ACM高分子材料水润滑推力轴承性能试验研究

陈文战

海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海201913

ACM高分子材料水润滑推力轴承性能试验研究

陈文战

海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海201913

船舶水润滑推力轴承以水代油作为润滑介质，有助于提高轴承机械效率、减少滑油污染。在水润滑推力轴承试验台上，开展ACM高分子材料推力轴承性能试验研究，探讨在不同试验工况下推力瓦端面摩擦系数、温度、水膜压力随轴承载荷、轴转速的变化趋势。研究表明：ACM推力瓦的摩擦系数为0.01～0.18，单位时间磨损量为0.383 μm/h；最高温度为42℃，出现在靠近推力瓦外径和出水边的位置；最大水膜压力为1.6 MPa，且水膜压力随轴转速的升高而下降，随轴向载荷的增加而升高。

水润滑推力轴承；性能试验；摩擦系数；温度；水膜压力；ACM高分子材料

0 引 言

船舶推力轴承通常是以油为工作介质，较易产生滑油泄漏和污染等问题。如果工作介质采用水，推力瓦采用非金属材料，将有助于防止滑油污染，提高推力轴承的机械效率，减少摩擦、磨损与振动。

目前，国内已有一些学校或单位开展了推力轴承以及推力轴承试验机的研究。向敬忠［1］利用光干涉法测量了可倾扇形瓦推力轴承的油膜厚度及轴瓦的变形，直接观察了轴瓦的整个油膜厚度场及过载时油膜破裂的全过程；张艳芹等［2］针对大尺寸扇形静压推力轴承润滑性能进行了数值分析；郅刚锁和朱均［3］建立了油膜综合可视化分析系统，进行了油膜数值计算结果的定性和定量分析；毕纯辉、丁述勇等［4－5］研究了水轮发电机推力轴承油膜厚度的在线监测技术。

但是当前国内对油润滑金属材料推力轴承的研究较多，而对水润滑推力轴承，尤其是高分子材料水润滑推力轴承的研究却较少。本文将在自行研制的水润滑推力轴承模拟试验装置上，开展ACM高分子材料推力轴承性能试验，探讨推力瓦端面摩擦系数、温度、水膜压力等参数与推力轴承载荷和转速等参数间的关系，为推力轴承材料筛选、轴承结构设计及优化提供参考。

1 水润滑推力轴承试验台

1.1 水润滑推力轴承试验台的组成

水润滑推力轴承试验台由变频电机、中间轴、轴承座、挠性联轴器、转矩转速测量仪、试验轴、推力轴承装置、弹簧加载装置以及数据采集与控制部分等组成，如图1所示。

推力轴承装置安装在试验台的尾部。测速传感器安装在变频电机中，变频电机与变频器组合用于调节试验转速。转速转矩仪一端通过中间轴与变频电机输出轴相连，另一端与试验轴相连，用于测量转速和摩擦力矩。工控计算机用于采集、存储、处理推力轴承的转速和摩擦力矩，以及水膜压力、温度等试验参数。

1.2 推力轴承装置

推力轴承装置是水润滑推力轴承试验台的重要组成部分，主要由水腔、轴向滑轨、推力瓦座、推力环、进水阀、出水阀以及热电偶或压力传感器等组成。推力瓦座、推力瓦等与水腔组装为一整体，在传动螺杆的驱动下，可在滑轨上移动，如图2所示。

推力瓦轴向载荷的施加通过旋转传动螺杆改变加载弹簧压缩量实现。加载弹簧的标定通过采用液压机加载装置，确定弹簧比压与压缩量之间的关系实现。

2 试验测试方法研究

水润滑推力轴承的推力环内、外径分别为40 mm和144 mm；推力瓦内、外径分别为64 mm和144 mm。推力瓦为固定平台斜面结构，斜面倾角为0.01°，平台宽度为5 mm（外径144 mm处），如图3所示。

推力环材料为2Cr13，推力瓦为ACM高分子材料。ACM高分子材料为一种新型材料，其成份为合成树脂+MoS2+PTFE+石墨+填料，具有良好的自润滑功能，产自英国，其物理性能如表1所示。

