水潤滑軸承研究

1、 《精密制造與自動化》 6水潤滑軸承研究的進(jìn)展 郭 力 湖南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 (410082) 摘 要 介紹了水潤滑軸承材料、磨損機(jī)制的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用。介紹了在材料的選擇和改性上進(jìn)行研究，以提高該軸承的承載能力并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。對基本方程組求解算法進(jìn)行改進(jìn)以完善其潤滑機(jī)制; 分析了磨損機(jī)制以提高其極限范圍性能。所有這些研究對擴(kuò)大水潤滑軸承的應(yīng)用范圍， 具有普遍而重要的意義。 關(guān)鍵詞 水潤滑 軸承 軸承材料 磨損機(jī)制

2、隨著水潤滑軸承的逐步推廣應(yīng)用，改變了長期以來機(jī)械傳動系統(tǒng)中以金屬構(gòu)件組成摩擦副的傳統(tǒng)觀念， 不僅節(jié)省了大量油料和貴重的有色金屬，而且簡化了軸系結(jié)構(gòu)。 由于用水作潤滑介質(zhì)，所以具有無污染、來源廣泛、節(jié)能、難燃等優(yōu)點。如何利用天然水替代礦物油作為各種機(jī)械傳動和流體動力系統(tǒng)的工作介質(zhì)， 以達(dá)到高效節(jié)能和環(huán)境保護(hù)， 已引起普遍關(guān)注，并成為工業(yè)發(fā)達(dá)國家競相研究的一個熱點。 因此，通過對水潤滑軸承的系統(tǒng)研究，優(yōu)化軸承系統(tǒng)潤滑結(jié)構(gòu)，提高水潤滑軸承的潤

3、滑性能和承載能力，這將為我國船舶、水輪機(jī)、水泵等產(chǎn)品的更新?lián)Q代創(chuàng)造必要的配套技術(shù)和裝備。 1 水潤滑軸承的特點 傳統(tǒng)觀點將潤滑狀態(tài)分為：流體動壓潤滑、流體靜壓潤滑、彈性流體動壓潤滑、邊界潤滑和干摩擦5種。 由于水的黏度很低， 僅為油的1/100 ～ 1/20，低黏度的潤滑劑具有摩擦阻力小，摩擦因數(shù)低等優(yōu)點，但水膜的承載能力要比油膜低得多，很難形成流體動壓潤滑，當(dāng)在啟動和停機(jī)過程中運行速度有所變化時，往往會使軸承處于邊界潤滑和干摩擦狀態(tài)。

4、因此，對水潤滑軸承要求其能在邊界潤滑和干摩擦條件下安全運行，并具有低摩擦因數(shù)。 水潤滑軸承的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：①使用成本低。地球上有豐富的水資源。②環(huán)境友好。礦物油作潤滑介質(zhì)會對環(huán)境產(chǎn)生污染，而用水作為潤滑介質(zhì)，對環(huán)境沒有任何危害。③易維護(hù)保養(yǎng)。 水潤滑軸承的缺點：①由于水的沸點低，所以水潤滑軸承不能應(yīng)用于高溫環(huán)境中。②水尤其是海水的銹蝕作用較強(qiáng)，純水的導(dǎo)電性比普通潤滑油高 數(shù)億甚至數(shù)百億倍，它能引起絕大多數(shù)金屬材料的電化學(xué)腐蝕和高分子

5、材料的老化。③水的汽化壓力高很容易產(chǎn)生氣蝕，使材料受到侵蝕。 2 水潤滑軸承材料研究現(xiàn)狀 水潤滑軸承與傳統(tǒng)的軸承相比，在軸承材料選擇上存在較大差異。在 20 世紀(jì) 60 年代，利用木質(zhì)材料比較流行，但隨著社會的發(fā)展，天然的木質(zhì)資源是有限的，于是便出現(xiàn)了如陶瓷、塑料、橡膠、塑料合金以及尼龍等材料制作水潤滑軸承。 2.1 木材 用作軸承材料的木材主要是鐵梨木和層壓板類材料[1]。鐵梨木原產(chǎn)于南美洲，是天然樹種，木質(zhì)致密、堅硬、相對密度大，具

6、有自潤滑作用，曾經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海上船舶艉管軸承。其缺點是不宜用于經(jīng)常航行在含泥沙較多水域的船舶，且存在一定的水漲性。由于其資源日漸缺乏，價格昂貴，因而現(xiàn)在已很少使用[2]。 常用的層壓板類材料主要分為兩種：樺木層壓板和布質(zhì)層壓板。樺木層壓板具有耐磨耐水、耐腐蝕、摩擦因數(shù)小、形狀穩(wěn)定的特點。樺木制成層壓板替代鐵梨木制作軸承，成本低，且樺木層壓板比鐵梨木加工工藝簡便。但在相同的工況下，其磨損量較鐵梨木大，產(chǎn)生的摩擦熱也稍大些，對冷卻水量的要

7、求比鐵梨木高，材質(zhì)較脆，切削性能不如鐵梨木，目前用其作為水潤滑軸承的有 MCS-2-1 和MCS-2 兩種型號。 布質(zhì)層壓板是由細(xì)帆布浸漬熱固性的酚醛樹脂并添加適量的固體潤滑劑(石墨等)經(jīng)烘焙熱壓而成。有減摩抗磨作用，有在高負(fù)荷時摩擦因數(shù)反而降低的特性。它在水中的膨脹較小，用作水潤滑軸《精密制造與自動化》 8性較大，極易產(chǎn)生變形。加上摩擦表面彈性變形，導(dǎo)致楔形水膜的產(chǎn)生。但潤滑過程中是否會產(chǎn)生彈性流體動壓潤滑，仍有待理論和試驗證明。 對

