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  1、水润滑轴承的研究现状及进展湖南大学材料科学与工程学院(410082徐海洋湖南生物机电职业技术学院(410126曹清香湖南机电职业技术学院(410682易勇【摘要】介绍了水润滑轴承材料、磨损机理的研究现状及应用。设计者们着重在材料的选择和改性上进行研究,以提高该轴承的承载能力并扩大其应用场景范围;对基本方程组求解算法进行改进以完善其润滑机理;分析磨损机理以提高其极限范围性能。所有这些研究对扩大该轴承的应用场景范围,具有普遍而重要的意义。关键词水润滑轴承材料磨损机理Present Status of R esearch and Development of W ater Lubricated B eari

  4、313文献标识码:A随着水润滑轴承的逐步推广应用,改变了长期以来物理运动系统中都是以金属构件组成摩擦副的传统观念,不仅节省了大量油料和贵重的有色金属,而且简化了轴系结构,避免因油泄漏污染水环境的状况。由于用水作润滑介质,所以有无污染、来源广泛、节省能源、安全、难燃等优点。因此,研究水润滑轴承对于提高机械的效率、减少摩擦、磨损等有着重要的意义。如何利用天然水替代矿物油作为各种物理运动和流体动力系统的工作介质,以达到高效率节约能源和环境保护,是物理运动系统研究领域的前沿,已引起普遍关注,并成为工业发达国家竞相研究的一个热点。据我国船检部门调查报告称:目前我国使用油润滑尾轴轴承的所有中型船只,每年要从尾轴

  5、轴承中泄漏出的润滑油总量约有312t。在长江中航行的大小船只有数万条,每年向长江泄漏的润滑油多得惊人,将会对长江水系导致非常严重的污染。又如目前锅炉用的除渣设备ZKG型重型除渣机的铜套轴承,长期浸在灰水中工作,磨损和腐蚀很严重,一定要经常更换轴承和其铜套。若替换成水润滑的尼龙轴承,则能正常工作多年而不要换掉轴承。因此,通过对水润滑轴承的系统研究,优化轴承系统润滑结构,提高水润滑轴承的润滑性能和承载能力,大幅度地减少或降低其摩擦、磨损、振动、噪声、无功能耗等问题,将为我国船舶、水轮机、水泵等产品的更新换代创造必要的配套技术和配套装备。MOVXDP TR,A;写入高8位值。MOVXDPTR,#7FF

  6、F HMOVA,#72H;计数器1设置方式1。MOVXDP TR,AMOVDPTR,#7FFD H;指向计数器1。MOVA,36HMOVXDP TR,AMOVA,39HMOVXDP TR,A计数器2同计数器1;计数器2设置方式1及指向7结语本电源是用于微细电解加工的脉冲电源。其特点是用BCD拨码开关设置脉宽、脉间数,通过单片机控制8253计数器,由此产生精确可调的s级脉冲电流。此电源体积小,可调频率和占空比范围广,更改方便,操作灵活、可靠,能很好的满足微细脉冲电解加工的需要。参考文献1孙涵芳,徐爱卿.MCS251/96系列单片机原理及应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2001:64279.

  7、2吴秀卿,周荷琴.微型计算机原理与接口技术M.合肥:中国科技大学出版社,2000:3192329.3陈雪丽.单片机原理及接口技术M.北京:化学工业出版社,2005:1602161,1892190.责任编辑周守清1水润滑轴承的特点传统观点将润滑状态分为:流体动压润滑、流体静压润滑、弹性流体动压润滑、边界润滑、干摩擦5种。由于水的黏度很低,仅为油的1/1001/20,低黏度的润滑剂具有摩擦阻力小,摩擦因数低等优点,但水膜的承载能力要比油膜低的多,很难形成流体动压润滑,一般认为只有在高速、低载的适宜条件下才能形成流体润滑,但在启动和停机过程中,工作速度有所变化时,往往会使轴承处于边界润滑和干摩擦状态

  8、。因此,对水润滑轴承要求其能在边界润滑和干摩擦条件下安全运作,并具有低摩擦因数。水润滑轴承的优越性主要体现在:1购买和使用成本低。地球上有着非常丰富的水资源,作为润滑介质,既节约了能源,又省了购买、运输、储存油液所需的费用和麻烦。2环境友好。矿物油作润滑介质会对环境产生污染,影响工作环境和旁边的环境,因此,使用过的废液必须回收处理。用水作为润滑介质,工作场所清洁,对环境没有一点危害,且因水的比热容大,冷却效果比油好。3易维护保养。用水作介质的摩擦副系统的维护保养方便,清洁,维护成本也比油润滑系统低。水润滑轴承的缺点:1由于水的沸点低,所以水润滑轴承不能应用于高温环境中。2水尤其是海水的锈蚀作用较强,

