轴承

支持和约束轴的旋转或摆动的机械零件。轴和轴承构成动联接,借以传递载荷和约束轴的运动。

不同机器对轴承有不同的要求:轧钢机要求承载能力大;高速旋转机械要求运转稳定性好;机床主轴要求旋转精度高;仪器仪表要求摩擦力矩小和灵敏度高。有关轴承的研究属于摩擦学的内容。在满足载荷、速度、工作环境(如温度、真空、粉尘和辐射等)和其他特殊要求(如旋转精度、低起动力矩和低噪声等)的前提下,设法降低轴承的摩擦和磨损是轴承设计的基本问题。摩擦小,则轴承温升低、功耗少、效率高;磨损小,则轴承使用寿命长。在机械设计中还须考虑轴承与其他机械零件的匹配。例如轴承的刚度和阻尼对高速旋转轴系的动态特性影响很大。

按照工作时的摩擦性质不同,轴承主要分为滑动轴承和滚动轴承两大类。前者在滑动摩擦下工作,后者在滚动摩擦下工作。(见彩图)

5000毫米的交叉圆柱滚子转盘轴承圈 核潜艇用轴承 各种规格的微型滚动轴承 32万千瓦水轮发电机上的外径3.8米大型推力滑动轴承 精密主轴滚动轴承生产车间 精密主轴滚动轴承生产设备 装配线上的电机滚动轴承 精密主轴轴承的质量检验 简史

在中国古籍中,关于车轴轴承的构造早有记载。春秋末期的手工艺专著《考工记》中记载有:“行泽者欲短毂,行山者欲长毂,短毂则利,长毂则安。”汉代许慎所撰《说文解字》中解释:“──车毂中铁也”,“锏──车轴铁也。”汉代刘熙的《释名》中也提到:“锏,间也,间轴之间,使不相摩也。”19世纪中叶,欧洲随着轴承材料、润滑剂和机械制造工艺等方面的进步,开始有了比较完善的滑动轴承。1883年,俄国的Н.П.彼得罗夫首先应用牛顿粘性定律计算轴承摩擦。同年,英国的B.托尔在测定车辆轴承的摩擦系数时发现轴承中有油膜压力存在,并测出油膜压力分布曲线。1886年,英国水力学家O.雷诺对托尔的发现进行数学分析,导出了雷诺方程,从此奠定了流体动压润滑理论的基础。此后,德国的A.索末菲、澳大利亚的A.G.M.米歇尔、美国的A.A.拉伊蒙迪和J.鲍埃等人在求解雷诺方程和轴承设计方面作出了贡献。

人类很早就懂得用滚动方式代替滑动方式移动重物更为轻便。轮子在历史上是很重要的一项发明,没有轮辐的轮子在中国汉、唐时代称为“辁”。1279年,中国郭守敬创制的天文简仪,“在百刻环内广面卧施圆轴四,使赤道环旋转无涩滞之患”,其作用与现代推力滚子轴承相似。1772年,英国的C.瓦洛设计制造球轴承,并装在邮车上试用。1794年,英国的P.沃恩取得球轴承的专利。1881年,德国的H.R.赫兹发表关于球轴承接触应力的论文。在赫兹成就的基础上,德国的R.施特里贝克、瑞典的A.帕姆格伦等人又进行了大量实验,对发展滚动轴承的设计理论和疲劳寿命计算作出了贡献。20世纪60年代后,弹性流体动压润滑理论逐渐成熟,按这一理论设计滚动轴承使寿命大为增加。

滑动轴承

在滑动摩擦条件下工作的一类轴承。滑动轴承用油作润滑剂,使两相对运动表面完全为油膜隔开。这一类轴承在液体润滑下工作,载荷由油膜压力支承,其摩擦完全取决于油的粘度,所以摩擦阻力很小。正常工作时,运动表面不会直接接触,所以没有磨损。但液体动压轴承在起动和停止阶段,不可能得到完全液体润滑。液体静压轴承则不然,始终在液体润滑下工作,故轴承寿命很长,而且精度保持性极好。

在实际使用中,有相当多的用油、脂润滑的滑动轴承,两相对运动表面只能部分地被油膜隔开。对于这一类在边界润滑、半液体润滑下工作的滑动轴承来说,摩擦和磨损与轴承的材料、表面形貌和润滑剂的油性有关。为了延长轴承的使用寿命,必须选用减摩性好的材料制造轴承,用适宜的润滑剂润滑运动表面,并限制轴承的工作载荷和相对运动速度。

在真空、辐射、高温和低温等环境中不能用油、脂润滑的滑动轴承,也可以使用固体润滑剂,在固体润滑下工作。在不便施加润滑剂的地方可以采用自润滑轴承。

用气体作润滑剂的滑动轴承,也能把两运动表面完全隔开,由气膜支承载荷。气体粘度比液体低得多,受温度影响粘度变化很小,在放射性环境中气体不会分裂。因此在气体润滑下工作的轴承(见气体轴承)的摩擦阻力极小,并能在低温、高温、放射性环境中使用。

利用电场力或磁场力使两运动表面隔开的滑动轴承,不依靠油膜或气膜来支承载荷,不需要润滑剂。这种轴承用于真空中,不存在摩擦,有利于实现超高速转动。

滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声,在液体润滑条件下油膜还具有一定的吸振作用。

滚动轴承

用一组滚动元件把两相对运动表面隔开、在滚动摩擦下工作的一类轴承。滚动元件有球、各种滚子和滚针。滚动轴承的摩擦系数比较低,且不随速度变化,所以机器容易启动。滚动轴承的标准化和商品化的程度很高,便于选用。它消耗润滑剂较少,脂润滑脂不易流失,使用维护方便。与滑动轴承比较,滚动轴承的径向尺寸较大,减振能力较差,高速时寿命较低、噪声较大。

参考书目
  1. 巴威尔著,西安交通大学译:《轴承系统──理论和实践》,机械工业出版,北京,1983。(F. T. Barwell,Bearing Systems-Principles and Practice, Oxford Univ.Pr.,1979.)

参考文章