèi)徑代號表示軸承的內(nèi)徑尺寸,用數(shù)字表示。
  2)前置代號和后置代號
  前置代號和后置代號是軸承在結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、公差、技術(shù)要求等有改變時,在其基本代號的前、后增加的補充代號。
  (1)前置代號。前置代號是表示成套軸承的分部件,用字母表示。
  (2)后置代早。用字母(或字母加數(shù)字)表示,共有8組。
  內(nèi)部結(jié)構(gòu)代號表示軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。
  公差等級代號有/PO、/P6、/P6X、/P5、/P4、/P2等6個代號,分別表示標(biāo)準規(guī)定的0、6、6X、5、4、2等級的公差等級;0級精度最低,2級精度最高;0級可以省略不寫。例如,6203(公差等級為0級),6203/P6(公差等級為6級)。
  4.滾動軸承的失效形式
  滾動軸承的失效形式主要有三種:疲勞點蝕、塑性變形和磨損。
  (1)疲勞點蝕
  滾動軸承工作時,在滾動體、內(nèi)圈、外圈的接觸表面將產(chǎn)生接觸應(yīng)力。由于它們之間的相對運動及受力周期性變化,使得其表面受脈動循環(huán)接觸應(yīng)力作用。當(dāng)接觸應(yīng)力超過材料的極限應(yīng)力時,滾動體、內(nèi)圈或外圈的表面將發(fā)生疲勞點蝕。這使軸承運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動、噪聲,溫度升高,最后導(dǎo)致不能正常工作。
  (2)塑性變形
  在重載或沖擊載荷的作用下,可能使?jié)L動體和套圈滾道表面接觸處的局部應(yīng)力超過材料的屈服強度,產(chǎn)生永久性凹坑,出現(xiàn)振動、噪聲,破壞軸承的正常工作。
  (3)磨損
  在潤滑不良、密封不當(dāng)?shù)那闆r下,粉塵、雜質(zhì)進入軸承中,造成磨粒磨損而使軸承失效。此外,由于安裝、維護、使用不當(dāng),特別是在高速、重載條件下工作的軸承,由于摩擦產(chǎn)生高溫而使軸承產(chǎn)生膠合、卡死現(xiàn)象,或由于離心力過大而使保持架破壞,使軸承不能正常工作或使用壽命縮短。
  綜上所述,對于制造良好、安裝維護使用正常的軸承。最常見的失效形式是疲勞點蝕和塑性變形,應(yīng)針對疲勞點蝕進行接觸疲勞承載能力計算和針對塑性變形進行靜強度計算。

2滑動軸承

在滑動摩擦下運轉(zhuǎn)的軸承稱為滑動軸承;瑒虞S承主要應(yīng)用于高速、重載、要求剖分結(jié)構(gòu)等場合中,如汽輪機、離心式壓縮機、內(nèi)燃機、大型電機等設(shè)備的主軸承都采用滑動軸承;此外,在低速重載、沖擊載荷較大的一般機械中,如沖壓機械、農(nóng)業(yè)機械和起重設(shè)備也廣泛采用滑動軸承。
  1.滑動軸承的結(jié)構(gòu)及分類
  滑動軸承按所受載荷的方向分為徑向滑動軸承和推力滑動軸承。
  1)徑向滑動軸承
  對于常用的徑向滑動軸承,我國已制訂了有關(guān)標(biāo)準,通?筛鶕(jù)工作條件選用。徑向滑動軸承的主要結(jié)構(gòu)形式有整體式和剖分式兩大類。
  (1)整體式徑向滑動軸承。由軸
  承座和軸瓦(軸套)等組成。軸承座和軸瓦采用較緊的配合,一般為H8/s7。軸承座用螺栓與機座連接,頂部設(shè)有安裝注油杯的螺紋孔,軸套上開有油槽。這種軸承構(gòu)造簡單、成本低,但磨損后無法修整,且裝拆不方便,軸頸只能從端部裝入。因此,粗重的軸和具有中間軸頸(如內(nèi)燃機曲軸)的軸就不便或無法安裝。所以,整體式軸承常用于低速、輕載的間歇工作機械中,如手動機械、農(nóng)業(yè)機械等。