  9、纯水的导电性比普通润滑油高数亿倍以上,能引起绝大多数金属材料的电化学腐蚀和高分子材料的老化。3水的汽化压力高,水润滑系统中很容易产生气蚀,使材料受到侵蚀。2水润滑轴承材料研究现状水润滑轴承与传统的轴承相比,在轴承材料选择上存在比较大差异。在20世纪60年代,利用木质材料比较流行,但跟着社会,环保意识的增强和技术进步,陆续出现了如陶瓷、塑料、橡胶、塑料合金以及尼龙等材料制作水润滑轴承。以下简要叙述很多材料制作水润滑轴承的情况和使用效果。211木材常用作轴承材料的木材主要是铁梨木和层压板类材料1。铁梨木原产于南美洲,是天然树种,木质致密、坚硬、相对密度大,具有自润滑作用,曾经被大范围的应用于海上船舶艉管

  10、轴承。其缺点是不宜用于经常航行在含泥沙较多水域的船舶,且存在一定的水涨性。由于其资源日渐缺乏,价格昂贵,因而现在已很少使用2。常用的层压板类材料大致上可以分为2种:桦木层压板和布质层压板。桦木层压板具有耐磨耐水、耐腐蚀、摩擦因数小、形状稳定的特点。将桦木制成层压板替代铁梨木制作轴承,成本低,且桦木层压板比铁梨木加工工艺简便,加工和安装前后不需要沉浸在水中。但在相同的工况下,其磨损量较铁梨木大,产生的摩擦热也稍大些,对冷却水量的需要比铁梨木高,材质较脆,切削性能不如铁梨木,目前用其作为水润滑轴承的有MCS2221和MCS222种型号。布质层压板是由细帆布浸渍热固性的酚醛树脂并添加适量的固体润滑剂(石墨

  11、等经烘焙热压而成。有减摩抗磨作用,还有在高负荷时摩擦因数反而降低的特性。它吸水性小,在水中的膨胀较小,用作水润滑轴承,在高速时有良好的润滑性能。其耐磨性优于铁梨木和桦木层压板轴承,且运转平稳。但难于适应厚度差异较大的复杂结构,黏结性能差,易脆化,所以目前应用还较少。以上3种材料制造成的水润滑轴承在国外被称为石木轴承。石木轴承与钢轴成摩擦副,在比压为0175112M Pa时,滑动摩擦因数约为01005。在加工石木轴承时,应使其内径较轴径大015%,以适应轴的发热膨胀。此类轴承加工时应进行磨光,且因石木端部的工作特性较好,因此,制作轴承时应使轴承滑动速度方向垂直于木纹方向。212陶瓷材料陶瓷材料具有

  12、高硬度、耐高温、耐腐蚀、刚度高、热线胀系数小、导热性好、比强度高和耐磨等优点,非常适合于高温、高速、强磁场和腐蚀性环境等特殊场合。目前陶瓷材料已被成功地用来制造机床的滚动轴承、水泵轴承等。但是由于陶瓷质脆且抗振性能差,尤其是对磨粒的嵌藏性能差,一旦磨粒进入轴与陶瓷轴承表面之间,极易导致非常严重的磨粒磨损。另外,陶瓷硬度比一般金属的硬度高,运转中,轴的磨损非常严重,因而在很大程度上限制了其在轴承上的应用。但随着陶瓷技术的快速地发展,陶瓷的性能已能按照工程的需求设计。因此,有理由相信陶瓷材料会成为今后最佳的水润滑轴承材料之一。213金属材料一般金属材料的弹性系数和硬度均较高,耐磨损性好,在高负荷、低转速

  13、的边界润滑条件下和在混有杂物的场合下得到较多的应用。但金属与水产生反应容易生成氧化物,会对润滑产生不良影响,因此,为增强润滑作用,必须加入固体润滑剂等材料。又因为水对金属有腐蚀问题,因此,用作水下滑动轴承的金属多为青铜、高强度黄铜和铝青铜等材料。制作轴的材料,则一定要采用不锈钢和经镀铬处理的合金钢等。同时,还应充分考虑到在水这种电解质中,因异种金属接触所产生的电化腐蚀问题。214以橡胶为基体的高分子材料以橡胶为基体的高分子材料,均继承了其基体的高弹性和良好的吸振性能,且其加工性好,又有着抗摩擦磨损、抗磨粒磨损和抗疲劳磨损等良好性能,尤其是以丁腈橡胶为基体的材料,其吸振性能、化学稳定性高,非常适

