Rec代表雷诺数。但要指出，(1)式是基于壁面 定律的假设，并且将液流处理为剪切流，因此计算 结果与具体的真实的情况往往存在一定的差距，这也 有待于紊流计算理论的进一步深化。 由于希望有机会能够被应用于高精密加工领域，因此 在水润滑陶瓷滑动轴承的设计计算中一定要考虑到 诸多因素，图1展示了在整体数值计算中需考虑的 润滑膜性能参数与各影响因素间的关系。1963年 Dowson和Hudson提出了滑动轴承计算的THD（热 流体动力分析）模型[16]，而在60年代后TEHD（热 弹性流体动力润滑分析）模型逐渐发展，使得理论 计算结果更符合实际情况。该模型应用在水润滑

  于完整水膜的形成，保证水润滑轴承的刚度及精 度，因此硅基陶瓷轴承在水润滑条件下性能更好。 但是Si3N4和SiC的摩擦磨损性能也有不同。 Chen等人通过一系列盘销试验研究了Si3N4和SiC （同种材料组成摩擦副）在水润滑条件下的摩擦性 能，在试验中Si3N4摩擦对表现出更低的摩擦系数， 摩擦表面上的质量更好，达到稳定状态所需的跑合时间 也更短[9]，各种结果为似乎Si3N4的摩擦性能更 好。 但是， 另一些研究得出了不同的结论。 在Maurin 对Si3N4和SiC滑动轴承的研究中， 水润滑条件下SiC 轴承更容易形成光滑表面，而不需要重复的抛光加 工[11]。Anderson测试了多种陶瓷材料（Al2O3、SiC、 PSZ和Sialon陶瓷）制作的水润滑轴承，他发现SiC 轴承临界载荷更高，摩擦副表面上的质量也优于其它轴 承，更适于应用在需要长时间运行，频繁启停车的工 况下

  它综合了静压润滑在启动前就能形成承载润滑膜、 轴承精度保持性好和动压润滑利用转子本身的旋 转无需高的供液压力（供液压力的减小可使供液系 统功耗相应降低）就可获得较大的承载能力和刚 性、轴承抗振阻尼特性好等一系列优点。只要能够 合理地解决好轴承结构设计与参数选择的相互关 系，就一定能最大限度的发挥轴承的动静压综合 性能。同时这种轴承的承载特性既高于动压轴承， 也高于静压轴承，因此能作为水润滑陶瓷滑动轴 承润滑方式的首要选择。 4.2 水润滑陶瓷滑动轴承的设计方法 由于水润滑陶瓷轴承的特殊性，采用传统的经 验公式进行设计计算显然已不再合适。现在的轴承 设计往往采用数值计算的方法，根据具体的工况， 采用不一样的Reynolds方程建立模型[14]。需要指出， Reynolds方程一般用来计算层流模型，而由于水的 低粘度，高速水润滑轴承中往往出现紊流的情况， 这时也能够使用紊流时的广义雷诺方程[15]

  U 为摩擦副相对速度，为润滑剂动力粘度，h 为轴承间隙， p为润滑膜压力， Kx 和Kz 由下式定义

  (1.白城师范学院机械电子工程系，吉林 白城 137000 2.天津大学机械工程学院,天津 300072)

  摘要：现行的滑动轴承多为油基滑动轴承，但是由于矿物油严重的污染问题，不符合工业界绿色制造的趋势。水作为一种资 源丰富、低成本、无污染的润滑介质，可以和具有独特性能的陶瓷材料组成水润滑陶瓷滑动轴承，以独特的优势应用于工业 界。本文通过对水润滑陶瓷滑动轴承研究情况的总结，首先介绍了水作为润滑剂的特性，其次分析了当用作水润滑轴承时不 同陶瓷材料的摩擦磨损特性，最后重点讨论了水的改性、轴承润滑方式的选择、轴承设计方法、制造及试验等水润滑陶瓷滑 动轴承关键技术，期望上述研究工作促进水润滑陶瓷滑动轴承逐步发展。 关键词：水润滑，轴承，绿色制造，润滑剂 中图分类号：TH133.31; TH117

