典型零部件的维修静压滑动轴承.ppt

钳工首席：龚志伟,2013.11,典型零部件的维修静压滑动轴承,内容提要,第一章：滑动轴承的介绍第二章：静压滑动轴承的介绍第三章：静压滑动轴承的常见故障第四章：静压滑动轴承的维修,第一章：滑动轴承的介绍,滑动轴承的基本概念滑动轴承的特点、类型和典型结构 轴瓦的材料和轴瓦结构,一、滑动轴承的概念基本概念在滑动摩擦下工作的轴承。滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。但起动摩擦阻力较大。轴被轴承支承的部分称为轴颈，与轴颈相配的零件称为轴瓦。为了改善轴瓦表面的摩擦性质而在其内表面上浇铸的减摩材料层称为轴承衬。轴瓦和轴承衬的材料统称为滑动轴承材料。常用的滑动轴承材料有轴承合金（又叫巴氏合金或白合金）、耐磨铸铁、铜基和铝基合金、粉末冶金材料、塑料、橡胶、硬木和碳-石墨，聚四氟乙烯（PTFE）等。滑动轴承应用场合一般在低速重载工况条件下，或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部位。,二、滑动轴承的特点、类型和典型结构,1.径向滑动轴承 常用的径向滑动轴承的结构形式可分为整体式(如图12-4(a)和剖分式(如图12-4(b)。轴承座的材料常用铸铁制造，受力很大时可用铸钢件，用螺栓固定在机架上。整体式滑动轴承构造简单，常用于低速、载荷较小的间歇工作机器上，而且轴只能从轴的端部装入。剖分式滑动轴承的轴瓦一般是对开式，当它的轴瓦磨损后可以通过适当地调整垫片或对其剖分面进行刮削、研磨来调整轴与孔的间隙，应用较广。,组成：轴承座、轴套或轴瓦、联接螺栓等。,螺纹孔,联接螺栓,轴承盖,轴承座,剖分轴瓦,剖分式向心滑动轴承,薄壁轴瓦,轴瓦非承载区内表面开有进油口和油沟，以利于润滑油均匀分布在整个轴径上。,进油孔,油沟,厚壁轴瓦,整体轴套,卷制轴套,整体轴套,卷制轴套,整体式,轴承座,轴承,整体式向心滑动轴承,对开式轴承(剖分轴套),特点：结构复杂、可以调整磨损而造成的 间隙、安装方便。,应用场合：低速、轻载或间歇性工作的机器中。,设计：潘存云,设计：潘存云,轴承中分面常布置成与载荷垂直或接近垂直。载荷倾斜时结构如图,大型液体滑动轴承常设计成两边供油的形式，既有利于形成动压油膜，又起冷却作用。,油沟形式,宽径比B/d-轴瓦宽度与轴径直径之比。重要参数,液体润滑摩擦的滑动轴承:B/d=0.51,非液体润滑摩擦的滑动轴承:B/d=0.81.5,设计：潘存云,作用：用来承受轴向载荷,2、推力滑动轴承,结构特点：在轴的端面、轴肩或安装圆盘做成止推面。在止推环形面上，分布有若干有楔角的扇形快。其数量一般为612。,-倾角固定，顶部预留平台，,类型,固定式,可倾式,用来承受停车后的载荷。,-倾角随载荷、转速自行 调整，性能好。,巴氏合金,3.普通止推滑动轴承的结构,图12-5 普通止推滑动轴承的结构,4.调心式滑动轴承 当轴承宽度B与轴颈直径d之比Bd1.5时，轴的变形可能会使轴瓦端部和轴颈出现边缘接触，导致轴承过早被损坏。为防止这种情况发生，可将轴瓦与轴承座配合表面做成球面，使其自动适应轴或机架工作时的变形造成轴颈与轴瓦不同轴的情况，避免出现边缘接触。