  14、用于作水润滑轴承材料。因此,橡胶轴承也是目前应用最为广泛的水润滑轴承3。普通复合橡胶轴承最大的缺点是耐高温性能差,承载能力小,所以一般只适用于小载荷、轴承系统受力复杂的场合;但随着材料科学的进步,以橡胶材料为基体的高分子材料(塑料合金材料的力学性能逐渐提高,以其制成的水润滑轴承已逐步能用来中载情况。重庆大学机械传动国家重点实验室研究的B T G塑料合金材料就是一个实例4。为扩大塑料合金材料在水润滑领域的应用场景范围,从硫化体系、补强填充体系和软化增塑体系等方面选择适当的配方来提高其力学性能,并通过试验分析各体系对材料性能的影响因素,进而确定各种填料的含量,可使改性后材料的部分力学性能达到或超过美

  15、国国防部颁布的M IL2B217901(船舶军用标准5。且通过试验得出:加入纳米级氧化锌晶须可以明显地提高复合橡胶轴承的承载能力和优化其摩擦学性能,能作为高比压水润滑轴承的制造材料。215超高相对分子质量聚乙烯材料(U HMWPE超高相对分子质量聚乙烯一般是指相对分子质量在150万以上的聚乙烯,日本、德国生产的超高分子聚乙烯相对分子质量已高达600万以上,德国现已有高达1000万的。超高分子量聚乙烯是一种新型工程塑料,具有无毒性、无污染、可再循环回收利用等环保特点,现已得到普遍应用6,也已在水润滑轴承中逐步得到使用。虽然超高分子量聚乙烯在结构上与普通聚乙烯相同,但由于超高分子量聚乙烯的相对分子

  16、质量比一般聚乙烯要高得多(普通聚乙烯相对分子质量一般为2万30万,因此就有了普通聚乙烯所没有的众多优良性能,如:耐磨损性能、抗冲击性能、自润滑性能以及低的吸水性能。超高相对分子质量聚乙烯的成形方法主要有模压成形和挤出成形2种类型。模压成形的特点是:成本低、设备简单、投资少、不受聚乙烯相对分子质量高低的影响,对当前相对分子质量高达1000万的聚乙烯也能进行成形加工。缺点是生产效率低、劳动强度大、产品质量不稳定等。但对于超高相对分子质量聚乙烯的成形加工来说,由于其相对分子质量太大,流动性极差,在其他成形方法还不太成熟情况下,目前主要是采用模压成形加工超高相对分子质量聚乙烯制品6。Schncider7

  17、报告了美国海军使用水润滑橡胶轴承的经历,并提供了大量测试数据,研究了影响艉轴轴承寿命的因素,包括载荷、滑动速率、表面粗糙度、腐蚀等影响因素,并提出了载荷、轴和轴承材料的有关标准。其研究表明目前美国军方已经运用了整体式超高相对分子质量聚乙烯水润滑轴承。加拿大赛龙公司也在部分产品中将其作为水润滑轴承瓦背材料,用以取代铜合金。由于超高相对分子质量聚乙烯的加工困难,用其作为水润滑轴承材料尚未大规模展开,但相信随加工设施和工艺的改进,使用超高相对分子质量聚乙烯材料制造水润滑轴承的时间不会太久了。3润滑机理研究现状即使在轻载时的水润滑轴承,其接触表面也会产生弹性变形,使水楔形状不再由零件原始形状决定。因

  18、水润滑轴承的自身特点,即多曲面圆弧凹槽的结构,不易形成连续的水膜,而且轴承材料的弹性较大,极易发生变形。加上摩擦表面弹性变形,导致楔形水膜的产生。但润滑过程中是否会产生弹性流体动压润滑,仍有待理论和试验证明。对于水润滑轴承的压力分布和水膜厚度计算,目前很难得到解析解。因此在建立了基本方程组后,一般是求其数值解。而求解数值解的算法是整个计算过程的关键,以下简要介绍各种算法的特点。311顺解法水润滑轴承属于薄膜润滑,其厚度极小,而润滑膜中的压力很高,且膜厚越小,压力越大。在雷诺方程中包含有膜厚(h的3次方项,所以膜厚的大小对压力(p的影响极大。这种压力对膜厚微小误差的敏感性往往是造成数值解困难的重

