ICS 21．100．10 J 12
GB／T 23891．1--2009／IS0 12131-1：2001
滑动轴承 稳态条件下流体动压瓦块止 推轴承第1部分：瓦块止推轴承的计 算
Plain bearings--Hydrodynamic plain thrust pad bearings under steady— state conditions--
Part 1：Calculationof thrustpad bearings
(IS0 12131-1：2001，IDT)
2009—05—26发布
2009—12-01实施
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瞥霎发布
GB／T 23891．1--2009／ISO 1213I-'I：2001
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GB／T 23891((滑动轴承稳态条件下流体动压瓦块止推轴承》由以下三部分组成：
——第1部分：瓦块止推轴承的计算； ——第2部分：瓦块止推轴承的计算函数； ——第3部分：瓦块止推轴承计算的许用值。
本部分是GB／T 23891的第l部分。
本部分等同采用ISO12131 1：2001(<滑动轴承稳态条件下流体动压瓦块止推轴承第1部分：瓦块止推轴承的计
算》。
本部分等同翻译ISO12131 1：2001。
为便于使用，本部分做了下列编辑性修改：
——“本国际标准”一词改为“本部分”；
——用小数点“．”代替作为小数点的逗号“，”；
——删除国际标准的前言。 本部分的附录A是规范性附录。本部分由
中国机械工业联合会提出。本部分由全国滑动轴承标准化技术委员会
LSAC／TC 236)归口。 本部分负责起草单位：中机生产力促进中心。
本部分参加起草单位：西安交通大学、浙江申科滑动轴承有限公司、浙江省诸暨申发轴瓦有限公司、浙江东方
滑动轴承有限公司、浙江双飞无油轴承有限公司、浙江长盛滑动轴承有限公司。
本部分由全国滑动轴承标准化技术委员会秘书处负责解释。
GB／T 23891．1--2009／ISO 1213卜1：2001
1范围
GB／T 23891的本部分给出了止推环和轴承表面被流体润滑油膜完全分离的流体动压油润滑瓦块止推轴承的设计 计算方法，用于设计可靠运行的流体动压瓦块止推轴承。
GB／T 23891的本部分适用于楔面与支承表面成一体，并且楔面长度￡。。a与瓦块长度L之比为任意值的瓦块止 推轴承。本部分以z。。／L一0．75为例，因为根据参考文献[2]，这是最适合的比率。本部分适用的单个瓦块宽长比 B／L的范围是0．5～2。
如果已知其他型式的油楔的雷诺微分方程的数值解时，GB／T 23891的本部分介绍的计算方法亦可用于其他间隙 类型。
此计算方法适用于设计和优化以下场合所用瓦块止推轴承：鼓风机、齿轮装置、泵、涡轮机、电动机、 压缩机 和机床中的止推滑动轴承。但限于稳态场合，即所有旋转体的载荷和角速度在持续工作中为恒定值。本部分不适用于 动态工况。
下列文件中的条款通过GB／T 23891的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有 的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这 些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。
GB／T 3141—1994工业液体润滑油ISO黏度分类(eqv ISO 3448：1992)
GB／T 23891．2--2009滑动轴承稳态条件下流体动压瓦块止推轴承第2部分：瓦块止推轴承的计算函数(ISO12131 2：2001，IDT)
GB／T 23891．3滑动轴承稳态条件下流体动压瓦块止推轴承第3部分：瓦块止推轴承计算的
许用值(GB／T23891．3 2009，ISO 1213l一3：2001，IDT)
3基本原理、假设和前提条件计算通常是考虑压力产生的实际边界条件，对有限宽度滑动表面的雷诺微分方程进行数
