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  第26卷 第5期 佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自然 科 学 版 ) V01．26 No．5 2OO8 年 09月 JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition) Sep． 2008 文章编号：1008—1402(200B)05一O6OO一03 水润滑轴承的工作原理及结构设计研究 王新荣 ， 张 霞 ， 满连善 ， 张永生 (1。佳木斯大拳机械工程学院。黑龙江 佳木斯 154007；2．佳木斯电机股份有限公司．■龙江 佳木斯 154002) 摘 要： 由于用水作物理运动摩擦副的润滑介质在许多方面比用油更具有优越性，因此，在机 械传动系统中，采用水润滑轴承慢慢的变成了其结构设计的一种发展趋势．本文对水润滑轴承的工作 原理及主要结构设计进行了研究，为满足水润滑轴承性能要求提供了可靠数据． 关键词： 水润滑；轴承 ；结构；设计 中图分类号：TG164 文献标识码：A 润滑作用具备比较好的匹配性，可用作水润滑摩擦副 O 引 言 材料． 水润滑轴 与传统的轴承相比较，二者在材 水润滑轴承材料具备很多优 良特性，但也有许 料的选择上存在比较大的差异．传统的轴承用油作润 多的不足：强度低、硬度低、刚度低、耐温性能差、不 滑剂，轴承材料是金属，油对金属材料的腐蚀性较 阻燃、不抗静电、导热性差、流动性差、耐候性差、以 小．而且油膜易于形成，因而其选择的范围相对较 及滞后能耗大等．这些是因为高分子材料的分子结 广．由于水对金属具有较强的非物理性腐蚀作用，所以 构和分子聚集形态造成的．要克服这些缺陷，可以 水润滑轴承对材料的选择就必须更看重材料的 通过改性采实现．改性的目的有：提高抗静电能力 减摩性、耐磨性以及材料抗腐蚀的能力，一般为非 和导电性、提高抗阻燃性、提高强度、提高硬度、提 金属材料．用水作润滑介质的摩擦副，其摩擦副材 高耐磨性、提高耐温性、加强流动性及降低摩擦因 料还应当满足良好的自润滑性能，或者固体表面与 数等． 水之问具有非常好的亲和性，或者这两种情况都具 1 水润滑轴承结构设计 备．只有在这样的一种情况下，才可能通过 自身旋转运动 形成流体动压润滑，并且在低转速和频繁起停等边 水润滑是一项系统工程，它涉及到水润滑方 界润滑和干摩擦下拥有较长的常规使用的寿命． 式，轴承材料，轴套材料等多方面的研究，目前在国 由于水是一·种低粘度液体，而润滑液膜的承载 内外还没有系统的设计理论．在实验研究的基础 能力与粘度成正比与膜厚的平方成反比．因此在其 上，通过总结一部分经验公式，得出一系列设计参 他条件都楣同的情况下，为获得相等的承载能力， 数并应用在生产实践中．影响水润滑轴承结构的主 则水膜的厚度仅为油膜厚度的1／8．与油相比，最小 要因素有：轴承材料、使用环境和温度、工作介质的含 水膜厚度变得很小，此时水膜难以形成．而金属材 泥沙程度、比压、转速、润滑的类型、尺寸大小、轴承 料的特性是弹性系数大、硬度高，理论水膜厚度小 安装闯隙、接触面和要求的常规使用的寿命等． 于金属表面微观不平度，不可能形成润滑水膜，因 1．1 水润滑轴承基本结构 而不可能进行流体润滑．同时水，尤其是海水对金 属的腐蚀也不可忽视．因此传统的金属摩擦副不能 水润滑轴承的结构及尺寸的设计，直接影响其 用在水中．于是，用非金属替代金属作为摩擦副材 常规使用的寿命．以橡胶轴承为例，目前的水润滑橡胶轴 料就成了水润滑摩擦副技术的关键．橡胶、塑料、工 承，主要是在金属基体上硫化一层橡胶轴瓦，其合 程陶瓷、铁梨木、石墨、金属塑料合成材料等与水的 成橡胶种类有NBR(晴基丁二烯橡胶)和 CR(氯丁 ① 收稿 日期：2008—09—0l 作妻者翟简介界：至王袭新荣(19教65一)，女，黑蒹龙銮江佳窿木斯人，佳木；斯)大夫学学机机械械工工程程学学院院教教授授，，研研究究方方向向机机械饭设设计计与与制制造适 第 5期 王新荣，等：水润滑轴承的工作原理及结构设计研究 601 橡胶)等，根据不同使用上的要求加上增强剂、填充剂、 式中：R为半圆形槽道深度(HⅡn)； 防老剂、硫化剂等以保证其具有不一样的性能．