*基金项目：山东省自然科学基金资助(Y2002F02)1收稿日期:2003-09-22
联系人：曲庆文,E-mail :q uqingwen@sina 1com 1
曲庆文1 刘源勇1 钟振远1 郭秀萍2
(11山东理工大学精密模具省重点实验室 山东淄博255012;21淄博创成工程设计有限公司 山东淄博255009)摘要：关节轴承是现代机械设备的重要零部件，根据关节轴承的工作特性讨论了关节轴承的应用及性能分析，为关节轴承的正确选用和进一步分析计算提供依据。 中图分类号:TH133;TH11712 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2004)4-102-2
Design Characteristic and Analysis for the Spherical Plain Bearing
Qu Qingwen 1 Liu Yuanyong 1 Zhong Zhenyuan 1 Guo Xiuping 2
(1.The Provi ncial Key Laboratory of Precision Mould,Shandon g University of Technology,Zibo 255012,China;
2.Zibo Changcheng En gi neeri ng Design Co.,Zibo 255009,China)
Abstract:The application and prope rties analysis of the spherical plain bearing were discussed acc ording to operation of bear -
ing.The base is provided for right selecting and more analyzing calc ula tion of the spherical plain bearing.
Keyw ords:spherical plain bearing;lubrication;configuration
关节轴承一般情况下在低速下作摆动、倾斜和旋转运动，基本结构为球面。其特点是结构简单、体积小、承载能力大，广泛用于工程、起重、印刷、纺织、农业机械、载重汽车、机车车辆、冶金轧钢、卫星地面接收设备、火箭发射和其它军用设备[1~3]。关节轴承的类型可根据不同方式划分，按受力方向分为向心、角接触和推力关节轴承；按是否带伸出螺杆可分为一般和杆端关节轴承；按外圈结构可分为单缝型、剖分型、双半型、挤压型、镶垫型和装配槽型。对关节轴承的计算分析以强度计算为主，对航空工作轴承同时机械简化计算可靠性[4]。关节轴承的实验研究在不断进行，主要研究摩擦磨损问题[5~6]。本文根据关节轴承的结构特点，对工作性能进行分析，同时对关节轴承的润滑方式和设计进一步探讨，以求得出更合理的计算方法和润滑方式。1 关节轴承的工作特性及选择原则
一般结构的关节轴承如图1所示，从整体结构上看，关节轴承的组成较简单，在工作中根据润滑的形式确定工作表面的具体结构形式。由于关节轴承大多在低速下使用，以自润滑和液体润滑为主要润滑状态。载荷的方向要在作用弧内，具有自定位作用。承载能力高于一般轴承，若采用油润滑，由于是弧面接触，润滑温升高，润滑计算复杂，应以球面坐标来建立润滑参数之间的关系。工作中选择原则通常是根据 所承受的载荷、滑动速度、工作温度及环境的要求,
选择出适当的结构、材料、表面防腐、能满足工况要求的一定尺寸的轴承。
图1 关节轴承示意图111 结构类型
按承受载荷的类型选择关节轴承：主要承受径向载荷选用向心关节轴承；承受径向轴向联合作用的载荷选用角接触关节轴承；主要为轴向载荷选用推力关节轴承。按承受载荷的方向选择关节轴承：关节轴承所受的载荷有常载荷、交变载荷、脉冲载荷三种。固定方向载荷各类轴承都适用；交变载荷选用金属对金属摩擦副的关节
轴承。同一尺寸的关节轴承以单缝型承载能力为最佳。112 润滑要求
关节轴承由于其用途的特殊性，对润滑的要求与一般轴承相比有较大的不同。一般情况下根据使用条
件来确定。速度高采用油润滑，大多采用脂润滑，特殊要求采用固体润滑。固体润滑大多做成自润滑轴承。
113 工作温度和环境条件