值求解来
实现，见式(i)。
苓烈h3警)+熹(矿警)一6×7×u×罄 一(·)
参考文献[1]是雷诺微分方程的公式推导，文献[2]是雷诺微分方程的数值求解。式(1)求解时，用到了以下的理 想化的假设和前提，这些假设的可靠性已经在试验和工程实际中得
到了充分的验证(见文献[3])：a)
润滑油属于牛顿流体；b)润滑
油的流动为层流；
c) 润滑油完全粘附在滑动表面上；d)
润滑油是不可压缩的；e)润滑间隙充满 润滑油；
GB／T 23891．1--2009／ISO 1213卜1 12001
f) 润滑油的惯性力，重力和磁力的影响可以忽略；
g) 构成润滑间隙的部件是刚性的或者其变形可以忽略，其表面是完全平滑的；
h) 润滑油膜的厚度在径向(z轴方向)是恒定的；
i) 润滑油在润滑表面的法线方向(y轴方向)上的压力变化可以忽略； J)
滑动表面的法线方向(，轴方向)没有运动；k)润滑油在整个润滑间隙间是
等黏度的；
I) 润滑油从润滑间隙的最大处流人，润滑油供油压力同润滑油膜本身的压力相比可忽略不计；
m) 瓦块表面的形状用矩形代替。求
解雷诺微分方程的边界条件为：
1)润滑油人口处的供油压力为P(z一0，2)一0；
2)流人的润滑油完全充满润滑间隙，不影响润滑间隙中压力的产生；
3)滑动轴承侧面的环境压力为P(z，z一0±0．5B)一0；
4)在压力区的末端润滑油的压力为p(z—L，z)一0。运用流体动压滑动轴承理论相似性原理，形成诸如承载能 力、摩擦特性和润滑油流量等类似的无量
纲参数。
利用参数的相似性原理，可以减少GB／T 23891．2—2009中雷诺微分方程必要的数值解的个数。原则上，如果其 他的解能够满足GB／T 23891本部分中给定的条件并且有相应的数值精度，它们也是允许的。
GB／T 23891．3中给出了计算结果是否满足滑动轴承功能的许用值，特殊情况下，许用值允许偏离
GB／T 23891．3的规定以适用特定应用场合。
| 和图1。 | 表1符号、术语和单位 | |
|---|---|---|
| 符号 | 定义 | 单位 |
| A | 轴承室散热面积 | m2 |
| B | 单个瓦块的宽度 | |
| Cp | 润滑油比热容(p一常量) | J／(kg·K) |
| C，d | 楔形深度 | |
| D | 平均滑动直径 | |
| D | 止推瓦块轴承内径 | |
| D。 | 止推瓦块轴承外径 | |
| f’ | 摩擦特性值 | 1 |
| fi | 止推瓦块轴承摩擦特性值 | l F |
| 轴承载荷(额定载荷) | N | |
| F。 | 承载能力特性值 | l |
| R | 止推瓦块轴承承载能力特性值 | 1 |
| F。。 | 静载荷 | N |
| ^ | 润滑油膜厚度 | |
| h1．。 | 运行中最小许用油膜厚度 | |
| h“。口 | 过渡到混合摩擦润滑时最小许用油膜厚度 | |
| ^一 | 最小油膜厚度(最小油楔间晾高度) | |
| k | 与轴承B×L×z乘积相关的传热系数 | W／(m2·K) |
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| 表1(续) | ||
|---|---|---|
| 符号 | 定义 | 单位 |
| h | 外部传热系数(与轴承室散热面积A相关) W／(m2·K) |
|
| Z_d | 楔面长度 | |
| L | 单个瓦块沿周向的长度 | |
| M | 混合系数 1 |
|
| N | 止推环旋转频率(转速) S |
l |
| 声 | 局部润滑油膜压力 | Pa |
| 声 | 比压P—F／(B×L×Z) | Pa A |
| 轴承的摩擦功耗或热流量中产生的功耗 | W 声血 | |
| 最大许用比压 | Pa | |
| Pth衄b | 环境散热的热流量 | W |
| P^L | 润滑浊中的热流量 | W |
| Q | 润滑油流量 | m3／S |
| Q。 | 润滑油流量特性值 | 1 |