  (2)剖分式徑向滑動軸承。剖分式軸承由軸承座、軸承蓋、剖分軸瓦和雙頭螺柱等組成。根據(jù)所受載荷的方向,剖分面應(yīng)盡量取在垂直于載荷的直徑平面內(nèi),通常為180°剖分。當(dāng)剖分面為水平面時,軸承稱為對開式正滑動軸承,當(dāng)剖分面與水平面成一定角度時,軸承稱為對開式斜滑動軸承。為防止軸承蓋和軸承座橫向錯位并便于裝配時對中,軸承蓋和軸承座的剖分面均制成階梯狀。剖分式滑動軸承在拆裝軸時,軸頸不需要軸向移動,拆裝方便。適當(dāng)增減軸瓦剖分面間的調(diào)整墊片,可調(diào)節(jié)軸頸與軸承間的間隙。間隙調(diào)整后修刮軸瓦。
  2)推力滑動軸承
  推力滑動軸承用來承受軸向載荷。軸頸端面與止推軸瓦組成摩擦副。由于工作面上相對滑動速度不等,越靠近中心處,相對滑動速度越小,摩擦越輕;越靠近邊緣處,相對滑動速度越大,摩擦越重,會造成工作面上壓強分布不均。有時設(shè)計成空心軸頸。為避免工作面上壓強嚴重不均,通常采用環(huán)狀端面。當(dāng)載荷較大時,可采用多環(huán)軸頸,這種結(jié)構(gòu)的軸承能承受雙向載荷。推力環(huán)數(shù)目不宜過多,一般為2~5個,否則載荷分布不均現(xiàn)象更為嚴重。
  上述結(jié)構(gòu)形式的推力軸承由于軸頸端面與止推軸瓦之間為平行平面的相對滑動,不易形成流體動力潤滑,故軸承通常處在邊界潤滑狀態(tài)下工作。多用于低速、輕載機械。
  2.軸瓦結(jié)構(gòu)
  軸瓦是滑動軸承的主要零件,設(shè)計軸承時,除了選擇合適的軸瓦材料以外,還應(yīng)該合理地設(shè)計軸瓦結(jié)構(gòu),否則會影響滑動軸承的工作性能。當(dāng)采用貴重金屬軸承材料作軸瓦時,為了節(jié)省貴重材料和增加強度,常在軸瓦基體(鋼或銅)內(nèi)表面上澆鑄一層軸承合金作為軸承襯,基體叫瓦背。瓦背強度高,軸承襯減磨性好,兩者結(jié)合起來構(gòu)成效果滿意的軸瓦。軸承襯應(yīng)可靠地貼合在軸瓦基體表面上。
  軸瓦在軸承座中應(yīng)固定可靠,軸瓦形狀和結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)保證潤滑良好,散熱容易,并有一定的強度和剛度,裝拆方便。因此設(shè)計軸瓦時,不同的工作條件,采用不同的結(jié)構(gòu)形式。軸瓦和軸承座一般采用過盈配合。為連接可靠,可在配合表面的端部用緊固螺釘固定。
  剖分式軸瓦。軸瓦兩端的凸緣用來實現(xiàn)軸向定位。周向定位采用定位銷,也可以根據(jù)軸瓦厚度采用其他定位方法。在剖分面上開有軸向油溝,軸瓦厚度為b,軸頸直徑為d,一般取b/d>0.05。軸承襯厚度通常由十分之幾毫米到6毫米,直徑大的取大值。
  為了向摩擦表面間加注潤滑劑,在軸承上方開設(shè)注油孔,壓力供油時油孔也可以開在兩側(cè)。為了向摩擦表面輸送和分布潤滑劑,在軸瓦內(nèi)表面開有油溝。油溝有軸向的、周向的和斜向的,也可以設(shè)計成其他形式的油溝。設(shè)計油溝時必須注意以下問題:軸向油溝不得在軸承的全長上開通,以免潤滑劑流失過多,油溝長度一般為軸承長度的80%;液體摩擦軸承的油溝應(yīng)開在非承載區(qū),周向油溝應(yīng)開在軸承的兩端,以免影響軸承的承載能力。
  3.滑動軸承的失效形式及材料
