水润滑轴承技术进展

王玉玺，杨辉

(桂林理工大学 机械与控制工程学院，广西 桂林 541004)

0 引言

传统的油润滑滑动轴承摩擦副由于润滑油的粘性高，轴承在高速运转时会产生大量的热量，影响了轴承的热稳定性，并且在运转过程中泄漏的润滑油会对自然生态环境产生很大的威胁，尤其是从轮船、舰艇等海上机械所泄漏的油液直接污染了所在水域的生态环境，会对水生物产生毁灭性的影响。水润滑轴承是以自然水为润滑介质的一种轴承，它清洁无污染，而且节省能源。由于水的高比热容、低粘度，使得水润滑轴承在高速工况下的发热量很小，并且水流还能带走一部分热量，因此水润滑轴承有更高的冷却效率。此外，水润滑轴承的轴承间隙小，抗激振能力强，能提供较高的加工精度[1]。目前，水润滑轴承技术已经在各种船舰中得到了广泛的应用，也逐渐成为当今精密高速加工行业的前沿研究课题。

1 水润滑理论研究

由于水具有锈蚀和导电的特性、气蚀等缺点，容易使材料产生腐蚀，所以要求水润滑轴承的材料具有良好的耐腐蚀性和耐磨性以及较高的硬度，并且由于水的粘度较低所以在轴承间隙内形成的水膜较薄并且容易破裂，这就要求水润滑轴承材料具有很好的亲水性和自润滑性能[2]。水润滑轴承间隙只有十几微米，所以轴承材料要具有良好的弹性、吸震性，小的吸水膨胀性，并且要有较高的表面精度。目前水润滑轴承的理论研究主要包括：流体仿真实验、轴承结构优化、台架试验检测性能等。

周广武[3]等利用数值分析的方法研究了多沟槽橡胶合金轴承的沟槽半径与水膜厚度、水膜压力、轴承承载能力、摩擦系数之间的变化关系，结果表明随着沟槽半径的增大，水膜的厚度和摩擦系数也增大，水膜压力减小；沟槽的过渡圆弧半径越大，轴承承载能力越小。齐烨[4]等利用CFD的方法研究了轴承沟槽深度与润滑油膜承载能力之间的关系，研究结果显示在轴承间隙为4 μm的实验条件下，当沟槽深度也为4 μm时润滑油膜的承载能力最强，当沟槽的深度增加到一定数值时，润滑水会产生逆流现象。这会削弱沟槽出口区的楔形效应，从而降低了轴承的承载能力。

邓海峰[5]等研究了载荷、转速对水润滑橡胶轴承摩擦特性的影响，通过实验测定了在清水、含沙量为0.5%、3%三种润滑介质下橡胶轴承在不同的转速和载荷时的摩擦系数(图1)，并用等重复双因素方差分析法对实验结果进行了分析。分析表明转速和载荷对轴承摩擦性能都有着显著的影响，转速的影响更为显著。随着轴承的转速和载荷的增加，轴承摩擦系数都呈现出明显的先下降后趋于稳定的趋势。B.Dobrowolski等人也有相似的研究结果[6]。重庆大学的余江波[7]分析认为随着轴承载荷和转速的提高，水润滑轴承会逐渐进入弹流润滑状态，摩擦系数会明显减小。

图1 3种工况下水润滑轴承的摩擦因数曲线

2 水润滑轴承结构设计

水润滑轴承依据流体动压形成水膜，即依靠轴与轴承之间的高速相对运动，将摩擦表面间的水带入楔形间隙内形成高压水膜，从而将两摩擦表面隔开，减少了轴承的摩擦磨损。水润滑轴承的结构设计重点和难点在于轴承衬套的结构设计，目前普遍采用的轴套设计方式是在轴套内侧挖出偶数条等距的轴向沟槽[8]。Pai等[9-10]分别对带4个轴向凹槽与6个轴向凹槽的水润滑轴承的稳定性进行了研究，Tanamal[11]利用CFD的方法对带轴向沟槽的水润滑轴承的内部流场进行了分析。轴向沟槽有利于减小轴承系统的径向跳动量，但是同时也降低了轴承的承载能力。轴向沟槽有利于润滑水膜的形成，能提高轴承的冷却效率，而且润滑水中的泥沙等杂质会被水流带到沟槽中排出，有利于提高轴承的抗磨粒磨损的性能。

