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目录 0，前言3 1，滑动轴承的基础知识3 2，滑动轴承的种类12 3，滑动轴承的故障类型19 4，滑动轴承涉及的仪控问题23 5，滑动轴承的拆检安装注意事项26 6，轴承改造及修复技术29 7，滑动轴承的故障诊断案例31 0，前言 撰写本文的目的是为了介绍滑动轴承的基本知识，滑动轴承的运行与维护以及维修注意事项，故障类型和诊断。另受限于篇幅，主要介绍径向滑动轴承，对于推力滑动轴承介绍较少，以后会撰文再补充。 1，滑动轴承的基础知识 众所周知，从重载车轮轴和机床主轴到精密的钟表零件，很多场合都需要旋转轴承，轴承的主要目的是为旋转轴提供径向支撑，用于减少两相对移动部件的摩擦，其发展历史可以追溯到人类的起源。 设备角度轴承主要分为两大部分，滚动轴承和流体动压滑动轴承（Hydrodynamic journal bearings）。毫无疑问，滚动轴承比滑动轴承有更小的摩擦力与经济性（更多关于滚动轴承知识请参阅上文），但超出某些场合---如转速超过3000RPM或者功率超过500马力，由于要考虑转子动力学和转子临界转速问题（考虑转子系统阻尼问题），滚动轴承将不适用，滑动轴承将作为首选。 滑动轴承的优点：- Ø 能够提供阻尼，阻尼是转子安全通过临界转速的关键，同时也是转子稳定性的关键； Ø 能够承担冲击载荷，这也是其适用于往复式设备的主要原因； Ø 减少运行噪音与瞬态振动； Ø 隔离转子与接地系统； Ø 刨分式结构，便于拆装； Ø 可以在早期监测到滑动轴承故障，便于早日采取措施； Ø 正常运行与维护下，具有很长的使用寿命，较小的维修费用。 滑动轴承的不足：- Ø 比滚动轴承有更多摩擦损耗； Ø 转子轴心位置没有滚动轴承稳定，随油膜厚度变化而变化； Ø 需要有润滑系统，如润滑失效轴承将很快损坏； Ø 对油润滑洁净度及油品质要求较高。 滑动轴承的工作机理：- 为了减少摩擦提高轴承使用寿命，避免金属碰金属的发生，滑动轴承与轴之间会形成一层薄薄的油膜，而油膜的形成需要具备以下三个条件：-楔角，介质粘度，速度； a) 如下图3所示，静平衡位置，转轴中心与轴承中心是不重合的，二者之间存在偏心距e, 这个偏心距就是将转轴的相对运动及润滑油的粘性结合在一起形成收敛几何（油楔）。当轴首先开始以低速旋转时，轴和轴承之间几乎没有润滑剂，这被称为边界润滑阶段。在此期间，轴表面上的粗糙或微观缺陷会发生接触。轴承中几乎所有的磨损都发生在边界润滑期间，因此轴承表面的光洁度和加工质量非常重要（光洁度要求Ra0.05），这也是多次启停设备的危害之一。在边界润滑阶段，轴承容易受到污垢或灰烬等污染物的损坏，会在轴瓦上看到条状刮痕，故必须确保油的洁净度。 b) 随着轴速度的增加，两个表面之间会形成油膜。刚开始由于薄膜比较薄，以至于凹凸不平仍会接触，这就是所谓的混合薄膜润滑阶段。一旦膜厚到足以完全分离表面，就称为全膜润滑阶段。在这种情况下，轴或轴承没有磨损，并且轴承通常免受小于油膜的污染物的伤害。尽管如此，如果提供的润滑不足，轴承将在边界或混合膜状态下运行，仍有加速磨损的危险。
c)随者旋转轴和轴承的相对运动，流体将产生阶梯压升或山状压力分布，从而使流体具备一定的刚度，能够承受一定的载荷，同时使轴承与旋转轴之间形成一层薄薄的油膜，避免了金属碰金属，延长其轴承使用寿命。此过程类似于容积式泵的工作原理，如下图所示。