这种轴承称为调心轴承，如图12-6所示。,图12-6 轴颈边缘接触与调心式滑动轴承,5.可调间隙式轴承,图12-7 间隙可调式滑动轴承轴承,6、静压滑动轴承,静压轴承是利用静压润滑原理润滑的滑动轴承。通过外部压力油把主轴支承起来，在任何转速下（包括起动和停车）轴颈和轴承均有一层油膜分离摩擦表面，与轴的转数和油的粘度无关，摩擦副处于流体润滑状态，不发生金属接触。因此有极低的摩擦，其摩擦系数为000030001。即使使用低粘度液体、水和液压介质等也能承受载荷的变化,7、动压滑动轴承,动压滑动轴承是滑动轴承中应用最广泛的一类，包括液体（油与非油润滑介质）与气体动压润滑两种类型。油润滑动压轴承，包括有单油楔（整体式）、双油楔、多油楔（整体或可倾瓦式）、阶梯面等多种类型，润滑特点各有不同。一般要求在回转时产生动压效应，主轴与轴承的间隔较小（高精度机床要求达到13m），有较高的刚度，温升较低等。,三、轴瓦的材料和轴瓦结构,1、轴瓦的材料 根据轴瓦失效形式及工作时轴瓦不损伤轴颈的原则，轴瓦材料应满足下列要求：良好的减摩性、耐磨性和磨合性；足够的强度；良好的顺应性和嵌藏性；耐腐蚀性；良好的导热性；良好的工艺性。其中顺应性是指轴瓦材料补偿对中误差和其他几何误差的能力。嵌藏性是指轴瓦材料容纳污物和外来微粒，防止刮伤和磨损的能力。,1）.金属材料（1）轴承合金(巴氏合金、白合金)：它是锡、铅、锑、铜的合金，又分为锡锑轴承合金和铅锑轴承合金两类。它们各以较软的锡或铅作基体，悬浮以锑锡和铜锡的硬晶粒，常用作轴承衬。优点：f 小，抗胶合性能好、对油的吸附性强、耐腐蚀性好、容易跑合、是优良的轴承材料，常用于高速、重载的轴承。缺点：价格贵、机械强度较差；只能作为轴承衬材料浇注在钢、铸铁、或青铜轴瓦上工作温度：t120 由于巴式合金熔点低(2)铜合金：铜合金是传统的轴瓦材料，品种很多，可分为青铜和黄铜两类。青铜的性能仅次于轴承合金的轴瓦材料，应用较多。黄铜为铜锌合金，减摩性不及青铜，但易于铸造及机加工。可作为低速、中载下青铜的代用品。,优点：青铜强度高、承载能力大、耐磨性和导热性 都优于轴承合金。工作温度高达250。,（3）铝合金：这种轴瓦材料强度高，耐腐蚀，导热性良好，但顺应性、嵌藏性、磨合性较差，要求轴颈表面硬度高、粗糙度低以及配合间隙较大。它一般作为轴承衬材料。（4)铸铁：有普通灰铸铁、耐磨铸铁或球墨铸铁，所含石墨具有润滑作用。耐磨铸铁表面经磷化处理可形成一多孔性薄层，有利于提高耐磨性。,缺点：可塑性差、不易跑合、与之相配的轴径必须淬硬。,青铜可以单独制成轴瓦，也可以作为轴承衬浇注在钢或铸铁轴瓦上。,2.粉末冶金材料 粉末冶金材料是由铜、铁、石墨等粉末经压制，烧结而成的多孔隙(约占总体积的1035)轴瓦材料。常用的粉末冶金材料有多孔铁、多孔青铜、多孔铝等。,3.非金属材料,非金属材料主要有塑料、石墨、陶瓷、木材和橡胶等。塑料轴承的塑性、跑合性、耐腐蚀性、耐磨性好，具有一定的自润滑作用；但其导热性差，所以要注意冷却，可用于不宜使用润滑油的机器中。橡胶轴承是用硬化橡胶制成，由于橡胶弹性大，所以可用于有振动的机器，也用于水润滑且有灰尘或泥沙的场合。