工作温度主要是考虑关节轴承的材料选用问题，以免造成关节轴承的热损伤。环境条件主要包括是否具有防尘防腐要求，以选用特殊的结构和特殊的材料等。
2004年7月
第4期(总第164期)
润滑与密封
LUBRICATI ON ENGI NEERI NG July 2004
No 14(serial No 1164)
114 游隙
关节轴承的游隙根据轴承的工作条件，如载荷、滑动速度、温度差、润滑要求及配合和材料来确定。
一般情况下，高速重载选大游隙；高温和温度差大选大游隙；轻载且运动精度要求高时选小游隙。2 关节轴承的润滑特点
根据关节轴承的结构特点和使用特性，关节轴承的润滑主要包括自润滑、液体润滑和脂润滑等，设计中根据工作条件进行确定，自润滑主要从结构上采取措施，以达到润滑的目的。典型的结构如图2所示。主要由内外圈和固体润滑剂组成，是典型的固体润滑关节轴承，固体润滑可承受较大的压力，且润滑状态较好，摩擦系数在0108~0112
。
图2 自润滑关节轴
承结构示意图
液体润滑关节轴承，其设计简单，但由于关节轴承的应用场合所限，难于实现液体润滑，目前在高速重载下采用关节轴承，能保证具有良好的承载能力和润滑效果。关节轴承
的弧面接触增加接触长度，降
低比压。弧面的自动定心作用
始终保持轴承处于良好的工作
状态。只是以球面坐标进行分析求解，润滑设计计算
比较复杂。
3 关节轴承设计的问题分析
关节轴承设计的主要问题包括设计速度、轴承载荷、润滑方式等。
311 设计速度
轴承工作速度影响轴承油膜的形成和承载能力及摩擦学特性，这一点是众所周知的。但在关节轴承的分析中有其自身的特定意义，关节轴承的结构与一般轴承形成差别，由此工作性能也将产生差别。关节轴承一般是在低速情况下运行，为了使其有良好的摩擦学特性，通常采用特殊的结构，以减磨材料形成摩擦表面。关节轴承的工作表面为球面，接触长度大，在低速极易形成薄膜润滑，所以常常出现轴承不磨损的情况，这是应非常重视的。所以随着速度的提高，润滑性能将越来越好。312 轴承载荷
关节轴承由于是球面接触，所以能承受部分轴向载荷，使得轴承设计简化。具有自动调心作用，承载能力受载荷方向的影响较小，通过调心油膜压力始终能与外载荷平衡。在轴向尺寸相同的情况下具有较大的承载能力。313 润滑方式
润滑方式是保证形成良好润滑的基本条件，由于结构上的特殊性，关节轴承具有良好的存油性，润滑剂不易流出，其特点是易形成油膜润滑，不易贫油；缺点是温升高，润滑剂的性能变化大。314 计算分析
在结构尺寸选定后，根据其润滑方式确定计算方法。计算的内容包括压力场、承载能力和摩擦特性等，以确定轴承的工作状态。计算的关键是基本方程的确定，由于速度低应考虑粘度的修正，即薄膜润滑问题。在计算中，球面接触应以球面坐标计算，这使得计算方程复杂，对N-S 方程的简化处理及对间隙的处理都十分复杂，所以目前对于关节轴承的计算仍没有进行，实际设计只是一种估算或由于在低速轻载下工作根本就没有计算。若进行计算只能从N-S 方程进行,N-S 方程的球面坐标一般形式为
9v R 9t +v R 9v R 9R +v H R 9v R 9H +v E R sin H 9v R 9E -v 2
H +v 2
E
R =P R +
1Q {1R 2sin H [99R (R 2sin H p RR )+99H
(R sin H p H R )+99E (Rp E R )]-p H H +p E E
R
}9v H 9t +v R 9v H 9R +v H R 9v H 9H +v E R sin H 9v H 9E +v R v H R -v 2E
R tg H =P H +1Q {1R 2sin H [99R (R 2sin H p R H )+99H
(R sin H p H H )+9
9E (Rp E H )]+p R H R -p E E R tg H }9v E 9t +v R 9v E 9R +v H R 9v E 9H +v E R sin H 9v E 9E +v R v E R +v H v E
R tg H =P E +
1Q {1R 2sin H 99R (R 2sin H p R E )+99H (R sin H p H E )+99E (Rp E E )+p R E R +p H E R tg H
}p R R =-p +(L c -2
3L )div V +2L
9v R 9R
p H H =-p +(L c -2