表1 ACM高分子材料物理性能Tab.1 Material physical properties of ACM

ACM高分子材料水润滑推力轴承性能试验研究的主要内容包括推力瓦端面摩擦系数、温度、水膜压力以及磨损的测试与分析。

2.1 推力瓦摩擦系数和温度测试

在测试推力瓦端面摩擦系数和温度时，将推力环固定在试验轴上，随轴一起旋转，同时，将推力瓦固定在推力瓦座上。

试验用推力轴承共有6个瓦块，在其中5个瓦块中各埋设1个热电偶，因此共有5个采集点。采集点1，2，3与轴心半径R之间的距离均为55 mm，分别位于进水边20°，8°和出水边8°的位置。采集点4，5与轴心半径R之间的距离分别为40 mm和64 mm，均位于出水边8°的位置，如图3所示。

考虑到在运行过程中推力瓦端面不可避免地会发生磨损，因此，将热电偶端部距推力瓦端面的距离定为1.5 mm。标定时，先将热电偶在推力瓦中安装好，然后浸入水中，测量瓦块的温度，同时，用水银温度计测量水温，以确定两者的对应关系［6］。

试验转速为60～1 000 r/min，轴向载荷为1～4 kN。测试前，向水腔中注水，用温度计测量入水口的温度以作为水腔的环境温度。

图3 推力瓦块及热电偶布置示意图Fig.3 Dimension of the thrust pad and arrangement of thermocouples

2.2 推力瓦端面水膜压力测试

在测试推力瓦端面水膜压力时，推力瓦和推力环的安装方式与测量摩擦系数、温度时相反，即将推力瓦固定在试验轴上随轴旋转，而将推力环固定在推力瓦座上，并在推力环端面上沿径向3个不同的半径位置（R=48，56，64 mm）埋设水膜压力传感器，传感器端部与推力环端面间的距离为1 mm；孔径为2 mm，如图4所示。这种安装方式可测出推力瓦沿某一半径圆周上的水膜压力分布状况［7］。

试验转速为：60～800 r/min，轴向载荷为1.5～3.5 kN，其余试验要求与上节相同。

图4 推力环端面水膜压力采集点布置图Fig.4 Arrangement of the confluence points for water film pressure on thrust ring

2.3 推力瓦磨损测试

进行推力瓦磨损试验是为了评价ACM材料的耐磨性。磨损试验的轴向负荷W=1.5 kN，转速n=500 r/min，试验时间t=64 h。试验结束后，在推力瓦中径处（104 mm）测量平台和斜面中点的磨损量。

3 试验结果与分析

3.1 推力瓦端面摩擦系数的测量与分析

由图5可见，当轴向载荷W=1.5，2.5，3.5 kN，轴转速n=50～100 r/min时，由于摩擦副处于干摩擦、半干摩擦或边界摩擦状态，此时水膜尚未建立，推力瓦与推力环之间存在局部接触，摩擦温度逐渐升高，因此摩擦系数明显上升；当轴转速n=100～120 r/min时，水膜开始建立，推力瓦与推力环之间的接触减少，因此摩擦系数急剧下降；随着轴转速的继续增大，水膜形成更加充分，摩擦系数持续下降；当转速n超过300 r/min后，环与瓦完全被水膜隔开，因此摩擦系数变化不大［8-9］。

在各种工况试验中，推力轴承的摩擦系数变化范围为0.01～0.18。

图5 摩擦系数f—转速n变化趋势Fig.5 Variation of friction coefficient f with bearing speed n

3.2 推力瓦端面温度的测量与分析

测量推力轴承推力瓦的端面温度主要是为了分析在稳态工况下，转速、轴向载荷与推力瓦端面温度之间的关系。每一个试验工况稳定30 min后，记录一次推力瓦温度值。

1）温度—速度特性

在轴向载荷分别为W=1.5，2.5，3.5 kN时，从低速到高速逐渐改变转速n的大小，测量各采集点的最高温度。温度与转速的变化状况如图6所示。

图6 推力瓦温度T—转速n变化趋势图Fig.6 Variation of temperature T with bearing speed n

由图6可见，当轴向载荷不变，轴转速n≤200 r/min时，随着转速的升高，推力瓦温度上升较快，原因是此时的摩擦系数较大，热流密度较高；当n＞200 r/min时，随着转速的提高，局部水膜开始建立，摩擦系数有所下降，但摩擦发热也有所增加，综合作用结果仍表现为推力瓦温度随转速的提高而持续上升。当n＞900 r/min时，水膜完全建立，此时的摩擦形式主要为液体（水）内摩擦，摩擦系数变化较小，因而温度波动不大，基本保持恒定。