  19、要原因。在润滑力学中,通常的求解顺序是:将给定的h代入雷诺方程求出p。当有变形情况时,还需要根据求得的p由弹性变形方程重新计算h,如此反复计算,使p趋于定值。这种解法称为顺解法,或称直接迭代法8。这种解法简便直观,然而在轴承材料弹性较大的摩擦副中,由于压力对膜厚微小变化的敏感性,易造成数值计算过程的不稳定。312逆解法既然压力对膜厚微小变化极为敏感,那么若能通过雷诺方程求出给定p下的h值,将会有良好的数值计算稳定性,这就称作逆解法。在逆解法中合理地划分子域是值得探讨的问题。学者Dowson和Higginson9将求解域划分为5个子域,而温诗铸10通过研究提出只需划分为3个子域即可进行求解。Do

  20、wson和Higginson使用逆解法求解弹流问题时,他们对高压区润滑膜压力的修正是凭经验进行的,带有随意性,且难于实现程序化。温诗铸等人提出并成功地应用了变形矩阵的逆矩阵来修正高压区的压力分布。将逆解法成功用于计算水润滑轴承中的研究还比较少,在这方面,重庆大学4曾作过很多有益的尝试。313多重网格法在润滑理论中,当用有限差分法或有限元素法等数值方法解各种偏微分方程时,总是首先将求解区域划分,然后将偏微分方程离散,导出1组线性或非线性的代数方程组,再直接或迭代解出该方程组。在上述过程中,选择正真适合的网格是很难的,使用稀疏的网格得到的解误差太大,而且对非线性问题常常得不到收敛解。使用稠密的网格

  21、则会导致代数方程组过大,计算时间过长。使用多重网格法可有效地克服上述困难。已有文献应用多重网格法对水润滑轴承进行计算,得到了压强分布曲线和水膜厚度曲线,但其在变形方程中仅考虑了一维问题,对点接触或面接触问题还正处于研究中。4水润滑轴承材料的磨损机理研究的现状讨论轴承的流体润滑性能时,其极限范围的性能,即边界润滑的性能也很重要。在水润滑情况下,轴承与轴非间接接触的机会比油润滑多,并且还一定要考虑杂质侵入问题,因此其磨耗特性很重要。材料的磨损主要体现为4种形式:黏结磨耗、磨粒磨耗、表面疲劳磨耗和腐蚀磨耗。在边界润滑和混合润滑状态下,黏结磨耗和磨粒磨耗占主导地位。水润滑轴承材料与光滑表面接触时,由于摩擦

  22、力的作用,使水润滑轴承材料表面的微凹凸不平的地方发生变形,并被撕破、黏结脱落。为了解释与各种各样的因素呈复杂关系的磨耗试验结果,近年来有些研究者11致力于建立一个磨耗的统一的理论。Allen12根据大量的试验和前人的工作,提出了磨耗的“双重机理”,他认为磨耗由两部分构成:1弹性变形磨耗(E2磨耗:和轴接触的轴承材料表面变形区域较大,变形基本为弹性(黏弹性变形,磨耗是由于表面应力集中产生的“撕裂2拉伸”破坏而造成的;2塑性变形磨耗(P2磨耗:表面变形区域小,接触压力高,变形是塑性的,磨耗属于塑性破坏,是一种切割磨耗机理。显然,上述的E2磨耗和P2磨耗与疲劳磨耗和磨损磨耗是一致的。虽然“双重机理”的理论

  23、可以定性地解释一些现象,但不能定量地分析不同条件下的磨耗规律。至于轴承材料耐磨性与其他性能的关系,从以上理论中能够准确的看出,轴承材料的耐磨耗性与扯断强度、定伸应力、撕裂强度、疲劳性能以及黏弹性能有关。扯断强度是影响耐磨耗性最重要的力学性能指标。随扯断强度提高,轴承材料的耐磨性成正比增加。定伸应力对不一样的磨耗有不同的影响。定伸应力高时,摩擦表面上的凸体压入轴承材料深度小,抗变形力强,摩擦因数小,而且轴承材料表面刚性大,不易打皱而引起黏结,因此对降低磨粒磨耗和黏结磨耗有利。而在疲劳磨耗的条件下,情况则相反,定伸应力提高会加剧疲劳磨耗11。提高轴承材料弹性,耐磨耗性得到提高,特别是工作在非固定磨

  24、料流中时,弹性的影响明显。因为弹性低,流动粒子多次冲击时,应力松驰过程来不及完成,使局部应力增加,加剧了表面磨耗。5水润滑轴承的发展现状13及研究进展14从20世纪40年代末开始,原苏联对采用水作为润滑液的流体静力轴承和流体动力轴承的特性和材料来了深入研究。英国、德国和日本以及其他许多国家在随后的五、六十年代也在水润滑轴承方面做了大量的研究工作。如日本在海水液压传动技术上处于领头羊,制成了在12km深水下的成套液压系统。德国汉堡工业大学研究了陶瓷摩擦副,试制的轴向柱塞泵中的滑靴、缸体和支承盘均采用了陶瓷材料,润滑介质和工作介质都采用了水。又如英国的海沃德2泰勒公司、德国的维克斯和米契尔公司