,常用金属轴瓦材料的性能,常用金属轴瓦材料的性能,4、选择轴承的配合,滑动轴承的常用配合及其应用,1、静压滑动轴承的概念是借助液压系统强制地把压力油送入轴与轴承的配合间隙中，利用液体的静压力支承载荷的一种滑动轴承这种轴承处在纯液体摩擦状态下工作，它的承载能力取决于轴承的结构尺寸及供油系统的能量，而与轴的转速、油的粘度关系不大，即使轴在静止或转速极低的状态下，也具有很大的承载能力，这是静压滑动轴承与动压滑动轴承的本质区别,第二章：静压滑动轴承的介绍,2、静压滑动轴承的优缺点液体动静压轴承精度高、刚度大、寿命长、吸振抗震性能好，具体还有：1、起动和正常运转时的功耗均很小；2、轴心位置稳定，具有良好的抗振性能；3、旋转精度高，而且能长期保持精度，4、适用速度范围宽，能在极低的速度下工作。但静压滑动轴承需要一套可靠的供油系统，使用压力油源成本高，节流器的结构降低了滑动轴承的可靠性和抗过载能力。,3、静压滑动轴承的应用 主要用于精密加工机械及高速、高精度设备的主轴。而且静压轴承适应的工况范围极广，从载荷以克计的精密仪器到载荷达数千吨的重型设备都有采用静压轴承的 总的说起来，静压轴承的各种性能要优于动压轴承，但动压轴承的成本略低,4、静压滑动轴承的工作原理,静压滑动轴承的结构：一般是由供油系统、节流器、和轴承三部分组成,如图所示：压力为PS的压力油经过四个节流器分别为PR1、PR2、PR3、PR4流入轴承的四个油腔，油腔中的油又经过两端的间隙h0流入油池,当轴没有受到载荷时，如果四个节流器阻力相同，则四个油腔的压力也相同，即PR1=PR2=PR3=PR4,主轴轴颈被浮在轴承中心。当轴受到载荷W时，轴颈中心要向下产生一定的位移，此时油腔1的回油间隙H0增大，回油阻力减小，使油腔压力PR1降低，反之，油腔3的回油间隙减小，回油阻力增大，使油膜压力pr3升高。只要使油腔1、3油压变化而产生的压力PR3-PR1=W/S,轴颈便能处于新的位置，其中S为每个油腔的有效承载面积。由此可知，为了平衡载荷W，轴颈需要向下偏移一段距离（偏心距）。,静压滑动轴承的刚度：载荷变化（W）与轴颈偏心距变化（l）的比值W/l，通常称为静压滑动轴承的刚度。对于精密的机械设备常要求其静压滑动轴承具有足够的刚度。,节流器：,系统油腔压力的变化，是通过回油阻力的改变实现的，而节流器的阻力时不变的，这种节流器称为固定节流器。分为：毛细管节流器和小孔节流器,可变节流器如果要进一步提高静压滑动轴承的刚度和旋转精度，可采用可变节流器当轴受到载荷W作用时，轴颈向下偏移，使上下油腔的回油间隙改变，产生压力差PR3-PR1,此压力差除了能平衡载荷外，同时还使节流器中的油膜变形。,第三章：静压滑动轴承的修理,静压轴承具有承载能力大摩擦阻力小旋转精度高，精度保持性好等优点，目前广泛的应用。在磨床重型机床上液体静压轴承是由外界供油，经过过滤并具有一定的压力的油液在轴承油腔上形成油膜，使其产生一定的承载能力，进入油腔的油液应先经过节流。常用的节流形式有可变节流（双薄膜节流滑阀节流）和固定节流（小孔节流，主细管节流）两大类。静压轴承虽属纯液体摩擦，但主轴轴颈仍会由于油液中极微细的机械杂质的冲击产生极细的环形细流纹，一般可以通过精密磨床及研磨至Ra=0.160.04m。