图5图6径向滑动轴承的集合模型 说明：Rj=轴半径；Rb=轴承半径；Cb=轴承径向间隙=Rb-Rj; h=油膜厚度；e=偏心距；ecb=e/Cb=偏心率；W=重力载荷 滑动轴承的组件与材料：- 以如下可倾瓦为例，滑动轴承包含挡油环（影响到泄油量），轴瓦，喷油嘴，轴瓦定位销，轴承座等。 图7 可倾瓦轴承部件 a) 轴承材料一般采用钢或青铜作为支撑部件—轴瓦与瓦座，铜比钢具有更好的热传导性，更低的弹性模量和高的热膨胀系数，因此铜镉轴承常用于解决轴承温度高的问题。同时在轴瓦表面浇筑一层巴氏合金，目的是为了在启停期间以及避免发生事故时损伤轴。 b) 巴氏合金（Babbitt metal），一种软基体上分布着硬颗粒相的低熔点轴承合金。有锡基、铅基、镉基三个系列。锡基巴氏合金的代表成分（质量分数）为：锑3%~15%，铜2%~6%，镉<1%，锡余量。该材料由美国人巴比特在1839年发明而得名，因其呈白色，又称白合金，乌金，具有较好的适应性和压入性。具有减摩特性的锡基和铅基轴承合金应用较多，同时铅基合金的强度和硬度比锡基合金低，耐蚀性也差，故而锡基巴氏合金轴承运用最广。
表1 锡基与铅基巴氏合金材料对比 c) 轴瓦巴氏合金的厚度至关重要，常用的轴承巴氏合金厚度在0.5-1.5mm左右，至少不能少于0.2mm，一旦巴氏合金的厚度低于0.51mm，巴氏合金的疲劳强度通常与巴氏合金层的厚度成反比。薄巴氏合金轴瓦比厚巴氏合金轴瓦有更好的耐疲劳性，从而具有更好的使用寿命，二者关系如下图所示。 图8轴承使用寿命VS巴氏合金厚度 滑动轴承之油膜厚度关系：- 油膜（也可为采用其它液体的液膜，本文以油膜为例）厚度取决于轴承类别，润滑情况和应用场合，一般厚度范围为0.00254-0.254mm。 API613规定最小油膜厚度为0.001“, AGMA 6011-J14规定最小油膜厚度为0.0008”。 由于的油膜厚度非常重要，载荷，转速和油粘度的变化都会影响到油膜厚度的变化，进而影响到轴承温度的变化，油膜厚度太薄会导致边界润滑的发生或导致金属碰金属的发生，导致轴承的损坏，因此最小油膜厚度的控制要求至关重要，偏心距的减小会导致最小油膜厚度的减小。 介绍最小油膜厚度的方法有很多，本文主要介绍以下两种：- a) 公式推导法：- 由于改变任何一个参数都会对其它参数，所以并没有一个固定的公式能够计算油膜厚度。 最小油膜厚度一般遵循常用公式 h0=0.005'+0.0004*D; D为轴直径。一个经验常识是最小油膜厚度必须为轴承/轴粗超度的至少二倍。 转子在最低转速运行或盘车转速下，润滑油不能形成足以支撑转子的油压，导致转子与轴承可能处于边界摩擦状态，幸运的是由于转速很低那么振动也会很低，边界摩擦状态并不意味着轴承一定会损坏。 轴承油膜压力为
最小油膜厚度的计算公式较为复杂，我们所需要知道的是油膜厚度与轴承L/D有一定的关系，L/D越大，其油膜厚度越小。 图9 最小油膜厚度与转速及离心距的关系 b) 图标法：- 图10 在恒定载荷下，平面轴承最小油膜厚度与转速的关系图 上图中纵坐标为hmin/Cb<1，这样如果我们知道了轴承径向间隙，那么根据图中的对应关系我们就可以得知最小油膜厚度。 滑动轴承之润滑及轴承温度：- 润滑系统有两个作用：-降低轴承温度和移除轴承承载区异物。润滑油的品质，粘度，压力以及入口温度都会影响到油膜的刚度和轴承温度。
