液体动压径向滑动轴承设计与分析

液体动压径向滑动轴承设计与分析

摘要

动压式滑动轴承是轴承中的一个重要类别，对其进行分析研究在实际中具有重要意义。液体动压径向滑动是其中的重要一类，本文以径向滑动轴承为研究对象，以雷诺方程的建立及求解过程为理论基础，对滑动轴承在处于液体动压的工况情况进行理论分析。

本课题的目的就是旨在结合滑动轴承的工作特点和性能，合理的优化轴承的结构形式，对轴承的各性能进行优化设计。通过图纸对轴承结构进行分析优化，利用相关公式对性能进行计算与分析，对整个轴承进行优化设计。

关键字：滑动轴承；雷诺方程

目录

第一章

1绪论 (4)

1.1本课题的选定 (5)

1.2滑动轴承制造和生产技术的发展现状 (5)

1.3本课题研究的主要内容及基本工作思路 (6)

(一)主要内容 (6)

（二）本课题基本工作思路 (6)

第二章

2液体动压径向滑动轴承的总体设计方案 (6)

2.1滑动轴承 (6)

（一）滑动轴承的主要类型和结构 (6)

2.2液体动压润滑的基本原理和基本关系 (8)

（一）液体动压油膜的形成理论 (8)

（二）液体动压润滑的基本方程 (8)

（三）油楔承载机理 (11)

2.3液体动压径向滑动轴承基本原理 (11)

（一）径向滑动轴承液体动压润滑的建立过程 (11)

(二)径向滑动轴承的几何关系和承载能力 (12)

（三）径向滑动轴承的参数选择 (16)

（四）径向滑动轴承的供油结构 (18)

第三章

3液体动压径向滑动轴承的实例计算 (20)

3.1主要技术指标 (20)

3.2选择轴承材料和结构 (20)

3.3润滑剂和润滑方法的选择 (21)

3.4性能计算 (21)

（一）承载能力计算 (21)

（二）层流校核 (22)

（三）功耗计算 (22)

（四）热平衡计算 (23)

（五）安全度计算 (23)

第四章

4三维建模

4.1三维建模依据 (23)

4.2三维建模的基本图形 (24)

4.3三维建模的步骤 (24)

总结 (25)

参考文献 (25)

致谢 (27)

附件

外文翻译文献

第一章

1绪论

滑动轴承在机械制造、大型电站、钢铁联合企业以及化工联合企业等机械设备中得到广泛应用，如何提高其寿命和工作可靠性越来越成为人类普遍关注的问题。这里存在着两方面的工作：一是不断研究新的轴承材料及结构，以适应轴承的工作特点及其负荷指标不断提高的要求；二是深入地研究发生在轴承内部的各种工作状态，从而在设计中采取相应的措施，保证轴承在最理想的条件下运作。这就涉及研究研究诸如流体动压润滑轴承中的润滑油膜的压力分布、最小油膜厚度、润滑膜的刚度等若干方面的问题。轴承是轴系中的重要部件，其功用一是支承轴及轴上零件并保证轴的旋转精度，二是减小转动轴与其固定支承之间的摩擦与磨损。因此，轴承既要有小的摩擦阻力，又要有一定的强度。

轴承分为两大类：滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承有很多优点，例如：已实现系列化、标准化、商品化，使用维护简单，互换性好等，故各工业部门应用广泛。滑动轴承在一般情况下摩擦损耗较大，使用维护较复杂，因而应用较少。因此，在滚动轴承和滑动轴承都能满足使用要求时，宜先选用滚动轴承。尽管如此，但是在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合下，滑动轴承就显示出它的优异性能。因而在汽轮机、离心式压缩机、内燃机、大型电机中多采用滑动轴承。此外，在低速而带有冲击的机器中，如水泥搅拌机、滚筒清砂机、破碎机等也常采用滑动轴承。两者相比，普通滑动轴承又具有比滚动轴承使用寿命长、运转平稳，对冲击和振动敏感性小等优点。这些优点使滑动轴承成功地应用于机床主轴轴承，大型汽轮机轴承，内燃机曲轴轴承。轧钢机轴承以及简单机械的轴承。

随着工业的现代化进程，大量机械设备的速度和功率日益提高，工况日趋复杂，而轴承作为机械设备的关键部件对其各方面的性能要求也越来越高。滑动轴承油膜中的滑油流动过程完全符合流体动力学的普遍规律，在 1886 年Reynolds 运用流体动力学的定律，分析润滑剂在间隙中的流动，从而求得了表示轴承中压力分布的基本微分方程即雷诺方程，它成为今天滑动轴承理论计算的基础。但用传统数学方法对雷诺方程进行求解，只有在一些特定情况下刁‘能获得精确的解析解。由于这种困难很长一段时间滑动轴承还是按照 pv常数p:轴承的平均压强，v:轴承两配合部分的相对滑动速度，常数:轴承副材料所确定经验数这种老方法双曲线法确定尺寸参数。对于一些简单的、几何形状相似或结构相同的滑动轴承用这种计算方法并结合轴承生产中积累的经验来确定轴承尺寸一直还是成功的。但随着新型或特殊结构的滑动轴承出现以及设计中对轴承可靠性要求的不断提高，这些经验数据就不再适合了。最近二十几年以来随着计算机的技术发展其计算速度及计算能力迅速增长，许多传统数学方法难以求解的问题用计算机求解往往能够得到很好的结果，求解雷诺方程也就成为可能。