静压轴承一般不会磨损，如上述主轴精磨或研磨时的磨削量控制在0.020.03mm以内则轴承可以不必更换（在主轴与轴承的配合间隙增大后应该注意油泵的流量是否还能适应）,1、如果主轴与轴承的间隙过大时则需更换轴承换新轴承时应注意以下几点：（1）新轴承在装配之前应仔细测量轴承主轴的配合（应尚有0.020.03mm的研磨余量）以及轴承与箱体孔的配合（轴承外径D200mm时应保持0.0030.007mm的间隙）为避免装后在拆在轴承外圈上拉出线纹引起各油腔短路影响油腔的承载能力，轴承装入是最好经冷缩后再装入。,（2）为了防止主轴在运转中自径向回油槽中将空气吸入引起油腔压力波动，应注意轴承径向回油槽的深度（3）为了提高前后两端轴承孔内的圆轴度，在两只轴承装好后以研磨棒一起研磨到配合间隙要求（4）应注意箱体内油垢脱落。（5）零件的毛刺一定要清除干净，以免刮伤主轴及轴承各管路都要仔细清除干净，清洗是应严禁使用棉纱。,2、静压滑动轴承的装配与调整2.1、装配要求 保证零件间的配合尺寸是很重要的。2.1.1、轴承外径与座孔径的配合应有过盈梁，如果过盈太小或有间隙，将使外径上的油槽互通，引起轴承承载能力降低，甚至不能启动工作2.1.2、轴承内径与轴颈的配合间隙对轴承刚度影响也很大，在配磨（研）轴承时，应保证达到间隙要求。2.1.3要保证轴向间隙，通常可采用配磨调整垫片达到工艺要求。调整垫片的平行度对推力轴承的间隙影响很大，必须保证其两面平行，间隙太小，可能会造成金属直接摩擦而损坏轴承。,2.2.1、装配前，零件的毛刺应去除并应冲洗干净。零件、主轴箱内部及管路系统都要冲洗干净，不应有残留的金属屑、棉纱等杂物。装配时工具也要清洗干净。装配完后，要先用煤油输入轴承及管路中冲洗一段时间，将残存的杂质脏物冲出；2.2.2、管路不能有漏气的现象，系统内也不许有空气，否则会一起压力波动；2.2.3、主轴运转时，要先用手试转主轴，如感觉太紧，则要排除故障再试运转。,2.2、装配与调整的要点,2.2.4、主轴试运转时，要检查进油压力与油腔压力之比是否正常，液压油的粘度应按照说明书规定严格掌握，否则会引起温升或下降。2.2.5使用的压力表应加以校对和校正。对于具有压力继电器的供油系统，装配后应检查压力继电器工作是否正常。2.2.6在蓄能器的供油系统装配后，工作前应检查一下工作是否正常。,实例讲解：M7140 平面磨床主轴静压滑动轴承修复,实例讲解：M7140 平面磨床主轴静压滑动轴承修复,M7140 平面磨床是一台上海机床厂生产的高精度设备,近期此机床磨削滑板时经常出现表面有横纹,精度超差的现象。经过仔细观察发现检测前瓦的压力不稳,正常工作的压力值应为0.8MPa,而现在的压力在0 0.8MPa 之间摆动,且磨头磨削工件时振动,即主轴振动带动砂轮也振动,致使工件出现横纹,精度超差。,1.故障原因此压力表检测的是主轴的静压滑动轴承前瓦的压力,所以此压力表摆动实际上就是主轴的静压滑动轴承前瓦的油液压力不稳,而静压滑动轴承前瓦的油液压力不稳的根源有两点:一个根源是主轴变形、弯曲,另一个根源是轴瓦的内孔圆度超差。拆下主轴和轴瓦后经检查,主轴没有发生变形及弯曲现象,而是轴瓦的内孔圆度超差。