| Qo | 相对润滑油流量Q。一B×h一×UXZ | m3／S Ql |
| 润滑间隙 | 人口处的润滑油流量(周向) m3／s Q： |
润滑间 |
| 隙人口处 | 的润滑油流量特性值 1 |
|
| Q 2 | 润滑间隙的出F1处的润滑油流量(周向) | m3／s |
| Q； | 润滑间隙出口处的润滑油流量特性值Q；一Q； | 1 |
| Q。 | 伽边的润滑油流量(径向) | |
| m3／s | ||
| Q； | 侧边流量特性值 | 1 |
| Re | 雷诺数 | 1 |
| Rz | 止推环的微观不平度十点高度 | “m |
| tmb | 环境温度 | ℃ |
| TB | 轴承温度 | ℃ |
| T0 | 等效润滑油膜温度 | ℃ |
| 丁叽 | 人口处的润滑油温度 | ℃ |
| L。 | 出口处的润滑油温度 | ℃ |
| k | 轴承最大许用温度 | ℃Tl |
| 润精间隙人口处的润滑油温度 | ℃T2 | |
| 润滑间隙出口处的润滑油温度 | ℃ | |
| U | 止推瓦块平均半径处的滑动速度 | m／s |
| “‘讪 | 轴承室周围空气的速度 | m／s |
| 运动方向(周向)坐标 | ||
| 润滑间隙厚度方向的坐标(轴向) 垂 | ||
| 直于运动方向的坐标(径向) | ||
| Z | 止推瓦块数 | l |
| _ | 润滑油的动力黏度 | Pa·S |
| 1 eff | 润滑油的等效动力黏度 | Pa·S P |
| 润滑油密度 | kg／m3 |
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1——楔形表面；
2——止推环； 3一一压力中心(支点)
4一润滑油槽；
5---一止推瓦块。
图1 瓦块止推轴承示意图
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5．1运行载荷
5．1．1概要计算是指必须和许用值相比较以保证轴承正常使用的运行参数(见图2)的数学计算。因此，各种 运行工况下确定的运行参数都应符合参数许用值的要求。所有连续的运行工况都应考虑。
5．1．2磨损如果相配合的轴承与轴颈表面完全被润滑油隔离开的话，则可防止轴承磨损。连续工作在混合润 滑工作条件下会导致系统过早失效。短时间工作在混合润滑工作条件下是不可避免的，例如滑动轴承 随机器一起启动和停止运行的时候，若频繁发生则会导致轴承的损害。重载荷时，应在启动和停止的低速阶段增加辅 助静压装置。只要磨损发生在限定的区域和时间内，且轴承无过载，磨合及对表面粗糙度及形位误差的自适应磨损是 允许的。一般情况下，特定的磨合过程可能会是有利的，这要视所选的材料而定。需要特别注意的是在止推瓦块轴承 设计时，磨损将急剧降低轴承的承载能力。
5．1．3机械载荷机械加载极限是由轴承材料的强度确定的。只要不削弱滑动轴承的正常功能，允许有少量永久 变形。
5．1．4热载荷热载荷的极限不仅取决于轴承材料的热稳定性，还和润滑油的温黏特性和老化趋势有关。
5．1．5外部影响计算滑动轴承的正常功能通常假设已经知道所有的连续运行情况F的运行条件。然而实际中，设
计阶段未知的干扰因素总会发生，并且不能预测。因此，在实际运行参数和允许的许用值之间应用一个适当的安全系 数是有必要的。干扰因素包括以下内容：
——干扰力(失稳、振动等)；
相对于理想几何形状的偏差(加工公差、装配偏差等)；
——外来的固体、液体和气体杂质对润滑油的污染；
——腐蚀、电腐蚀等。 更多的影响因素的内容见5．8。 见式(2)： Re一丛些 ≤Re。，由于在润滑间隙中保持层流是GB／T 23891本部分适用的必要条件，所以，应用雷诺数来校核本部分是否适用，
(2)
巩Ⅱ
对于hmm／c。。a一0．8的楔形间隙，根据文献E43，临界雷诺数的许用值Re。，一600。 滑动轴承的计算从已知的轴承尺寸和运行数据开始，包括： ——承载能力和润滑油膜厚度的关系；
——摩擦功耗；
——润滑油流量； 一热平衡。 上述这些因素都是相关的。可通过迭代的方法求解，迭代计算的 顺序见图2中的计算流程图。 为优化各个参数，可改变参数，也可以改变计算顺序。