图11 轴承轴瓦受载下温度分布模拟 1） 润滑油的质量至关重要，它影响着轴承的使用寿命周期，故而需要周期性的对油进行取样分析，常分析洁净度，水分，金属元素，漆膜指数，抗氧化剂，酸值等； 2） 在工业生成中，为了减少漆膜的产生，避免轴承结焦引起的轴承温度和振动升高，我们一般都会严格控制轴承的温度在45±1度，油温越低油使用寿命越长，但又由于存在可能的油膜涡动和振荡问题，又不得不提升温度以降低其粘度提升油膜刚度，故而需要平衡油温设置。 3） 油温比油压对油膜厚度和刚度影响更大，轴承温升计算公式如下所示： P为轴承所受载荷，f为摩擦系数，R为轴承半径，C为轴承间隙，n为转速，Q为油流量。 生产实际中，由于其公式的复杂性和参数的多样性，该公式计算并不准确，仅作为研究参考。 图12 温度对油粘度的影响 如图12所示，润滑油的粘度随着油温的升高而降低，ISO grade 46意味着该油的粘度为46。 在轴承设计中，无论是倒角还是改变轴承挡油环的径向间隙或泄油口的大小多少，都应首先确保轴承供油量大于泄漏量。 油量不足（油量多少可以在轴承设计中计算求的，运行中通过轴承油入口压力监控）将导致轴瓦油进入侧出现汽蚀现象，导致油膜刚度不足，损坏轴承。油量过量将降低轴承使用性能。 温度超过120度后，巴氏合金将发生蠕变现象进而失效，因而应该严格监控轴承运行温度，对于锡基巴氏合金轴承，一般110度作为报警，120度作为高高报警或连锁。 滑动轴承之轴承设计：- a) 在轴承设计中主要考虑两个问题：一个是轴承的静态特性，如最小油膜厚度，最大油膜压力，油温和功率损失等；另一个要考虑的是轴承的动态特性，如轴承的刚度，阻尼系数等。 b) 为了评估轴承的性能，需要对其进行轴承分析，常用最小油膜厚度，油供应和泄漏量，摩擦损伤，最大轴瓦温度以及最大油膜压力来衡量。 c) 滑动轴承接触角的极限是120°。当滑动轴承磨损到这一接触角时，液体润滑就要破坏。因此在不影响滑动轴承受压条件的前提下，接触角愈小愈好。从摩擦力距的理论分析，当接触角为60°时，摩擦力矩最小，因此建议，对转速高于500r/min的滑动轴承，接触角采用60°，转速低于500r/min的滑动轴承，接触角可以采用90°，也可以采用60°。 d) 轴承宽径比=L/D, L为轴瓦长度，D为轴直径。轴承宽径比是设计者首先要考虑的参数，轴颈受限于传动力的大小和适用场合，不能再做改变。轴承长度可以根据空间适当改变，它影响着轴承的阻尼和刚度特性。轴承越长，其单位受力越小，刚度越小，阻尼越大。 一般控制宽经比在0.3-0.75之间，重载荷轴承例如齿轮所用轴承宽径比会大于1，应考虑转轴的对中问题。 e) 轴承阻尼damping与刚度stiffness 在振动学中，任何一个振动的物体，都有阻尼和刚度，就如弹簧一样。轴承也有阻尼（主要由油膜产生的剪切力）和刚度（主要由油膜产生的弹性力）。  Ø 轴承预载荷描述了轴安装间隙与轴瓦安装间隙的关系，也就是说看轴瓦直径Dp与轴承安装直径Db之间的关系，如果二者相等，那么就没有预载荷；如果轴瓦直径大于轴承安装直径，那么就位正的预载荷；如果轴瓦直径小于轴承安装直径，那么就为负的预载荷（比较少见，此种情况下，轴承与轴的接触不好，同时负的预载荷会挤压轴瓦的入口和出口，从而产生刮擦效应，使轴承润滑不足）。另外因避免太接近零预载荷，以免公差影响导致负载荷。