根源找到了,下一步就是如何修复此静压滑动轴承,经过仔细研究,查阅了许多相关资料,最后终于定下了修复方案。,2.静压滑动轴承的工作原理M7140 属于精加工机床,其主轴结构采用了静压滑动轴承。静压滑动轴承的结构及其工作原理如图1 所示,静压轴承在其内圆表面上开有4 个对称且均匀分布的油腔,油腔与油腔之间开有回油槽,回油槽与油腔之间有封油面。两个相对的油腔与一个薄膜节流器连通,油压为ps 的润滑油经过节流器薄膜两侧的节流间隙hc和hc,流入轴承相对的两个油腔中。当轴承空载时,两相对油腔压力相等,薄膜处于平直状态,轴浮在中间。当轴承承受载荷W 时,上油腔间隙增大,油压减小;下油腔间隙减小,油压升高,形成压力差,因此节流器中薄膜向上凸起,使上侧节流间隙减小,节流阻力增大;下侧节流间隙增大,节流阻力减小,此时下油腔pr4 大于上油腔油压pr2,产生压力差p,于是将轴抬起,直至上下腔油压相等,使轴颈处于油膜的包围中,形成液体润滑。,静压滑动轴承供油系统的液压原理如图2 所示,静压轴承需要单独的供油系统,其中的主要元件是:过滤器10,其作用是防止油中的杂质吸入液压泵;液压泵8,其作用是向系统供给压力油;溢流阀9,其作用是调节系统供油压力ps;单向阀7,其作用是使液流只能单向流动,不许反向;蓄能器6,其作用是当突然停电或供油系统发生故障时,可保持仍有一定的压力油供给静压轴承,不致因断油而磨损、擦伤轴承;精过滤器5,其作用是防止节流器被堵塞,要求滤油精度高于0.02 0.03mm;节流装置4,自动调节油腔压力,使相对油腔的压力,最终趋于相等;压力继电器3,其作用是保证当液压泵开动使轴承油腔建立一定压力后主轴才能起动。,3.主轴结构M1740 平面磨床的主轴结构如图3 所示。,因M7140 平面磨床是精加工机床,所以各部分要求的精度都要符合精加工机床的精度,尤其主轴结构要求的各项精度更高。M7140 平面磨床的主轴结构中,前轴瓦3 的前端面开有两个油腔,要求前轴瓦的前端面与主轴的轴肩端面的平面度都必须在0.001mm 以内,前轴瓦的前端面及主轴轴肩端面与主轴轴线的垂直度也必须在0.001mm 以内,以防主轴旋转时前轴瓦的前端面和主轴轴肩端面产生划痕。轴瓦的回油槽的深度为0.8mm,宽度4mm。回油槽的尺寸要严格按照此尺寸加工,以防止油腔压力不足。轴瓦与主轴的间隙要求直径方向为0.07mm,修复时要严格按照此参数修复。,4.拆卸分解主轴和供油系统将主轴部件和供油系统拆卸分解后发现轴瓦的内轴圆度超差和节流器的薄膜片的平行度、平面度和表面粗糙度已经超差。轴瓦的圆度超差时,主轴旋转,轴承和轴颈之间间隙发生周期性的变化引起油腔压力波动,导致主轴振动。节流器的薄膜片的平行度、平面度和表面粗糙度已经超差,使薄膜片两侧的间隙不相等,造成四个油腔的压力不等,主轴偏距。所以此次修理主要就是修轴瓦内孔和薄膜片。,5.修复薄膜片首先修复薄膜片,薄膜片的平行度要求为0.02mm/总面积、平面度要求为0.02mm/总面积、表面粗糙度值要求Ra=0.8m,现薄膜片的平行度、平面度、表面粗糙度均已超差,可以用研磨的方法来修复。但薄膜片的尺寸为长100mm,宽60mm,厚1.2mm,因薄膜片厚度很薄,研磨成了难题。