王玉璽，楊輝

(桂林理工大學 機械與控制工程學院，廣西 桂林 541004)

0 引言

傳統(tǒng)的油潤滑滑動軸承摩擦副由于潤滑油的粘性高，軸承在高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量的熱量，影響了軸承的熱穩(wěn)定性，并且在運轉(zhuǎn)過程中泄漏的潤滑油會對自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生很大的威脅，尤其是從輪船、艦艇等海上機械所泄漏的油液直接污染了所在水域的生態(tài)環(huán)境，會對水生物產(chǎn)生毀滅性的影響。水潤滑軸承是以自然水為潤滑介質(zhì)的一種軸承，它清潔無污染，而且節(jié)省能源。由于水的高比熱容、低粘度，使得水潤滑軸承在高速工況下的發(fā)熱量很小，并且水流還能帶走一部分熱量，因此水潤滑軸承有更高的冷卻效率。此外，水潤滑軸承的軸承間隙小，抗激振能力強，能提供較高的加工精度[1]。目前，水潤滑軸承技術(shù)已經(jīng)在各種船艦中得到了廣泛的應用，也逐漸成為當今精密高速加工行業(yè)的前沿研究課題。

1 水潤滑理論研究

由于水具有銹蝕和導電的特性、氣蝕等缺點，容易使材料產(chǎn)生腐蝕，所以要求水潤滑軸承的材料具有良好的耐腐蝕性和耐磨性以及較高的硬度，并且由于水的粘度較低所以在軸承間隙內(nèi)形成的水膜較薄并且容易破裂，這就要求水潤滑軸承材料具有很好的親水性和自潤滑性能[2]。水潤滑軸承間隙只有十幾微米，所以軸承材料要具有良好的彈性、吸震性，小的吸水膨脹性，并且要有較高的表面精度。目前水潤滑軸承的理論研究主要包括：流體仿真實驗、軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化、臺架試驗檢測性能等。

周廣武[3]等利用數(shù)值分析的方法研究了多溝槽橡膠合金軸承的溝槽半徑與水膜厚度、水膜壓力、軸承承載能力、摩擦系數(shù)之間的變化關(guān)系，結(jié)果表明隨著溝槽半徑的增大，水膜的厚度和摩擦系數(shù)也增大，水膜壓力減??；溝槽的過渡圓弧半徑越大，軸承承載能力越小。齊燁[4]等利用CFD的方法研究了軸承溝槽深度與潤滑油膜承載能力之間的關(guān)系，研究結(jié)果顯示在軸承間隙為4 μm的實驗條件下，當溝槽深度也為4 μm時潤滑油膜的承載能力最強，當溝槽的深度增加到一定數(shù)值時，潤滑水會產(chǎn)生逆流現(xiàn)象。這會削弱溝槽出口區(qū)的楔形效應，從而降低了軸承的承載能力。

鄧海峰[5]等研究了載荷、轉(zhuǎn)速對水潤滑橡膠軸承摩擦特性的影響，通過實驗測定了在清水、含沙量為0.5%、3%三種潤滑介質(zhì)下橡膠軸承在不同的轉(zhuǎn)速和載荷時的摩擦系數(shù)(圖1)，并用等重復雙因素方差分析法對實驗結(jié)果進行了分析。分析表明轉(zhuǎn)速和載荷對軸承摩擦性能都有著顯著的影響，轉(zhuǎn)速的影響更為顯著。隨著軸承的轉(zhuǎn)速和載荷的增加，軸承摩擦系數(shù)都呈現(xiàn)出明顯的先下降后趨于穩(wěn)定的趨勢。B.Dobrowolski等人也有相似的研究結(jié)果[6]。重慶大學的余江波[7]分析認為隨著軸承載荷和轉(zhuǎn)速的提高，水潤滑軸承會逐漸進入彈流潤滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)會明顯減小。

圖1 3種工況下水潤滑軸承的摩擦因數(shù)曲線

2 水潤滑軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

水潤滑軸承依據(jù)流體動壓形成水膜，即依靠軸與軸承之間的高速相對運動，將摩擦表面間的水帶入楔形間隙內(nèi)形成高壓水膜，從而將兩摩擦表面隔開，減少了軸承的摩擦磨損。水潤滑軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計重點和難點在于軸承襯套的結(jié)構(gòu)設(shè)計，目前普遍采用的軸套設(shè)計方式是在軸套內(nèi)側(cè)挖出偶數(shù)條等距的軸向溝槽[8]。Pai等[9-10]分別對帶4個軸向凹槽與6個軸向凹槽的水潤滑軸承的穩(wěn)定性進行了研究，Tanamal[11]利用CFD的方法對帶軸向溝槽的水潤滑軸承的內(nèi)部流場進行了分析。軸向溝槽有利于減小軸承系統(tǒng)的徑向跳動量，但是同時也降低了軸承的承載能力。軸向溝槽有利于潤滑水膜的形成，能提高軸承的冷卻效率，而且潤滑水中的泥沙等雜質(zhì)會被水流帶到溝槽中排出，有利于提高軸承的抗磨粒磨損的性能。