Ø 预载荷m=1-(Cb/Cp); Cb=Db-Ds为轴承的安装间隙；Cp=Dp-Ds为轴瓦的直径间隙；通常预载荷范围为0.2到0.6（实用范围为0-0.6）。 Ø 预载荷增加，轴承的阻尼将减小，轴承刚度基本不变。在载荷很低的情况下，轴瓦本身也存在楔角，这样适当的增加预载荷将提高轴承的稳定性。但预载荷过大，会影响轴承进油量，进而导致轴承温度过高或轴瓦局部过载，因此合适的预载荷很重要。 Ø 改变预载荷，也会影响到油膜厚度和摩擦损耗。 g) 轴承单位载荷Bearing project load ， W为轴承设计点上的最大负载，L为轴承长度，D为轴直径。一般定义0-50psi 为非常轻的载荷，50-100psi为轻载荷，100-200psi为中载荷；200-300psi为重载荷；>300psi需特殊设计。h) 摩擦损耗Frictional losses 摩擦系数与转速，载荷和油粘度有关，如下图摩擦因素与ZN/P二者的关系。 Z为粘度，N为转速，P为载荷/轴承压力 摩擦力的计算公式为 那么损耗的功为 油粘度的选择和油温控制至关重要，其会影响到摩擦损耗大小，轴承油膜及稳定性，常用的如下表所示。
表2 不同设备选用的油粘度等级 i) 轴瓦偏移量 Offset
j) 轴承表面速度Surface speed 轴承直径越大其表面线速度越大，计算公式如下：-
在轴承设计中，在正常允许载荷和轴承表面速度范围内只需要常规设计即可，如表3所示；但若超出正常范围，因为更高的转速或载荷将导致更高的轴承温度，需要对材料和润滑进行特殊设计。一般情况下轴承线速度不超过120m/s。 表3 轴承线速度，载荷，温度设计范围表 绿色意味着常规的有着很好设计的允许范围，黄色意味着需要技术经理审查的设计，红色意味着超出正常设计范围之内，需要特殊设计。 2， 滑动轴承的种类 滑动轴承可分为两大类，固定瓦轴承和非固定瓦轴承。
图23 径向滑动轴承分类
表4 不同类型滑动轴承性能特征及使用类型 图24 不同类型滑动轴承示意图 a) 薄壁瓦轴承/圆瓦轴承 薄壁瓦轴承常用于往复式压缩机曲轴，大头瓦及连杆轴承上，圆瓦的结构简单，能承受较大的载荷，造价低，维修方便---可以现场根据接触和间隙大小进行刮瓦；但因圆瓦轴承仅有一个油楔，其稳定性较差，圆瓦容易因为油膜涡动(油膜的楔形按油的平均流速带动轴绕轴瓦中心运动的现象)/油膜振荡（油膜半涡动频率-转速的半频率等于转子本身固有频率时导致的共振，进而导致转子失稳）造成转子失稳，可以通过减少轴瓦顶隙，扩大侧隙，使圆瓦向稳定性较好的椭圆瓦方向靠。 b) 椭圆瓦轴承 椭圆瓦轴承由于形状像柠檬又叫Lemon轴承，系自位式轴承，具有结构上层次少的优点，在轴承体内表面直接浇注巴氏合金，将轴承内瓦面加工成椭圆的形式。 椭圆瓦轴承比圆瓦轴承有更好的稳定性，当轴上下振动时，上下油膜压力的变化会将轴推向中间位置从而起到稳定的作用，同时由于侧间隙大，沿轴向流出的油量大，散热性好，轴承的温度较低。但是这种轴承承载能力较低，由于产生上、下两个油膜，功率消耗大，在垂直方向抗振性好，但在水平方向抗振性较差。 图28&29 椭圆瓦轴承及其两油楔示意图 为了提高轴承的工作稳定性和旋转精度，常把轴承做成多油楔形状，和单油楔轴承相比，多油楔轴承稳定性好，旋转精度高，但承载能力低，摩擦损耗大。它的承载能力等于各油楔中油膜力的向量和。 3）上下轴瓦偏心圆瓦轴承 为了增加轴承的稳定性，会采用偏心圆瓦轴承，这样就能给轴承施加一个预载荷，通过在中心偏心钻一个普通的衬套并翻转上半部很容易制造。该轴承有方向性，注意不能承受反向旋转。