经过讨论确定了一个方案,就是做一个带凹槽的胎具,凹槽的长和宽比薄膜片的长和宽大0.2mm,凹槽的深度小于薄膜片厚度0.2mm,如图4 所示,将薄膜片镶到胎具里来进行研磨,这种方法可以防止将薄膜片磨偏,不但能很容易的保证薄膜片平行度、平面度和表面粗糙度,而且还提高了修理效率,节约了修理时间。,6.修复轴瓦内孔恢复轴瓦内孔的圆度也可以用研磨的方法。因为研磨内孔时很容易研偏,所以又确定了一个方案来修复轴瓦内孔,首先用铸铁料制作三根尺寸不等的研磨棒,三根研磨棒分别用来进行粗研和精研,研磨棒的长度均做成600mm 长,且做成腰鼓形,目地是为了在研磨时防止将轴瓦内孔磨偏。研磨棒做好后,将前轴瓦与后轴瓦跟钢套装配在一起,注意将轴瓦压入钢套时要防止擦伤内圆表面,以免引起油腔互通,如果过盈量较大,尽量采用冷缩后装入。然后用C630 车床的卡盘将装配好之后的轴瓦跟钢套垂直装夹在平台上,装夹时要严格找正,保证轴瓦内孔与平台垂直。装夹完毕就可以研磨了,研磨时,用天车吊研磨棒做上下往复运动,人工使研磨棒绕轴瓦轴线进行回转运动。先粗研,再精研,精研时用外径尺寸比轴瓦内径小0.015 0.025mm 的研磨棒进行干研。干研的次数不能多,经过精研的轴瓦内孔表面粗糙度值可达Ra=0.8m。,7.安装薄膜片和轴瓦都修复完毕后就可以安装了,按图3将各零件装配在一起,装配前要先调整电动机与轴之间的同心度,电动机与轴的同心度要求为0.01mm。因为主轴结构中有法兰盘且法兰盘中装有一圆锥滚子轴承(图3 中的件8),如果法兰盘和圆锥滚子轴承装配时同心度超差,影响整体装配质量,所以要先调整好法兰盘和圆锥滚子轴承的同心度,同时也调整了电动机转子内孔与主轴的同心度,为此我们制作了一个足够长的检验棒来调整。检验棒为一个细长的阶梯轴,总长为1500mm,两轴段的直径为90mm 和75mm,90mm 轴段与轴瓦配合,为了让此轴段与轴瓦很好地配合,制作时将90mm 轴段的公差控制在0 0.02mm 之间,将检验棒装配到轴瓦与电动机转子中,然后将百分表吸在检验棒的75mm 段的后尾部的轴头处,在A 面(见图3)圈表检查同心度,边测量边调整,直到同轴度达要求。然后将检验棒拆卸下来,将其余部件全部装配完整。将供油系统的所有零部件拆下进行严格的清理和清洗,以防油中混入杂质。重新连接各管路。,8.试车主轴部件装配完,供油系统也清洗完毕后,就可以试车了,首先进行空运转试验,仔细调整,以获得良好的刚度和旋转精度。起动液压泵,调整节流器间隙,使四个油腔的压力相等并能保持稳定,要求供油压力与各油腔压力比值相等,比值一般为2。这时主轴应能浮起,用手能轻便转动,表明主轴与轴承之间处于液体摩擦状态,空运转试验达到要求。然后进行工作试验,起动液压泵后运转起动主轴。要求各油腔压力表读数相同,压力稳定,主轴旋转平稳无振动。不允许有压力下降和波动现象,如不符合要求,必须进一步调整,直到调整到符合要求为止。,9.结语此次修复完毕后的M7140 平面磨床一直使用至今,没有再出现过类似的故障。减少了停机修理时间,节约了维修成本,提高了生产效率,记录下修复过程,以备在今后修复类似结构的主轴结构借鉴使用以及进一步完善修复工艺。,谢谢,2013.11,