目前普遍采用的板條結(jié)構(gòu)形式有3種：凹面型、平面型、凸面型(圖2)。蘭放[12]等利用ANSYS對3種板條結(jié)構(gòu)的水潤滑橡膠軸承進行了靜態(tài)接觸仿真分析，研究了橡膠軸承不同板條結(jié)構(gòu)形式對接觸壓力分布、變形的影響規(guī)律,結(jié)果顯示：在相同工況下凸面型、平面型、凹面型軸承的變形量和最大接觸壓力依次減小；平面型軸承在受載變形后具有更好的潤滑性能和承載能力，摩擦系數(shù)更小，應用前景更好。雖然凸面型軸承更容易產(chǎn)生彈性流體動壓潤滑，對泥沙的排泄能力更強，但是這種結(jié)構(gòu)降低了軸承的承載能力，增大了軸承在低速、重載時的摩擦系數(shù)[2]。

圖2 3種結(jié)構(gòu)形式的板條截面

楊俊[13]等對多溝槽橡膠軸承的一些設(shè)計細節(jié)進行了優(yōu)化設(shè)計，并設(shè)計了試驗臺架進行了驗證。在低轉(zhuǎn)速、低比壓的工況下，采用平面軸瓦結(jié)構(gòu)的橡膠軸承的摩擦系數(shù)明顯小于采用弧面軸瓦結(jié)構(gòu)的軸承，這與蘭放的研究結(jié)果相似。此外，在達到減震、耐磨和規(guī)定的使用壽命的同時，適當減小軸瓦橡膠層的厚度有利于軸承形成動壓潤滑，能明顯降低軸承的摩擦系數(shù)。根據(jù)流體動壓潤滑理論可知，工作中的滑動軸承存在一定的偏心。因此潤滑液膜的最大壓力點并不在軸承最低部，而是存在一定的偏心。如果將溝槽設(shè)計在軸承底部，將橡膠板條布置在兩邊稍偏心的位置，這樣不僅能提高軸承的承載能力，還有利于潤滑水膜的形成。

目前螺旋槽結(jié)構(gòu)的軸承受到廣泛關(guān)注，李金明[14]等對螺旋槽水潤滑橡膠軸承的流體域進行了仿真分析，結(jié)果表明在工作時螺旋溝槽內(nèi)部出現(xiàn)了顯著的漩渦效應，這有利于泥沙等雜質(zhì)的排出，能夠減小磨損。周廣武[15]等通過螺旋槽和直槽水潤滑橡膠合金軸承的摩擦學性能對比實驗，也得到了相似的結(jié)論。經(jīng)過進一步研究[16]發(fā)現(xiàn)：跟直槽結(jié)構(gòu)相比，螺旋槽軸承的應力分布更寬(圖3)，軸承系統(tǒng)的跳動量更小，并且橡膠襯層的厚度越薄，螺旋槽軸承的系統(tǒng)跳動量越小。

圖3 直槽與螺旋槽的軸承結(jié)構(gòu)

3 新型水潤滑軸承材料

根據(jù)水潤滑的特點，水潤滑軸承材料不僅應該具有較強的吸震性和承載能力以及良好的親水性和自潤滑性能，還要求材料具有良好的耐腐蝕性、耐磨性、磨粒嵌藏性。鐵梨木是傳統(tǒng)的水潤滑軸承材料，曾經(jīng)廣泛用于船舶的尾軸軸承上。它的木質(zhì)緊密硬度大，具有良好的自潤滑性能和親水性，但由于其日漸稀缺，所以逐漸被新型材料所替代。而金屬材料由于容易銹蝕以及減震性能和親水性差等原因，也不適合做水潤滑軸承材料。目前較常使用的軸承材料主要有：陶瓷材料、石墨材料、改性橡膠材料、復合聚合物材料等。