  25、、丹麦Danfo ss公司、芬兰Tampere、加拿大的汤姆逊2戈尔登公司、日本的东芝公司等在水泵、液压元件和船舶尾轴中均应用了水润滑轴承。我国从20世纪50年代中期开始,在船用离心泵和轴流泵中采用水润滑轴承,然后在60年代初期,开始做理论探索和试验研究工作。目前国内应用的水润滑轴承仍较少。例如在泵上应用的水润滑橡胶轴承大多是从德国引进技术,再通过模型试验、对比评价,总结出经验参数,进而加工制造。沈阳滑动轴承研究所与西安交通大学润滑理论及轴承研究所组成的联合体在这方面作了有益的探索;重庆大学机械传动国家重点实验室和重庆奔腾科技发展有限公司合作研究开发了170多种规格的R T G水润滑复合橡胶

  26、轴承和塑料轴承。在水润滑轴承的摩擦学研究方面,重庆大学机械传动国家重点实验室王家序、秦大同教授在水润滑橡胶轴承、塑料轴承方面有着较深入的研究,在摩擦磨损试验机上做了大量的橡胶、塑料的摩擦性能测试,得出不同水质、不同工况下的摩擦学特性,确定了载荷、转动速度、运行时间及间隙等对摩擦因数、磨损量的影响。青岛建筑工程学院的王优强、杨成仁教授等针对沈阳水泵厂生产的八纵向沟水润滑橡胶轴承进行了试验研究和理论数值计算,得到摩擦因数随载荷、速度、温度和间隙的变化曲线,系统地分析其润滑机理及内在规律,提出了一些降低摩擦损耗和控制摩擦过程改进措施,确定了该类轴承的最佳设计参数和应用限制范围。重庆大学段芳莉博士等对水润

  27、滑橡胶轴承的润滑机理做了研究,并对其进行了流体润滑计算。与油相比,对于水这种不能产生有效润滑效果的环境介质中,希望有性能更好的轴承材料。基于这一点,在塑料材料中进行了诸如增加某种亲水性的添加剂,以改进提高其水润滑特性。另外,在陶瓷材料方面做其水润滑机理的研究。即使对水来讲,也要试用一下使其含有象油中的脂肪酸那样的能在轴承表明产生润滑油膜的添加剂。可以认为,今后应开发更高性能的水润滑轴承及其润滑方法。6水润滑轴承的应用根据不同的使用条件,水润滑轴承的应用可归纳为以下几种:1在高速、低负荷条件下应用如泵用轴承,船尾管轴承,水轮发动机主轴承及其密封材料。2在低速、高负荷条件下应用如堤坝、水闸用轴承

  28、(滚柱用轴承、支点部分用轴承,水轮发电机导叶用轴承,阀用轴承。3在中低速、中负荷条件下应用如水处理机械用轴承(絮凝器轴承,输送机用轴承,船用舵轴承(船销轴承等。4其他应用场合美国在高速机床主轴中采用了水润滑静压轴承15,主轴直径为80mm,转速达40000r/min,采用55的纯水润滑。由于水的比热大,故轴承在高速运转下的温升低,以保证机床主轴在高速下的高精度。据报导,美国航天飞机上也使用了高速水润滑静压轴承。7结语尽管水润滑轴承已有数十年的应用历史,但仍然是较年轻的课题,仍存在有大量问题是需要研究。在理论方面,如加强完善滑动轴承的边界润滑和流体润滑理论,揭示各种材质的水润滑摩擦副在边界润滑和

  29、干摩擦下的摩擦学机理及其减少摩擦的方法研究,水润滑摩擦副承载能力提高的研究,填补非金属材料在轴承工业上的理论空白,在轴瓦材料选择、设计参数和制造工艺上进行改进和创新等。在应用方面,水润滑轴承将改变某些在恶劣环境中工作的产品机械结构(如泵、风机等。使这一些产品的机械结构在设计、制造、安装、维修上趋于简单化,并提高其常规使用的寿命和生产效率,节约贵重有色金属材料,减少相关成本。为获得更大的经济效益与社会效益,应大力推广水润滑轴承的应用,例如将其应用于机床等行业中。可以相信,在不久的将来,水润滑轴承的研究与应用会得到长足的进步和发展。参考文献1RO Y L Orndororff.Water lubricated

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