图30&31 偏心圆瓦轴承及其两油楔示意图 4）压力坝轴承 Pressure dam bearing 压力坝轴承又叫口袋或台阶轴承，是为了去除油膜涡动对圆瓦轴承的影响，在圆瓦轴承的上半部分加工台阶，增大间隙形成油楔，这样上下轴瓦都会形成油膜，将大大增加轴承的稳定性。 图32&33 LEG 轴承及示意图 5）球面轴承 该类轴承是圆瓦轴承的一种，只是其轴承外形为球形，同时轴承瓦座也为球形状，该类轴承具有自调心的功能，避免了转子与轴承瓦窝不同心的问题，常用于转速不高载荷不高的电机中，该类轴承常常采用甩油环进行润滑，注意周期性的更换润滑油。
图34&35 可调心球面轴承 6）弹性支撑轴承 为了增加轴承的阻尼，减小转子在通过临界转速时候的振动，在结构设计上采用弹性枢轴。
图36&37 弹性支撑轴承及结构示意图 7) 可倾瓦轴承Tilting pad bearing 可倾瓦轴承概念： 由于固定瓦轴承存在油膜涡动和油膜震荡问题，近年来，现代工业在设计中更多的选择可倾瓦轴承作为支撑轴承。可倾瓦轴承顾名思义，每个瓦块可以绕支点自由摆动，且摆角随着轴承温度，载荷，转速的变化而变化，使旋转轴表面与瓦块之间形成多油楔，因而每块瓦所承受的油膜力总是沿着支点指向轴颈的中心，因此该轴承不会因切向分力引起油膜涡动或振荡。同时可倾瓦轴承也具备其它轴承如下特性：- 典型的可倾瓦的结构包含可拆卸的瓦块，油档，进油喷嘴，轴瓦枢轴。常见的轴瓦有四块和五块的。 根据载荷作用在瓦块上的个数不同，又分为载荷作用于瓦块上和作用于瓦块间两种类型。作用与瓦块的形式不同，决定了抬轴时系数不同及安装温度探头的不同。当载荷较大时常常选用作用于瓦块之间。
图38&39 可倾瓦轴承结构及喷油嘴结构图
图40载荷作用与轴瓦上及作用于瓦块之间的油楔压力压力示意图 为了调整转子与大齿轮/驱动轴的接触，常常采用偏心环来进行调整。
图41 偏心环 图42 偏心环用于可倾瓦轴承安装位置调整 常用的轴瓦枢轴为圆柱，仅可以使轴瓦沿周向摆动，对于可能存在的壳体变形例如强度不足的齿轮箱，采用球面或球枢轴，将会使轴瓦可以轴向摆动，进而补偿由于壳体变形带来的转子和瓦窝的不同心问题。
图43 球面枢轴轴承及结构示意图 可倾瓦轴承分类： 采用普通可倾瓦轴承，若设计不当，我们会常遇到轴承温度高，轴承结焦，并进而导致油膜形成不好转子稳定性变差振动升高，为此我们常做一些设计变更，为了控制轴承温度过高，轴承设计亦会考虑使用铜铬材料作为轴瓦的基础材料，或使用带沟槽的Turbo Top 轴承或使用节油轴承LEG轴承。 铜铬轴承 铜铬轴承是指为了增加轴瓦的散热量，采用热传导性更好的铜基作为瓦座，同时在非受力轴瓦上增加了沟槽，增加了轴承进油量，从而减低了轴承温度。
图44&45 铜铬轴承及轴瓦 Turbo top轴承 该轴承有助于降低轴承温度与改善轴承稳定性差带来的同步与次同步振动。采用的设计理念是：- a) 增加单独的带有喷油嘴的轴承供油挡，以便减小热油与冷油的混合； b) 非受力瓦增加沟槽增加进油量，T型槽有助于增加轴承阻尼，改善轴承同步与次同步振荡； c) 轴瓦瓦背增加沟槽，以便使润滑油降低瓦背温度。
图46&47 Turbo Top 轴承及结构示意图 LEG轴承（Leading edge groove bearing） LEG轴承又叫节油轴承，其设计理念是不设计单独的喷油嘴，让润滑油直接通过轴瓦的一侧进入，从而达到节油的目的，同时又避免了热油与冷油的混合；轴瓦采用偏心设计，增加轴瓦通过的过油量，减低轴承温度。
图48&49 LEG 轴承及示意图 未完待续~~ |
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