3.1 陶瓷與石墨材料

陶瓷材料耐高溫、耐腐蝕、比強度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小，是一種較為理想的軸承材料。但是陶瓷脆性大，抗震性能和對磨粒的嵌藏性能差，使得陶瓷抗磨粒磨損的能力弱。此外，陶瓷的硬度高于一般的金屬材料，這加劇了軸系的磨損。王蘊[17]等對水潤滑陶瓷軸承的研究情況進行了總結(jié)，并對幾種陶瓷材料的摩擦性能進行了比較，指出：與Al2O3、ZrO2和Si3N4等相比,以SiC為主要材料的陶瓷軸承在磨損過程中會產(chǎn)生SiO2,而SiO2具有良好的潤滑作用，當它附著在摩擦副表面時能夠增加摩擦副表面的光潔度，能降低軸承的摩擦系數(shù)，還有利于形成潤滑水膜。

石墨耐高溫、耐腐蝕、自潤滑性和化學穩(wěn)定性好，但是當用海水作為潤滑液時容易引起石墨對偶件電極的電位腐蝕，不宜用在造價昂貴的艦船上。常用的石墨軸承材料有：浸酚醛樹脂石墨，浸呋喃樹脂石墨和純碳石墨等。張金慧[18]等研制了一種浸銀石墨材料，這種新型材料的抗壓強度和抗折強度是浸酚醛樹脂石墨材料的2倍，并且摩擦系數(shù)更小，耐磨性更好。試驗數(shù)據(jù)表明：這種浸銀石墨材料在不同的轉(zhuǎn)速條件下的磨損量是浸酚醛樹脂石墨的16%～42%，有很大的應用前景。

3.2 改性橡膠材料

橡膠材料的吸震性和加工工藝性都比較好，有良好的摩擦磨損性能。橡膠軸承在工作時產(chǎn)生的彈性變形能對軸承進行自動調(diào)位，更有利于潤滑水膜的形成。此外，橡膠軸承有很強的磨粒嵌藏性，在海水潤滑條件下的表現(xiàn)優(yōu)異。但橡膠軸承不耐高溫，冷卻性能差，承載能力低，這些缺點限制了橡膠軸承的應用，通過在橡膠材料中加入碳纖維、石墨等對橡膠進行混煉改性來改善其性能是橡膠材料的主要研究方向。

趙華松[19]等在橡膠中加入適量的碳纖維復合后得到一種橡膠-碳纖維復合材料，這種新型軸承材料既擁有橡膠材料的吸震性和磨粒嵌藏性能，又擁有碳纖維的高強度和自潤滑特性，在相同試驗條件下，復合橡膠的摩擦系數(shù)和磨痕與普通橡膠相比要小。加入碳纖維進行改性之后，改善了普通橡膠的摩擦、磨損性能，對于延長水潤滑橡膠軸承的使用壽命有一定的效果。

肖科[20]等用丁晴橡膠和陶土為基體材料，加入硫化劑、促進劑和一定量的納米級氧化鋅晶須(ZnOW)得到一種新型軸承材料，并通過試驗得出：隨著ZnOW的含量的增加，材料的扯斷強度和定伸強度都隨之加強，摩擦系數(shù)隨之下降。當ZnOW的含量達到2%時材料的摩擦系數(shù)最小，當ZnOW的含量達到4%時，材料的扯斷強度和定伸強度達到最大值，這時材料摩擦系數(shù)略有增加，但材料的耐磨性增強。研究表明：加入ZnOW改性之后可以明顯提高橡膠材料的摩擦學性能和承載能力。

秦紅玲[21]等以丁腈橡膠為基體，添加UHMWPE(超高分子量聚乙烯)和少量的石墨、二硫化鉬等減摩材料混煉改性，得到Rubber/UHMWPE復合材料，命名為SPB-N。SPB-N的物理力學特性如表1所示，這種新材料的性能優(yōu)異，各項指標都符合中國船標CB/T769—2008和美國軍標MIL-DTL-17901C(SH)[22]的相關(guān)要求。而且用SPB-N制成的軸承的減振降噪性好，只有在極端工況下才會產(chǎn)生明顯的摩擦噪聲，噪聲污染小。

表1 Rubber/UHMWPE材料的物理力學特性

3.3 復合聚合物材料

賽龍是一種新型的水潤滑軸承材料，它的強度高、耐磨損，耐腐蝕性和吸震性能好[23]。王優(yōu)強[24]等對水潤滑賽龍軸承的材料和特性進行了綜述。賽龍材料的自潤滑性能和耐磨性極強，在相同的磨損試驗條件下，賽龍材料的磨損量分別是橡膠材料的1/2，聚四氟乙烯的1/10，銅的1/100。賽龍材料的彈性高，抵抗塑性變形和沖擊載荷的能力強。