图 l Ⅳ为槽道数． 所示是一种六纵 向沟水润滑橡胶轴承的常见结 根据内径大小不同槽道数一般为6 12个，内 构I2]．钢制轴颈一般都会采用切削加工，为避免水对 径大于 的轴承一般取 】2个水道槽，内径为 ～ 碳钢的腐蚀，在钢轴表面通常镀铬或镀镍，轴表面 的轴承一般取8个水道槽，其余取6个． 为满足摩擦系数小的要求，粗糙度通常不大于 轴承厚度确定：轴承厚度与轴颈尺寸有关，同时 Ra3。2tan． 还应该要考虑轴承材料的弹性变形、传热性能以及膨胀 等因素的综合影响．胶层厚度 一般由下式确定： 盘 幻譬 = 2R 式中：为塑料合金层厚度(mm)． 2 水润滑轴承工作原理 图 1 六纵向槽橡胶滑动轴承结构示意图 轴承的几何形状，特别是轴承承载表面有槽或 水润滑轴承中的水道槽除了散热外，还有利于 无槽对轴承的承载能力影响较大．一个连续的没有 提高抗磨粒磨损性能．在有水作润滑介质条件下工 开槽的轴承表面比开槽的轴承表面允许水膜产生 作，轴承能经受漂浮在水中的固体粒子的磨耗作 的动压力更高(见图3)．水力膜计算根据结果得出，一 用 。如果这些粒子落入金属轴和轴承之间，则轴将 个常规的开槽轴承的润滑剂膜厚仅是没有开槽轴承 其压人轴承材料中，而后顺着其旋转方向将其滚推 的1／4．从图3中能够准确的看出，下半部分光滑的轴承有 到最近的水槽内，并被水冲走． 一 个连续的压力分布，允许水膜产生较高的动压力， 轴承内表面 目前通常使用圆弧型结构，如将其 使得轴承的承载能力较高，这种连续的压力分布，允 改为平面型结构，这样更为符合弹流润滑理论中轴 许下半部分光滑的轴承在较低的速度下获得水润 与平面组成摩擦副。在实验中发现，使用平面型轴 滑．而下半部分开槽的轴承压力分布是不连续的，水 承在轴起动时摩擦因数较圆弧轴承小，在载荷较大 膜产生较低的动压力，使得轴承的承载能力会比较低。 情况下尤为明显，这主要因为是轴与轴承接触面积 减小造成的． 1．2 供水量设汁 供水量要求能带走轴承运转时产生的摩擦热 量．若供水量不足，将引起轴温度上升，有可能导致 轴承材料的性能变化或烧损． 通过试验得出供水量的一般经验公式： 图2 水润滑轴承横截面 Q=0．3D 式中：Q为供水量 (L／rain)；D为轴颈直径 (ram)． 1．3 轴瓦结构设计 水润滑轴承厚度的确定与轴颈尺寸有关，同 时，还应该要考虑轴承材料的弹性变形、传热性能以及 图3 半开槽与全开槽的压力剖面图 膨胀等因素的综合影响[3】．水润滑轴承横截面的几 此外，在使用下半部分开槽的轴承时，因承载 个主要尺寸 (见图2)可按下列公式计算： 能力变弱导致了轴与轴承之间有更多的接触机会， 流水槽总断面积：Js： Q／6√ 使摩擦增大，而易造成轴承副磨损．从没开槽轴承 式中：5为流水槽总断面积(mrn2)；p为供水量 与开槽轴承的水润滑分析结果中看出，一个下半部 (IJmin)；P为供水压力(MPa)． 分光滑，上半部分开槽的结构，下半部分有利于最 半圆形槽道深度计算 ： ：10厂丽 佳水膜的形成，使得轴承的承载能力最佳；上半部 602 佳 木 斯 大 学 学 报 (自然 科 学 版 ) 2008年 分能使充足的水流过轴承，以维持水膜并进行冷 由此可见，水润滑滑动轴承在运行时，其转动 却 部分和轴瓦之间形成楔形水膜．正是由于水膜的存 在，一方面起着传递负荷的作用，另一方面使摩擦 3 水润滑原理 面之间不发生非间接接触摩擦．这种水膜的存在和最 水润滑是由于流体进入收敛的间隙或是表面 小水膜厚度的保持是轴承安全运作的关键．水膜的 厚度与轴承负荷、润滑水介质、瓦面压力、温度、轴 问形成楔形产生了压力而形成的，在一个轴颈轴承 承的运行工况、轴承的结构及机组的运行特性等均 中。这种楔形是由于轴承中的轴有偏心而引起的． 