目前普遍采用的板条结构形式有3种：凹面型、平面型、凸面型(图2)。兰放[12]等利用ANSYS对3种板条结构的水润滑橡胶轴承进行了静态接触仿真分析，研究了橡胶轴承不同板条结构形式对接触压力分布、变形的影响规律,结果显示：在相同工况下凸面型、平面型、凹面型轴承的变形量和最大接触压力依次减小；平面型轴承在受载变形后具有更好的润滑性能和承载能力，摩擦系数更小，应用前景更好。虽然凸面型轴承更容易产生弹性流体动压润滑，对泥沙的排泄能力更强，但是这种结构降低了轴承的承载能力，增大了轴承在低速、重载时的摩擦系数[2]。

图2 3种结构形式的板条截面

杨俊[13]等对多沟槽橡胶轴承的一些设计细节进行了优化设计，并设计了试验台架进行了验证。在低转速、低比压的工况下，采用平面轴瓦结构的橡胶轴承的摩擦系数明显小于采用弧面轴瓦结构的轴承，这与兰放的研究结果相似。此外，在达到减震、耐磨和规定的使用寿命的同时，适当减小轴瓦橡胶层的厚度有利于轴承形成动压润滑，能明显降低轴承的摩擦系数。根据流体动压润滑理论可知，工作中的滑动轴承存在一定的偏心。因此润滑液膜的最大压力点并不在轴承最低部，而是存在一定的偏心。如果将沟槽设计在轴承底部，将橡胶板条布置在两边稍偏心的位置，这样不仅能提高轴承的承载能力，还有利于润滑水膜的形成。

目前螺旋槽结构的轴承受到广泛关注，李金明[14]等对螺旋槽水润滑橡胶轴承的流体域进行了仿真分析，结果表明在工作时螺旋沟槽内部出现了显著的漩涡效应，这有利于泥沙等杂质的排出，能够减小磨损。周广武[15]等通过螺旋槽和直槽水润滑橡胶合金轴承的摩擦学性能对比实验，也得到了相似的结论。经过进一步研究[16]发现：跟直槽结构相比，螺旋槽轴承的应力分布更宽(图3)，轴承系统的跳动量更小，并且橡胶衬层的厚度越薄，螺旋槽轴承的系统跳动量越小。

图3 直槽与螺旋槽的轴承结构

3 新型水润滑轴承材料

根据水润滑的特点，水润滑轴承材料不仅应该具有较强的吸震性和承载能力以及良好的亲水性和自润滑性能，还要求材料具有良好的耐腐蚀性、耐磨性、磨粒嵌藏性。铁梨木是传统的水润滑轴承材料，曾经广泛用于船舶的尾轴轴承上。它的木质紧密硬度大，具有良好的自润滑性能和亲水性，但由于其日渐稀缺，所以逐渐被新型材料所替代。而金属材料由于容易锈蚀以及减震性能和亲水性差等原因，也不适合做水润滑轴承材料。目前较常使用的轴承材料主要有：陶瓷材料、石墨材料、改性橡胶材料、复合聚合物材料等。

3.1 陶瓷与石墨材料

陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、比强度高、耐磨性好、热膨胀系数小，是一种较为理想的轴承材料。但是陶瓷脆性大，抗震性能和对磨粒的嵌藏性能差，使得陶瓷抗磨粒磨损的能力弱。此外，陶瓷的硬度高于一般的金属材料，这加剧了轴系的磨损。王蕴[17]等对水润滑陶瓷轴承的研究情况进行了总结，并对几种陶瓷材料的摩擦性能进行了比较，指出：与Al2O3、ZrO2和Si3N4等相比,以SiC为主要材料的陶瓷轴承在磨损过程中会产生SiO2,而SiO2具有良好的润滑作用，当它附着在摩擦副表面时能够增加摩擦副表面的光洁度，能降低轴承的摩擦系数，还有利于形成润滑水膜。