  统中，主轴性能会受到很大影响。同时由于水对于 金属有锈蚀性，因此在水润滑条件下金属已不再适 宜作为轴承材料。但是陶瓷材料可以弥补水润滑的 一些缺点，它具有耐磨损、耐非物理性腐蚀、热膨胀系 数小等优良特性，因此它能适应水润滑的边界摩 擦和干摩擦状态，同时也不易发生腐蚀[2]。因此水 润滑陶瓷轴承具备实现高速高精度指标、广泛快速 发展的潜力。 2．水作为润滑剂的特性 矿物油是滑动轴承最为普遍的润滑剂，因此选 用某品牌L-FD-22主轴润滑油与水进行性能对比。

  如表1所示，水与润滑油最大的不同在于粘度。 水润滑主轴的承载能力、刚度都比较低，所以润滑 形式的选择、结构设计及制造技术对水润滑轴承极 为重要。同时，相同工况下水膜厚度会比较小，边 界润滑或干摩擦情况有极大几率会出现，因此轴承材料应 具有较高的耐磨性。但水的低粘度带来的好处是， 其摩擦功率要远小于油润滑形式时的摩擦功率，理 论上水润滑主轴系统的发热量就较小，回转精度也 较高。 与油相比水具有更高的比热值，相同情况下摩 擦副的温升也更小，因此当主轴转速很高时水润滑 主轴具有更优良的耐热性，这也是水润滑轴承最 为突出的优点之一。 水的溶点更高导致水润滑轴承不适宜用在冰 点以下的环境。同时水的沸点较低，因此在循环润 滑系统中应该设计温度控制环节以防止水蒸气产 生。事实上由于高的比热值，当水作为轴承润滑剂 时一般工作时候的温度远低于其沸点。另外，由于水没有 闪点，并且水本身就是天然灭火剂，当采用水润滑

  轴承时工作安全性也要更高。 3．陶瓷材料的选择 同传统金属轴承材料等相比，陶瓷轴承材料具 有许多优良性能，主要有：陶瓷材料耐磨性好，因 此在边界润滑甚至短时间干摩擦情况下依然能保 持良好的工作状态；具有耐腐蚀、绝缘和耐高温的 优良性能；陶瓷材料的高刚性使得陶瓷滑动轴承可 减轻机械的振动，来提升精度；陶瓷材料的高硬 度、较高的抗压强度及很低的摩擦系数，使陶瓷滑 动轴承具有更长的寿命；陶瓷材料的低热膨胀特 性，使陶瓷滑动轴承能在气温变化大的环境中使 用；作为多孔材料，陶瓷滑动轴承又具有一定的自 润滑性。 常用的工程陶瓷材料主要有Al2O3、ZrO2、SiC 和Si3N4， 但是其在干摩擦及水润滑条件下的摩擦磨 损机理又不完全一样。当干摩擦发生时，陶瓷摩擦副 的摩擦性能较为关键；当轴承中水膜完整时，陶瓷 摩擦副的流体摩擦作用会很明显。下面分别对这两 部分进行研究。 干摩擦: 干摩擦条件下增韧ZrO2（部分稳定氧 化锆PSZ、氧化钇稳定的四方多晶氧化锆Y-TZP、 氧化锆增韧氧化铝ZTA）磨损机理最重要的包含塑性变 形及磨粒磨损，高速情况下发生脆性断裂。Al2O3 同样会发生脆性剥落及磨粒磨损。非氧化物陶瓷方 面，在不同的工况下，Si3N4磨损行为包括微裂纹、 塑性变形、犁耕及粘着。Andersson和Holmberg对 Si3N4相对钢和其本身进行盘销试验后发现，Si3N4 很容易发生摩擦层迁移现象[3]。SiC的磨损机理与 Si3N4类似，但是其摩擦的副产物SiO2，如同固体润 滑剂一样可以附着在SiC摩擦副表面，有实际效果的减少磨 损量和降低摩擦系数，有几率发生的反应[4] SiC 2O2 → SiO2 CO2 单从干摩擦性能来看，SiC更适宜作为轴承材 料。 水润滑：在水润滑条件下，氧化物陶瓷Al2O3 和ZrO2受流体润滑作用影响更明显。其中Al2O3 经流体摩擦会产生Al(OH)3，能大大的提升其耐磨性。