  1)主要失效形式
  滑動軸承的失效通常由多種原因引起,失效形式也有多種,有時幾種失效形式并存,相互影響。所以,很難把各種失效形式截然分開。最常見的失效形式是軸瓦磨損、膠合(燒瓦)、疲勞破壞和由于制造工藝原因而引起的軸承襯脫落。其中,最主要的是軸瓦磨損和膠合。
  2)軸承材料的性能要求
  滑動軸承中,軸承座和蓋通常選用鑄鐵制造。所以,軸承材料主要是指軸瓦和軸承襯材料。根據(jù)軸承的主要失效形式,對軸承材料的主要要求如下。
  (1)良好的減摩性、耐磨性和抗膠合性。
  (2)良好的跑合性、順應(yīng)性、嵌藏性和塑性。
  (3)足夠的抗壓強度和疲勞強度。
  (4)良好的導(dǎo)熱性、加工工藝性,熱膨脹系數(shù)低,耐腐蝕等。
  應(yīng)該指出的是,上述軸承材料的性能有些彼此有聯(lián)系,有些則相互矛盾;任何一種材料很難全面滿足這些要求。因此,選用軸承材料時應(yīng)根據(jù)軸承的具體工作條件,有側(cè)重地選用較合適的材料。
  3)常用軸承材料
  常用軸承材料有軸承合金、青銅、鑄鐵、多孔質(zhì)金屬材料及非金屬材料。
  (1)軸承合金(可稱巴氏合金)。軸承合金有錫銻軸承合金和鉛銻軸承合金兩類。它們各以較軟的錫或鉛作基體,懸浮銻錫及銅錫硬晶粒,軟基體具有良好的跑合性、順應(yīng)性和嵌藏性,硬晶粒則起耐磨作用。軸承合金由于其特有的金屬組織,具備了作軸承材料的優(yōu)良性質(zhì),并且易澆鑄;但由于其機械強度較低、價格高,故通常作為軸承襯材料,澆鑄在青銅、鋼或鑄鐵軸瓦上。
  錫基軸承合金的熱膨脹系數(shù)低、摩擦因數(shù)小、耐腐蝕、易跑合、抗膠合能力強,常用于高速、重載機械。鉛基軸承合金較脆,不宜承受較大載荷,常用于中速、中載機械:
  (2)青銅。在一般機械中,有50%的滑動軸承采用青鋼材料。青銅主要有錫青銅、鉛青銅和鋁青銅等。
  錫青銅和鉛青銅既有較好的減摩性和耐磨性,又有足夠的強度,且熔點高,但跑合性較差,故適用于重載、小速機械。
  鋁青銅的強度和硬度都較高,但抗膠合能力差,適用于重載、低速機械。
  (3)鑄鐵。常用的鑄鐵材料有灰鑄鐵和減摩鑄鐵。由于鑄鐵材料塑性差,跑合性差,故只在低速、輕載或不重要的場合采用。
  (4)其他材料。除上述常用的三種金屬材料外,軸承材料還可采用多孔質(zhì)金屬材料和非金屬材料。
  用多孔質(zhì)金屬材料制成的軸承,又稱含油軸承。由于這種材料具有多孔組織,軸承在工作前經(jīng)潤滑油浸泡,其材料孔隙中吸存了潤滑油。工作時,由于軸頸轉(zhuǎn)動的抽吸作用及熱膨脹作用,使孔隙中儲存的潤滑油流出而潤滑軸承。含油軸承在一定的使用期限內(nèi)不必加油,可自行潤滑。這種軸承主要用于輕載、低速和不易注油的場合。
  非金屬軸承材料中應(yīng)用最多的是各種塑料、尼龍和夾布膠木等。塑料材料具有摩擦因數(shù)低、抗壓強度高、耐磨性好等優(yōu)點,但導(dǎo)熱能力差,易變形。因此,在使用中應(yīng)注意冷卻。
  4.滑動軸承的潤滑
  潤滑的目的是減少摩擦,降低磨損,同時還有散熱冷卻、緩沖吸振、密封和防銹等作用。
  1)潤滑劑及其選用
  潤滑劑主要有固體潤滑劑、潤滑脂、液體潤滑劑和氣體潤滑劑四種,其中最常用的是液體潤滑劑(潤滑油)和潤滑脂。
  (1)潤滑油及選用。潤滑油是滑動軸承中應(yīng)用范圍最廣的一種潤滑劑。最常用的潤滑油是礦物油,對于特殊工況還可以采用合成油。潤滑油最主要的物理性能指標(biāo)是黏度。它反映了潤滑油流動時內(nèi)摩擦阻力的大小。黏度越大,內(nèi)摩擦阻力越大,流動性越差,承載后潤滑油不易流失,有利于形成壓力油膜。黏度的表示方法很多,主要有動力黏度、運動黏度和相對黏度。