1.1本课题的选定

随着科技的进一步发展，机械零件的规模越来越大，越来越完整，人们的需求越大，对物质的需求和要求也越来越高。轴承作为一个机械零件，起着至关重要的作用。

用于支撑旋转零件（转轴、心轴）的装置通称为轴承。条件不同，轴承的分类也不同：

按其承载方向的不同，轴承可分为：径向轴承和推力轴承；

按轴承工作时的摩擦性质不同，轴承可分为：滑动轴承和滚动轴承。

滑动轴承，根据其相对运动的两表面间油膜形成原理的不同，还可分为流体动力润滑轴承(简称动压轴承)和流体静力润滑轴承(简称静压轴承)。

和滚动轴承相比，滑动轴承具有承载能力高、抗压性好，工作平稳可靠，噪声小，寿命长等优点，它广泛用于内燃机、轧钢机、大型电机及仪表、雷达、天文望远镜等方面。

在动压轴承中，随着工作条件和润滑性能的变化，其滑动表面间的摩擦状态亦有所不同。通常将其分为如下三种状态：不完全摩擦，边界摩擦和干摩擦。完全液体摩擦是滑动轴承工作的最理想状况。对那些重要且高速旋转的机器，应确保轴承在完全液体摩擦状态下工作，这类轴承常称为液体摩擦滑动轴承。因此我这次的设计选择液体摩擦。

轴承上的反作用力与轴心线垂直的轴承称为径向轴承；轴承上的反作用力与轴心线方向一致的轴承称为推力轴承。推力滑动轴承只能承受轴向载荷，与径向轴承联合才可同时承受轴向和径向载荷。

综上所述，我选择的设计是：液体动压滑动轴承的设计。

1.2滑动轴承制造和生产的技术的发展现状

滑动轴承作为回转轴支承元件在机械领域的应用十分广泛。与滚动轴承相比，滑动轴承工作平稳、可靠、噪音较低。如果能够保证充分的液体润滑，使得滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，则还可以大大减少摩擦损失和表面磨损，甚至消除磨损。另外，润滑油膜同时还具有一定的吸振能力川，这对提高轴承运转的稳定性和运转精度都是十分有益的。

滑动轴承的种类繁多，按轴承受力方向可分为径向滑动轴承、止推滑动轴承、径向止推滑动轴承按轴承所用的润滑剂来分可分为液体润滑滑动轴承、气体润滑滑动轴承、脂润滑滑动轴承和固体润滑滑动轴承，其中液体润滑滑动轴承又可分为油润滑滑动轴承、水润滑滑动轴承及磁流体润滑滑动轴承按轴承轴瓦材料来分又可分为金属滑动轴承、非金属滑动轴承和多孔质滑动轴承等等。流体润滑滑动轴承又可分为流体动压润滑滑动轴承、流体静压润滑滑动轴承和流体动静压混合滑动轴承 121。流体动压润滑滑动轴承有着长久的历史，它的应用研究己超过 10 年，其应用范围也是上述各种滑动轴承中最广泛的。

流体动压润滑，就是依靠被润滑的一对固体摩擦面间的相对运动，使介于固体摩擦面间的流体润滑膜内产生压力，以承受外载荷而免除固体相互接触，从而起到减少摩擦阻力和保护固体摩擦表面的作用。自从 B.Tower 在其著名实验中发现了动压现象，继由0.Renyolds 分析了动压润滑的机理并导出了描述润滑膜压力分布的微分方程，即著名的雷诺方程，遂奠定了流体动力润滑理论的原始基础。此外，流体动力润滑理论中还有其它的一些方程，如：流动的连续性方程、润滑剂的状态方程粘度和密度方程、表面的弹性方程、以及能量方程等。当然应用最广的还是雷诺方程及其在各种具体条件下的变形形式，以及它们的求解。由于这些理论的建立使得滑动轴承的研究取得了很多成果，促进了其在实际中的应用。