2）温度—负荷特性

当轴转速 n＝400，700，1 000 r/min时，从小到大逐渐改变轴向载荷W，测量各采集点的温度。温度与转速的变化状况见图7。

由图7可见，当n不变，W≤3 kN时，随着轴向载荷W的增大，摩擦系数、水膜压力和热流密度也随之增大，推力瓦的温度持续升高。

图7 推力瓦温度T—载荷W变化趋势Fig.7 Variation of temperature T with bearing load W

温度—速度特性和温度—负荷特性试验结果表明，采集点4的温度最高，为42℃；采集点2的温度最低，为22℃。温度的高低主要与采集点的分布位置有关，即与采集点处的水膜压力和线速度有关。采集点4由于靠近推力瓦的外径和出水边，水膜压力和线速度较高，导致摩擦热较大，因此温度最高，而采集点2则相反［10-11］。

在上述试验工况下，推力瓦的最高温度（42℃）远低于其材料许用温度（140℃）。

3.3 推力瓦端面水膜压力的测量与分析

测量推力轴承端面水膜压力主要是为了分析稳态工况下，转速与轴向载荷、水膜压力间的关系。通过不同工况下水膜压力的测量，可以更全面、更深入地了解推力轴承端面水膜压力的形成机理，分析水膜压力的影响因素，揭示端面水膜压力与摩擦状态间的关系。

在轴向载荷W=1.5，2.5，3.5 kN条件下，从低到高逐渐改变转速。每个试验工况稳定运行10 min后，每个采集点记录一次水膜压力值。测试结果如图8所示。

图8 最大水膜压力—采集点、n和W的变化趋势Fig.8 Variation of water film pressure pmaxwith bearing speed n and load W on the confluence points

由图8可看出，各采集点的水膜压力随轴转速的升高而下降，随轴向载荷的增加而升高。

水膜压力与水膜厚度密切相关。当轴向载荷不变，轴转速n=50～100 r/min时，随着转速的提高，水膜厚度增加，水膜压力下降较快；当轴转速n＞100 r/min时，水膜压力下降较为平缓。

在上述试验工况下，推力瓦的最大水膜压力为1.6 MPa，远小于其材料的抗压强度（350 MPa）。

3.4 推力瓦磨损测量与分析

推力瓦的各瓦块平台与斜面处的磨损量测量结果如表2所示。

表2 推力轴承各瓦块磨损量Tab.2 Abrasion loss of the thrust pads

耐磨试验结果表明：

1）各瓦块的平台与斜面的磨损量不均匀，最大相差0.041 mm，这与安装误差、偏心、受力不均匀等有关。

2）瓦块平台的平均磨损量为0.023 mm，单位时间磨损量为0.383 μm/h，略大于斜面（平均磨损量为0.020 mm，单位时间磨损量为 0.333 μm/h）。平台与斜面磨损量的不同与瓦块结构有关。因平台处于瓦块的出水边，水膜压力、温度比较高，工作时，平台与推力环的接触机会高于斜面与推力环，因此平台磨损量较大。

4 结 论

1）在各种试验工况下，ACM推力瓦的摩擦系数为 0.01～0.18，单位时间磨损量为 0.383 μm/h。推力瓦的最高温度为42℃，远低于其材料许用温度（140℃）；最大水膜压力为1.6 MPa，远小于其材料的抗压强度（350 MPa）。说明该材料具有良好的工作性能。

2）推力瓦温度主要与采集点处的水膜压力和线速度有关。靠近推力瓦外径和出水边处，水膜压力和线速度较高，导致摩擦热较大，因此温度最高；靠近推力瓦内径和进水边处的结果则相反。

3）推力瓦水膜压力主要与转速、载荷有关，其随着转速的升高而下降，随着轴向载荷的增加而升高。

［1］向敬忠.微型推力轴承试验台的研制［J］.哈尔滨理工大学学报，1998（6）：21-23.

XIANG J Z.The development of the miniature thrust bearing test-bed［J］.Journal of Harbin University of Sicience and Technology，1998（6）：21-23.