飛龍材料的耐磨性和自潤滑性能良好，摩擦因數(shù)低且耐高溫，主要用于渦輪鉆子頭部軸承和舵軸承等。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是指分子量在100萬～400萬的聚乙烯。UHMWPE的耐磨性、吸震性、自潤滑性良好，吸水膨脹性低，是一種新型的可回收利用的工程塑料。段海濤[25]等利用自主研制的環(huán)-塊摩擦磨損試驗機，對賽龍、飛龍、超高分子量聚乙烯3種材料在不同的潤滑介質(zhì)中的摩擦學性能進行了對比研究。所選用的3種材料的材料性能如表2所示，選用的潤滑介質(zhì)分別是淡水和人工海水。

表2 試驗材料及材料性能

把3種材料分別與GCr15組成摩擦副，在800 r/min的工況下進行試驗，得到3組摩擦副在不同的潤滑介質(zhì)下摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線圖(圖4)以及運轉(zhuǎn)15 min后的磨損體積的對數(shù)函數(shù)柱狀圖(圖5)。從圖4、圖5可以看出，在兩種介質(zhì)中，UHMWPE/Cr15摩擦副的摩擦系數(shù)都最小,同時UHMWPE的磨損體積也最小，結(jié)果表明UHMWPE的摩擦磨損性能最優(yōu)。

圖4 3組摩擦副在不同的潤滑介質(zhì)下摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線

圖5 3組摩擦副在不同的潤滑介質(zhì)下的磨損體積對數(shù)函數(shù)柱狀圖

4 結(jié)語

水潤滑軸承雖然有結(jié)構(gòu)簡單易于加工成型、高速工況下發(fā)熱量小、清潔無污染等優(yōu)點，但同時也有承載能力低、摩擦磨損機理復雜、干摩擦和邊界摩擦嚴重等缺陷。水潤滑軸承技術(shù)研究所面臨的問題及解決方案有以下幾個方面：

1) 由于水潤滑軸承的軸承間隙小、潤滑水膜薄，潤滑液的流動空間小且剪切應力較高，容易導致軸承局部溫升過高而影響軸承系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。此外，在這樣工況下潤滑液的流動情況復雜，不能再應用傳統(tǒng)的層流假設(shè)理論進行分析，只有通過設(shè)計新的實驗研究水在狹小的軸承間隙內(nèi)的流場分布，探究水潤滑高速軸承潤滑水膜的形成機理，驗證在高速、低粘度、紊流狀態(tài)下形成穩(wěn)定潤滑的本質(zhì)和必要條件，為水潤滑軸承的研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。

2) 水潤滑軸承在不同轉(zhuǎn)速和載荷條件下的摩擦方式不同，在低速時主要的摩擦方式是干摩擦，高速輕載時主要是邊界摩擦。針對不同的工作環(huán)境，設(shè)計合適的實驗方案，研究不同的水潤滑軸承材料在干摩擦和邊界摩擦下的摩擦磨損機理，研究減少摩擦的方法。此外，也可以通過優(yōu)化設(shè)計來改善軸承的摩擦學性能。在摩擦副表面設(shè)計一些具有一定形狀的表面織構(gòu)，從而達到改善潤滑液流動狀態(tài)的目的，減少軸承的干摩擦時間。

3) 橡膠材料的吸震性和抗磨粒磨損的性能好，橡膠軸承廣泛應用于船舶等海上機械中?？梢酝ㄟ^混煉改性等方法提高橡膠材料的親水性和自潤滑性能，提高水潤滑橡膠軸承的使用壽命，拓寬水潤滑橡膠軸承的應用范圍。

4) 軸承襯套溝槽的結(jié)構(gòu)對潤滑液的流動有著至關(guān)重要的影響，對軸承襯套的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，找到最佳的溝槽深度和寬度，設(shè)計出最優(yōu)的布局方式，使之不僅有利于潤滑膜的形成，并且能夠盡可能地增加軸承的承載能力。

5) 由于水對金屬材料有銹蝕的作用，限制了水潤滑軸承的應用和普及，可以通過添加添加劑改善潤滑液的特性，在潤滑液中加入防銹添加劑，使新潤滑液既具有水的低粘度、高比熱容的優(yōu)點，又不會腐蝕軸承材料。但要確保新型潤滑劑要容易水解，對環(huán)境的污染小。

水潤滑軸承技術(shù)的研究與應用符合生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展要求，有利于節(jié)約貴重金屬，有利于節(jié)約能源，保護環(huán)境。水潤滑軸承技術(shù)簡化了軸承系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，便于對軸承系統(tǒng)進行安裝和維護，提高了軸承在極端工況下的使用壽命和工作效率。水潤滑軸承技術(shù)的越來越廣泛的應用，必將產(chǎn)生豐厚的經(jīng)濟和社會效益。