石墨耐高温、耐腐蚀、自润滑性和化学稳定性好，但是当用海水作为润滑液时容易引起石墨对偶件电极的电位腐蚀，不宜用在造价昂贵的舰船上。常用的石墨轴承材料有：浸酚醛树脂石墨，浸呋喃树脂石墨和纯碳石墨等。张金慧[18]等研制了一种浸银石墨材料，这种新型材料的抗压强度和抗折强度是浸酚醛树脂石墨材料的2倍，并且摩擦系数更小，耐磨性更好。试验数据表明：这种浸银石墨材料在不同的转速条件下的磨损量是浸酚醛树脂石墨的16%～42%，有很大的应用前景。

3.2 改性橡胶材料

橡胶材料的吸震性和加工工艺性都比较好，有良好的摩擦磨损性能。橡胶轴承在工作时产生的弹性变形能对轴承进行自动调位，更有利于润滑水膜的形成。此外，橡胶轴承有很强的磨粒嵌藏性，在海水润滑条件下的表现优异。但橡胶轴承不耐高温，冷却性能差，承载能力低，这些缺点限制了橡胶轴承的应用，通过在橡胶材料中加入碳纤维、石墨等对橡胶进行混炼改性来改善其性能是橡胶材料的主要研究方向。

赵华松[19]等在橡胶中加入适量的碳纤维复合后得到一种橡胶-碳纤维复合材料，这种新型轴承材料既拥有橡胶材料的吸震性和磨粒嵌藏性能，又拥有碳纤维的高强度和自润滑特性，在相同试验条件下，复合橡胶的摩擦系数和磨痕与普通橡胶相比要小。加入碳纤维进行改性之后，改善了普通橡胶的摩擦、磨损性能，对于延长水润滑橡胶轴承的使用寿命有一定的效果。

肖科[20]等用丁晴橡胶和陶土为基体材料，加入硫化剂、促进剂和一定量的纳米级氧化锌晶须(ZnOW)得到一种新型轴承材料，并通过试验得出：随着ZnOW的含量的增加，材料的扯断强度和定伸强度都随之加强，摩擦系数随之下降。当ZnOW的含量达到2%时材料的摩擦系数最小，当ZnOW的含量达到4%时，材料的扯断强度和定伸强度达到最大值，这时材料摩擦系数略有增加，但材料的耐磨性增强。研究表明：加入ZnOW改性之后可以明显提高橡胶材料的摩擦学性能和承载能力。

秦红玲[21]等以丁腈橡胶为基体，添加UHMWPE(超高分子量聚乙烯)和少量的石墨、二硫化钼等减摩材料混炼改性，得到Rubber/UHMWPE复合材料，命名为SPB-N。SPB-N的物理力学特性如表1所示，这种新材料的性能优异，各项指标都符合中国船标CB/T769—2008和美国军标MIL-DTL-17901C(SH)[22]的相关要求。而且用SPB-N制成的轴承的减振降噪性好，只有在极端工况下才会产生明显的摩擦噪声，噪声污染小。

表1 Rubber/UHMWPE材料的物理力学特性

3.3 复合聚合物材料

赛龙是一种新型的水润滑轴承材料，它的强度高、耐磨损，耐腐蚀性和吸震性能好[23]。王优强[24]等对水润滑赛龙轴承的材料和特性进行了综述。赛龙材料的自润滑性能和耐磨性极强，在相同的磨损试验条件下，赛龙材料的磨损量分别是橡胶材料的1/2，聚四氟乙烯的1/10，铜的1/100。赛龙材料的弹性高，抵抗塑性变形和冲击载荷的能力强。