［2］张艳芹，邵俊鹏，韩桂华，等.大尺寸扇形静压推力轴承润滑性能的数值分析［J］.机床与液压，2009，37（1）：69-71.

ZHANG Y Q，SHAO J P，HAN G H，et al.Numerical analysis of lubricating characteristic of large size sector hydrostatic thrust bearing［J］.Machine Tool and Hy⁃draulics，2009，37（1）：69-71.

［3］郅刚锁，朱均.巨型推力轴承油膜的综合可视化系统［J］.机械科学与技术，2002，21（2）：176-178.

ZHI G S，ZHU J.Comprehensive visual system about the oil film of the giant thrust.bearing［J］.Mechanical Science and Technology，2002，21（2）：176-178.

［4］毕纯辉，梁广太.水轮发电机推力轴承油膜厚度的在线监测［J］.电站系统工程，1995，11（5）：24-29.

BIN C H，LIANG G T.On-line oil film thickness moni⁃toring on hydro-generator thrust bearing［J］.Power Sys⁃tem Engineering，1995，11（5）：24-29.

［5］丁述勇.水轮发电机推力轴承油膜厚度在线监测对位系 统的设计［J］.应用科技，2005，32（7）：29-31.

DING S Y，Design of alignment system of oi-l film thickness on－line monitoring system［J］.Applied Sci⁃ence and Technology，2005，32（7）：29-31.

［6］GLAVATSKIH S B.A method of temperature monitor⁃ing in fluid film bearings［J］.Tribology International，2004，37（2）：143-148.

［7］OSMAN T A，DORID M，SAFAR Z S，et al.Experi⁃mental assessment of hydrostatic thrust bearing perfor⁃mance［J］.Tribology International，1996，29（3）：233-239.

［8］于晓东，陆怀民，郭秀荣，等.扇形推力轴瓦润滑性能的数值分析［J］.润滑与密封，2007，32（1）：123-125.

YU X D，LU H M，GUO X R，et al.Numerical analysis of lubricating characteristics of sector thrust bearing pad［J］.Lubrication Engineering，2007，32（1）：123-125.

［9］LIN J R.Surface roughness effect on the dynamic stiff⁃ness and damping characteristics of compensated hy⁃drostatic thrust bearings［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2000，40（11）：1671-1689.

［10］何春勇，刘正林，吴铸新.潜水泵水润滑推力轴承润滑性能数值分析［J］.润滑与密封，2010，35（8）：59-62，78.

HE C Y，LIU Z L，WU Z X.Numerical Analysis of Lu⁃bricating Property of Submersible Pump water－1ubri⁃cated Thrust Bearing［J］.Lubrication Engineering，2010，35（8）：59-62，78.

［11］胡朝阳，陈营利，薛志宏，等.大比压推力轴承性能试验研究［J］.舰船科学技术，2010，32（8）：146-147，161.

HU C Y，CHEN Y L，XUE Z H，et al.Experimental study on the performance of a large specific pressure thrust bearing［J］.Ship Science and Technology，2010，32（8）：146-147，161.

Test Study on the Performance of Water-Lubricated ACM Polymers Thrust Bearing

CHEN Wen-zhan

Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd，Shanghai 201913，China

Ship water-lubricated thrust bearing takes water instead of oil as its lubrication medium，leads to a more efficient performance with relatively low level of friction，abrasion，vibration and oil pollution.Based on our simulation test platform for water lubrication thrust bearing，the testing research of perfor⁃mance on ACM polymers thrust bearing was carried out.Together with the transformation of the bearing load and the shaft speed under different experimental conditions，changing trends of the friction coeffi⁃cient，water film pressure and temperature on the thrust pad were discussed.The results show that the fric⁃tion coefficient is varying between 0.01 and 0.18；abrasion in unit time is 0.383 μm/h；maximum tempera⁃ture locating in the area of circumferential direction and outlet of the thrust pad is 42℃；maximum water film pressure is 1.6 MPa；and the water film pressure decreases with the speed rises and increases with the bearing load increases.

water-lubricated thrust bearing；performance testing；friction coefficient；temperature；wa⁃ter-film pressure；ACM polymer

U664.2

A

1673－3185（2012）03－79－05

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.03.015

2011－11－14

陈文战（1969－），男，工程师。研究方向：船舶工程。

陈文战。

［责任编辑：喻 菁］