  工業(yè)上常用運動黏度標(biāo)定潤滑油的黏度。根據(jù)國標(biāo),潤滑油產(chǎn)品油牌號一般按40℃時的運動黏度平均值(單位為mm2/s)劃分。例如L—FC46潤滑油表示在40℃時,其運動年度平均值為46mm2/s。
  潤滑油的選用一般主要指潤滑油黏度的選擇。選擇黏度時,主要考慮軸承壓強、潤滑速度、工作溫度、摩擦表面狀況及潤滑方式等條件。一般原則是:
 、僭趬簭姶蠡蛴袥_擊、變載荷等工作條件下,應(yīng)選用黏度較大的油。
 、诨瑒铀俣雀邥r,應(yīng)選用黏度低的油。
 、圯S承散熱條件差,工作溫度高,應(yīng)選用黏度較大的油。
 、苣Σ帘砻娲植诨蛭唇(jīng)跑合,應(yīng)選用黏度較大的油。
  (2)潤滑脂及選用。潤滑脂是由潤滑油(主要是礦物油)和各種增稠劑(如鈣、鈉、鋰等金屬皂)混合制成,屬于半固體潤滑劑。最常用的潤滑脂有鈣基潤滑脂(鈣脂)、鈉基潤滑脂(鈉脂)和鋰基潤滑脂(鋰脂)。潤滑脂的主要性能指標(biāo)是錐入度、滴點和耐水性。
  錐人度是表征潤滑脂新稠程度的指標(biāo),錐入度越小,潤滑脂越稠;反之,流動性越好。
  潤滑脂稠度大,不易流失,但摩擦功耗大,不宜在溫度變化大或高速運轉(zhuǎn)條件下使用,一般在軸承相對滑動速度低于l~2m/s時或不便注油的場合使用。
  潤滑脂的選擇主要根據(jù)軸承的工作溫度、壓強和速度進行選擇。
  2)潤滑方法和潤滑裝置
  為保證軸承良好的潤滑狀態(tài),除合理選擇潤滑劑外,合理選擇潤滑方法和潤滑裝置也是十分重要的。常用的潤滑方法和潤滑裝置包括以下幾方面。
  (1)油潤滑。油潤滑的潤滑方法有間歇供油潤滑和連續(xù)供油潤滑兩種。
  對于重要軸承,必須采用連續(xù)供油潤滑。連續(xù)供油潤滑方法及裝置主要有以下幾種。
  ①油杯滴油潤滑。有針閥油杯和芯捻油杯。針閥油杯可調(diào)節(jié)油滴速度,以改變供油量,在軸承停止工作時,可通過油杯上部手柄關(guān)閉油杯,停止供油。芯捻油杯利用毛細管作用將油引到軸承工作表面上,這種方法不易調(diào)節(jié)供油量。
 、诮蜐櫥。將部分軸承直接浸入油池中潤滑。
  ③飛濺潤滑。飛濺潤滑主要用于潤滑如減速器、內(nèi)燃機等機械中的軸承。通常直接利用傳動齒輪或甩油環(huán)將油池中的潤滑油濺到軸承上或箱壁上,再經(jīng)油溝導(dǎo)入軸承工作面以潤滑軸承。采用傳動齒輪濺油來潤滑軸承,齒輪圓周速度υ≥2m/s;采用甩油環(huán)濺油來潤滑軸承,適用于轉(zhuǎn)速為500~3000r/min的水平軸上的軸承,轉(zhuǎn)速太低,油環(huán)不能把油濺起,而轉(zhuǎn)速太高,油環(huán)上的油會被甩掉。
 、軌毫ρh(huán)潤滑。壓力循環(huán)潤滑是一種強制潤滑方法。潤滑油泵將一定壓力的油經(jīng)油路導(dǎo)入軸承,潤滑油經(jīng)軸承兩端流回油池,構(gòu)成循環(huán)潤滑。這種供油方法供油量充足,潤滑可靠,并有冷卻和沖洗軸承的作用。但潤滑裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費用較高。常用于重載、高速或載荷變化較大的軸承中。
  (2)脂潤滑。潤滑脂只能間歇供給。常用潤滑裝置為旋蓋油杯和壓注油杯。旋蓋油杯靠旋緊杯蓋將杯內(nèi)潤滑脂壓人軸承工作面;壓注油杯靠油槍壓注潤滑脂至軸承工作面。

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