8、于水潤滑軸承的壓力分布和水膜厚度計算，目前很難得到解析解。因此在建立了基本方程組后一般是求其數(shù)值解。而求解數(shù)值解的算法是整個計算過程的關(guān)鍵，以下簡要介紹各種算法的特點。 3.1 順解法 水潤滑軸承屬于薄膜潤滑，其厚度極小，而潤滑膜中的壓力很高，且膜厚越小，壓力越大。在雷諾方程中包含有膜厚(h)的三次方項， 所以膜厚的大小對壓力(p)的影響極大。 這種壓力對膜厚微小誤差的敏感性往往是造成數(shù)值解困難的重要原因。 在潤滑力學(xué)中，通常的求解順序

9、是：將給定的h 代入雷諾方程求出 p。當(dāng)有變形情況時，還需要根據(jù)求得的 p 由彈性變形方程重新計算 h，如此反復(fù)計算，使 p 趨于定值。這種解法稱為順解法，或稱直接迭代法[8]。這種解法簡便直觀，然而在軸承材料彈性較大的摩擦副中，由于壓力對膜厚微小變化的敏感性，易造成數(shù)值計算過程的不穩(wěn)定。 3.2 逆解法 既然壓力對膜厚微小變化極為敏感，那么就不難理解，若能通過雷諾方程求出給定 p 下的 h 值，這種算法將有良好的數(shù)值計算穩(wěn)定性，這就稱

10、作逆解法。 在逆解法中合理地劃分子域是值得探討的問題。學(xué)者 Dowson 和 Higginson[9]將求解域劃分為 5個子域， 而溫詩鑄[10]通過研究提出只需劃分為 3 個子域即可進(jìn)行求解。 Dowson 和 Higginson 使用逆解法求解彈流問題時，他們對高壓區(qū)潤滑膜壓力的修正是憑經(jīng)驗進(jìn)行的，帶有隨意性，且難于實現(xiàn)程序化。溫詩鑄等人提出并成功地應(yīng)用了變形矩陣的逆矩陣來修正高壓區(qū)的壓力分布。將逆解法成功用于計算水潤滑軸承中的研究

11、還比較少，在這方面，重慶大學(xué)[4]曾作過很多有益的嘗試。 3.3 多重網(wǎng)格法 在潤滑理論中，當(dāng)用有限差分法或有限元素法等數(shù)值方法解各種偏微分方程時，總是首先將求解區(qū)域劃分，然后將偏微分方程離散，導(dǎo)出一組線性或非線性的代數(shù)方程組，再直接或迭代解出該方程組。 在上述過程中， 選擇合適的網(wǎng)格是比較困難的。使用稀疏的網(wǎng)格得到的解誤差太大，而且對非線性問題常常得不到收斂解。使用稠密的網(wǎng)格則會導(dǎo)致代數(shù)方程組過大，計算時間過長。使用多重網(wǎng)格法就可以有

12、效地克服上述困難。已有文獻(xiàn)應(yīng)用多重網(wǎng)格法對水潤滑軸承進(jìn)行了計算，得到了壓強(qiáng)分布曲線和水膜厚度曲線，但其在變形方程中僅考慮了一維問題，對點接觸或面接觸問題還正處于研究中。 4 水潤滑軸承材料的磨損機(jī)制研究現(xiàn)狀 討論軸承的流體潤滑性能時，接近邊界潤滑范圍的性能也很重要。在水潤滑情況下，軸承與軸直接接觸的機(jī)會比油潤滑多，并且還必須考慮雜質(zhì)侵入問題，因此其磨耗特性很重要。 材料的磨損主要表現(xiàn)為４種形式：粘結(jié)磨耗、磨粒磨耗、表面疲勞磨耗和腐蝕磨耗

13、。在邊界潤滑和混合潤滑狀態(tài)下，粘結(jié)磨耗和磨粒磨耗占主導(dǎo)地位。水潤滑軸承材料與光滑表面接觸時，由于摩擦力的作用，使水潤滑軸承材料表面的微凹凸不平的地方發(fā)生變形，并被撕破、粘結(jié)脫落。為了解釋與各種因素呈復(fù)雜關(guān)系的磨耗試驗結(jié)果，近年來有些研究者[11]致力于建立一個磨耗的統(tǒng)一的理論。Marcus Allen[12]根據(jù)大量的試驗和前人的工作，提出了磨耗的“雙重機(jī)理” ，他認(rèn)為磨耗由兩部分構(gòu)成：①彈性變形磨耗(E–磨耗)：和軸接觸的軸承材料表面

14、變形區(qū)域較大，變形基本為彈性(粘彈性)變形，磨耗是由于表面應(yīng)力集中產(chǎn)生的“撕裂–拉伸”破壞而造成的；②塑性變形磨耗(P–磨耗)：表面變形區(qū)域小，接觸壓力高，變形是塑性的，磨耗屬于塑性破壞，是一種切割磨耗機(jī)制。顯然，上述的 E–磨耗和 P–磨耗與疲勞磨耗和磨損磨耗是一致的。 雖然“雙重機(jī)理”的理論可以定性地解釋一些現(xiàn)象，但不能定量地分析不同條件下的磨耗規(guī)律。 至于軸承材料耐磨性與其他性能的關(guān)系，從以上理論中可以看出，軸承材料的耐磨耗性與扯