有直接的关系． 水润滑原理如图4所示． 4 结束语 水润滑轴承作为一个年轻的课题，仍存在大量 问题是需要研究：在理论方面，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的 水楔形 提高．在应用方面，水润滑轴承将改变某些在恶劣 环境中工作的机械的结构，如泵、风机等，使这些机 图4 水润滑原理不惹图 械的结构在设计、制造、安装、维修上趋于简单化， 形成水润滑的3个条件为：表面的相对运动要 并能提高常规使用的寿命和生产效率，节约贵重有色金属 分离；楔形作用；有一种合适的流体，如水、油等 】． 材料，其经济效益与社会效益将是十分可观的．相 从图4中可看出，轴的旋转产生了运动，轴的偏心 信在不久的将来，水润滑轴承的研究与应用会得到 形成了楔形，流体是水．轴的中心在A点，轴承的 长足的发展． 中心在 O点，轴与轴承中心有一个偏离量称为偏 心距 e，这个偏心距明显加强了水力润滑中的楔形 参考文献： 作用．从 C点(最大膜厚点)，到 日点 (最小膜厚 [1] 王家序，李太福．以水为润滑介质的摩擦副研究现状与发展 点)，形成了楔形．通过轴的旋转，润滑剂流人楔形 趋势[c]．9‘9全国流体动力与机电一体化技术学术年会)论 中，并且逐渐升高的压力使得轴承里的轴升高．通 文专集．1999(3—4)9—10． 过表面的形状及相对运动 压力就能在流体薄膜层 [2]王优强．水润滑橡胶轴承润滑机理的研究：【D]．沈阳：东北大 中产生．成楔形的流体与流体的运动产生了动压 学，1995． [3] 彭晋民．水润滑塑料合金轴承润滑机理及设计研究：[D]．重 力；产生的动压力越大，轴承的承载能力就越大．流 庆：重庆大学。2OO3． 体薄膜的稳定是十分重要的，此时磨损率几乎为 [4] 周小林，赵高珲，王国钦，等．水润滑艉轴承负载能力的分析 零，与一般接触的摩擦系数0．2～0．5相比，它的摩 [盯．上海理工大学学报．2004，26(4)：373—380． 擦系数仅为0。002．轴承的磨损率和摩擦系数取决 [5] VieR，H姗p0∞LG．GrandPrincess--waterIada4catedBearings [J]． Institute0fMlll~neFazir~ ．20OO．112(1)：11—25． 于负载、滑动速度、接触的材质及环境． SandyonWorkingPrincipleandStructureDesign ofW aterLubricatedB嘲 m． WANGXin—tong ， ZHANGXia ， MANLian—shah ， ZHANGr0， 一seng (1．College0fMed酬 D m耐嘴，J~rmsiIh 锣，Jiammi154007．a岫瞻；2．Jiamu~ElectricalMadhi蝌 y tedc(衄lIB ，强 · 岫I 154002。oam) Abstract： Water8slubricatingmediumofmechanicaldrivefrictionissuperiortooilinmanyrespects．There— fore。usingwater1．abricatedBearingsisthedevelopmentorientationofthestructuredesignofmechanicaldrivesystem． TheauhtorsstudiedtheworkingprincipleandhteprincipalstructuredesingofwaterhlhricatedBe螂 ．Thispaper providedme piricdataSOasto s htepropertyrequirementsofwaterlubricatedbe n ． Keywords： waterlubrication；bearings；strucutre；desing

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