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8传导冷却。
b 压力供油润滑冷却。
图2计算流程图
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GB／T 23891．1--2009／ISO 12131—1：2001 5．2承载能力 承载能力的参数是承载能力特性值F。，见式(3)：F。一蔽 杀‰ ㈩
公式(3)中，最小润滑油膜厚度h～和等效动力黏度％仍然未知。为避免通过最小润滑油膜厚度 ^～和等效轴承T。“进行双重迭代计算止推瓦块轴承，根据文献[5]，修改承载能力特性值F。如式(4)： R—F*×f粤1。 (4)
还给出了F；的一个近似函数。
5．3摩擦功耗在流体动压润滑止推轴承中的摩擦损耗是由摩擦特性值，’确定的，，’的定义如式(5)： h “‘5’ 厂一Pt×矿涵5盖厕
同理，为避免通过最小润滑油膜厚度h。。和等效轴承T“进行双重迭代计算止推瓦块轴承，根据文献[5]，将摩 擦特性值，’修改为矗，如式(6)：
r， (6) 摩擦功耗的计算如式(7)： P。一矗×堡独雩堕型f；2 j’x斧 (7)
矗作为最小相对油膜厚度h一／C。a和轴承相对宽度B／L的函数，其值可通过GB／T23891．2 2009中所给公式得到，求出^值，即可计算摩擦功耗只。
5．4润滑油流量供给至轴承中的润滑油形成一层润滑油膜，将滑动表面隔离。同时，润滑油还负有带走在轴承中产 生的摩擦热的任务(见图3)。随着止推环的转动，润滑油被带向润滑间隙收敛的方向，产生越来越大的压力。因此， 迫使部分润
滑油从各个瓦块的侧面流出来。这里假设从侧面流出的润滑油近似相等。
Q2／z，7"z
1——楔形表面；
2——支撑表面。
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在图3中：
其中
Q o—B×h1。×U×Z (12) 参数Q；一Q，／Q。和Q； 一Q3／Q。可以从OB／T23891．2 2009中得到。它们是几何尺寸(B／L，z。d／ L=0．75)和最小相对润滑油膜厚度h／c“的函数。GB／T23891．2 2009中还给出了Q：和Q；
的近似函数。这里假设从瓦块侧边泄出的润滑油流量Q。的温度为(T。+L)／2，从瓦块末端泄出的润滑油流量 Q：的温度为T：。
5．5热平衡
5．5．1概述滑动轴承的温度状况是从热平衡状态计算得到
的。
热流量P¨产生于轴承的摩擦功耗P r，这些热量通过轴承室散发到环境中，以及通过轴承中润滑油的散热带走。 在实际应用中，两种散热方式的其中一种占主导地位。通常是通过忽略另外一种散热 方式来获得额外的安全系数。 即假设：
a)在无压力润滑轴承(自润滑、自然冷却)中，热量主要以传导的方式耗散到大气环境中：
Pf—Pm，。b
b)在压力润滑轴承(循环润滑)中热量主要通过润滑油(再冷却)散去：
P{==Pm．L
5．5．2传导散热
5．5．1a)中，热量通过传导的方式耗散，即先通过热传导和轴承室内润滑油的循环，然后通过轴承室的表面以 辐射和传导的方式传递到环境中。根据参考文献[73，这个热量耗散的复杂过程可以概括如 式(13)：
其中
k^一15 W／(m2·K)～20 W／(m2·K)
或者用速度”。。。1>1．2 m／s的空气对轴承室进行通风，这时
其中，”。。的单位为m／s，ka的单位为W／(m2·K)。
注：参数k一既表征轴承室内的热传递，又用来表征轴承室向大气环境中的传导和辐射。通过轴颈散发的由摩擦产生的热量，相 对于众多的传热形式是很小的一部分，可忽略不计。
利用式(15)：
通过使式(7)中的Pr和式(13)中的Pm，一相等，得到轴承的等效温度，见式(16)：
在这种情况下，轴承的温度见式(17)：
TB=LⅡ (17)
如果轴承室的散热面积A未知，可用式(18)、式(19)做近似计算。
8
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