1.3本课题研究的主要内容及基本工作思路

（一）主要内容

根据所给技术指标对某型汽轮机液体动压径向滑动轴承进行设计计算以及性能分析。

（二）本课题的基本工作思路

1.在液体动压径向滑动轴承的基本原理和雷诺方程的基础上设计滑动轴承。

2.计算内容包括：几何参数，安全度等方面

3.关键理论和技术：流体动力的基本方程摩擦定律雷诺方程

第二章

2液体动压径向滑动轴承的总体设计方案

2.1滑动轴承

《机械设计》是一门培养学生机械设计能力的技术基础课。在机械类各专业的教学计划中，它是主要课程。机械设计课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本方法的掌握，在培养实践能力方面着重设计构思和设计技能的基本训练，使学生对实际工程具有分析、解决问题的能力，在设计中具有创新思维。滑动轴承章节在整个课程的学习中又占到了很重要的部分。滑动轴承的承载能力大，回转精度高，表面能形成润滑膜将运动副分开，减少了磨损，滑动摩擦力也可大大降低，并且润滑膜具有抗冲击作用，因此，在工程上获得广泛的应用。

2.1.1滑动轴承的主要类型和结构

按受载荷方向不同，滑动轴承可分为径向滑动轴承和止推滑动轴承。

1径向滑动轴承

径向滑动轴承用于承受径向载荷。图2—1所示为整体式径向滑动轴承，图 2 -2所示为剖分式径向滑动轴承。剖分式径向滑动轴承装拆方便，轴瓦磨损后可方便更换及调整间隙，因而应用广泛。

图2-1整体式滑动轴承

图2-2剖分式滑动轴承

2.止推滑动轴承

止推滑动轴承用来承受轴向载荷。按轴颈支承面的形式不同，分为实心式、空心式、环形式三种。当轴旋转时，实心止推轴颈由于端面上不同半径处的线速度不相等，因而使端面中心部的磨损很小，而边缘的磨损却很大，结果造成轴颈端面中心处应力集中。实际结构中多数采用空心轴颈，可使其端面上压力的分布明显改善，并有利于储存润滑油。

2.2液体动压润滑的基本原理和基本关系

（一）液体动压油膜形成的原理

图2-3动压油膜形成原理图

液体动压油膜形成原理是利用摩擦副表面的相对运动，将液体带进摩擦表面之间，形成压力油膜，将摩擦表面隔开，如图 2-3 所示。两个互相倾斜的平板，在它们之间充满具有一定粘度的液体。当 AB 以速度 V 向左移动，而 CD 保持静止时，液体在此楔形间隙中作层流流动。当各流层的速度分布规律为直线时，由于进口间隙大于出口间隙，则进口流量必大于出口流量但液体是不可压缩的，因此，在楔形间隙内形成油压，迫使大口的进油速度减小，小口的出油速度增大，从而使流经各截面的液体流量相等。同时，楔形油膜产生的内压将与外载荷相平衡。

（二）液体动压润滑的基本方程

雷诺方程是液体动压润滑基本方程，是研究流体动力润滑的基础。它是根据粘性流体动力学基本方程出发，作了一些假设条件后简化而得的。

图2-4液体单元压力分析

如图 2-4 所示，两平板被润滑油隔开，设板 A 以速度 v、沿 x 方向滑动，另一平板 B 静止不动，设平板正方向尺寸为无穷大流体沿 z 方向无流动，从油层中取出长、宽、高分别为 dx、dy、dz 的单元体进行力平衡分析。

单元体沿x方向受四个力，两侧向压力：p，p

上下面剪切应力为：）

由x方向的力平衡条件，得pdydz

化简得：= (2-1)

根据牛顿粘性流体定律，代人（2-1）得

=n

积分后得

u= (2-2)

当 y=0时，u=v(油层随移动件移动)；y=h(h 为单元体处油膜厚度)时，

u=0(油层随静止件不动)。根据上述条件则可以得到积分常数 C1 ， C2 。

积分常数： ;代人式（2-2）得

u= （2-3）

由式（2-3）可见，油层的速度u由两部分组成，式中前一项表示速度沿y 成线性分布，直接由剪切流引起;第二项表示速度沿y成抛物线分布，是由油压沿x方向变化而引起的。

不计侧漏，润滑沿x方向通过任一截面单位宽度的流量为

设在P=处油膜厚度为（即时，h=），在该截面处的流量为

由于连续流动时流量不变，故得

化简得

（2-4）

式（2-4）为一维雷诺流体动力润滑方程。

对式（2-4）中x取偏导数可得

若再考虑润滑油沿z方向的流动，则

（2-6）

式（2-6）为二维雷诺流体动力润滑方程式——流体动力润滑轴承的基本公式。

（三）油楔承载机理

由式可看出油压变化与润滑油的粘度、表面摩擦速度和油膜厚度的变化有关，利用该式可求出油膜中各点的压力p，全部油膜压力之和即为油膜的承载能力。

油膜必须呈收敛楔形，才能使油楔内各处油压都大于入口和出口处的压力，产生正压力以支承外载。