飞龙材料的耐磨性和自润滑性能良好，摩擦因数低且耐高温，主要用于涡轮钻子头部轴承和舵轴承等。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是指分子量在100万～400万的聚乙烯。UHMWPE的耐磨性、吸震性、自润滑性良好，吸水膨胀性低，是一种新型的可回收利用的工程塑料。段海涛[25]等利用自主研制的环-块摩擦磨损试验机，对赛龙、飞龙、超高分子量聚乙烯3种材料在不同的润滑介质中的摩擦学性能进行了对比研究。所选用的3种材料的材料性能如表2所示，选用的润滑介质分别是淡水和人工海水。

表2 试验材料及材料性能

把3种材料分别与GCr15组成摩擦副，在800 r/min的工况下进行试验，得到3组摩擦副在不同的润滑介质下摩擦系数随时间的变化曲线图(图4)以及运转15 min后的磨损体积的对数函数柱状图(图5)。从图4、图5可以看出，在两种介质中，UHMWPE/Cr15摩擦副的摩擦系数都最小,同时UHMWPE的磨损体积也最小，结果表明UHMWPE的摩擦磨损性能最优。

图4 3组摩擦副在不同的润滑介质下摩擦系数随时间的变化曲线

图5 3组摩擦副在不同的润滑介质下的磨损体积对数函数柱状图

4 结语

水润滑轴承虽然有结构简单易于加工成型、高速工况下发热量小、清洁无污染等优点，但同时也有承载能力低、摩擦磨损机理复杂、干摩擦和边界摩擦严重等缺陷。水润滑轴承技术研究所面临的问题及解决方案有以下几个方面：

1) 由于水润滑轴承的轴承间隙小、润滑水膜薄，润滑液的流动空间小且剪切应力较高，容易导致轴承局部温升过高而影响轴承系统运行的稳定性。此外，在这样工况下润滑液的流动情况复杂，不能再应用传统的层流假设理论进行分析，只有通过设计新的实验研究水在狭小的轴承间隙内的流场分布，探究水润滑高速轴承润滑水膜的形成机理，验证在高速、低粘度、紊流状态下形成稳定润滑的本质和必要条件，为水润滑轴承的研究提供坚实的理论基础。

2) 水润滑轴承在不同转速和载荷条件下的摩擦方式不同，在低速时主要的摩擦方式是干摩擦，高速轻载时主要是边界摩擦。针对不同的工作环境，设计合适的实验方案，研究不同的水润滑轴承材料在干摩擦和边界摩擦下的摩擦磨损机理，研究减少摩擦的方法。此外，也可以通过优化设计来改善轴承的摩擦学性能。在摩擦副表面设计一些具有一定形状的表面织构，从而达到改善润滑液流动状态的目的，减少轴承的干摩擦时间。

3) 橡胶材料的吸震性和抗磨粒磨损的性能好，橡胶轴承广泛应用于船舶等海上机械中。可以通过混炼改性等方法提高橡胶材料的亲水性和自润滑性能，提高水润滑橡胶轴承的使用寿命，拓宽水润滑橡胶轴承的应用范围。

4) 轴承衬套沟槽的结构对润滑液的流动有着至关重要的影响，对轴承衬套的结构进行优化设计，找到最佳的沟槽深度和宽度，设计出最优的布局方式，使之不仅有利于润滑膜的形成，并且能够尽可能地增加轴承的承载能力。

5) 由于水对金属材料有锈蚀的作用，限制了水润滑轴承的应用和普及，可以通过添加添加剂改善润滑液的特性，在润滑液中加入防锈添加剂，使新润滑液既具有水的低粘度、高比热容的优点，又不会腐蚀轴承材料。但要确保新型润滑剂要容易水解，对环境的污染小。

水润滑轴承技术的研究与应用符合生态文明建设的发展要求，有利于节约贵重金属，有利于节约能源，保护环境。水润滑轴承技术简化了轴承系统的机械结构，便于对轴承系统进行安装和维护，提高了轴承在极端工况下的使用寿命和工作效率。水润滑轴承技术的越来越广泛的应用，必将产生丰厚的经济和社会效益。