3L )div V +2L (9v H R 9H +v R R
)p E E =-p +(L c -2
3L )div V +2L (9v E R sin H 9E +v R R +v H
R tg H
)p R H =p H R =L (1R 9v R 9H +9v H 9R -v H
R
)
p H E =p E H =L (1R sin H 9v E 9R +9v E
R 9H -v E R tg H
)p E R =p R E =L (9v E 9R +1R sin H 9v R 9E -v E
R )(下转第105页)
103
2004年第4期曲庆文等：关节轴承的设计特点及分析
数为常数。
则润滑系统总的供油量为:
Q=Q1+Q2(1) Q2又可写为:
Q2=Q3+Q6=Q4+Q5+Q6(2)
Q i=P$p
i
d4i
128L l i
(i=1,2,,,5)(3)
其中:$p
i
)管路各段压力差,Pa;
d i)管路各段管径,m;
l i)管路各段管长,m;
L)动力粘度,Pa#s。
流量Q6为从壳体与主轴之间的间隙流出的润滑油量，为了保证润滑油进入主轴，此间隙不宜太大, Q6计算公式如下:
Q6=P R0$p6D3
6L l6(4)
其中:R0)Q2处壳体内径,m;
D)Q
2
处主轴外径与壳体内径间的间隙,m。
流量Q
3
是由壳体流入主轴中心孔的润滑油量，此流动为向心流动，当主轴旋转时，润滑油产生离心力阻止了润滑油的流动，因此，确定系统油压时需考虑离心力的影响，克服离心力所需的最小压差为:
$p
mi n =
Q P2
1800n
2R2
i
(5)
其中:R
i )Q
2
处主轴外径,m;
Q)润滑油密度,kg/m3;
n)主轴转速,r/min。
3功耗计算
润滑系统产生的功耗N由四部分组成，沿程阻
力损失N
h 、局部阻力损失N
f
、由于主轴旋转润滑油
周向剪切流而导致的摩擦损失和节流损失N c及离心
力产生的阻力损失N
c ，各部分损失的计算式分别为:
沿程阻力损失:
N h=E5
i=1
P$p2i d4i
128L l i
(i=1,2,,,5)(6)
局部阻力损失:
N f=E i
j=a
Q N j u
2
j
2Q j
(j=a,b,c,,,i)(7)
其中:N
j
)局部阻力损失系数，取决于结构参数;
u j)润滑油流速,m/s。
周向剪切流而导致的摩擦损失和节流损失:
N c=
L P3n2R3
i
l6
450D
+
$p2
6
P R
i
D3
6L l6
(8)
离心力产生的阻力损失:
N c=
Q P3$p3d43
4802L l3
n2R2i(9)
润滑系统的总功耗N为:
N=N h+N f+N c+N c(10)
4结论
涡旋式空气压缩机各摩擦副进行润滑和压缩腔喷
油不仅可以降低功耗，而且还起到了降温的作用。通
过对涡旋式空气压缩机润滑系统结构的研究分析，建
立了润滑系统油量分配模型，运用流体力学理论，并
依据油量分配模型推导出了润滑油路系统的流量和功
耗计算公式，为涡旋式空气压缩机润滑系统的设计提
供了一定的理论依据。
参考文献
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开发1流体机械,2000(10):14~161
3司玉宝，屈宗长，樊灵，王迪生1新型特种涡旋式空压机
的研制1压缩机技术,1999(3):3~5
4周光炯，严宗毅，许世雄，章克本1流体力学(上、下)1
高等教育出版社,2002151
(上接第103页)其中:div V=1
R2
9(R2v R)
9R+
1
R sin H 9(sin H v H)
9H+
1
R sin H
9v E
9E
在边界上压力为零等条件，可进行关节轴承的求解，得出其性能。
4结论
根据上述讨论分析，目前关节轴承的摩擦学计算仍处于初始阶段，润滑计算公式没有完善，其计算分析基本上是在定性的基础上。本文提供了关节轴承计算的基本公式，在此基础上可进行简化分析，在考虑假设的前提下，可得出较简单的计算方程。在设计中关节轴承的选择十分关键，必须考虑速度、载荷和润滑方式，以保证良好的润滑状态。
参考文献
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2004年第4期李超等：涡旋式空气压缩机润滑系统的研究
