体静压润滑、弹性流体动压润滑、边界润滑和干摩 擦 5 种。由于水的黏度很低，仅为油的 1/100 ～ 1/20， 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得多，很难形成 流体动压润滑，当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。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。

  数亿甚至数百亿倍，它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 高很容易产生气蚀，使材料受到侵蚀。

  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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ发展，天然的木质资 源是有限的，于是便出现了如陶瓷、塑料、橡胶、 塑料合金以及尼龙等材料制作水润滑轴承。 2.1 木材

  既然压力对膜厚微小变化极为敏感，那么就不 难理解，若能通过雷诺方程求出给定 p 下的 h 值， 这种算法将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 Higginson[9]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。Dowson 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。 3.3 多重网格法

  验室研究的 BTG 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，改性后材 料的部分力学性能达到或超过美国国防部颁布的 MIL-B-17901(船舶)军用标准[5]。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 水润滑轴承的材料。 2.5 超高相对分子质量聚乙烯材料(UHMWPE)

  以橡胶为基体的高分子材料，发挥了其基体的 高弹性和良好的吸振性能，且其加工性好又有抗摩 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。因此，橡胶轴承是 目前应用最为广泛的水润滑轴承之一[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。重庆大学物理运动国家重点实

  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、疲劳性能以及粘弹性能 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，不易打皱而引起粘结，因此对降 低磨粒磨耗和粘结磨耗有利。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]。

  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。 3.1 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)的三次方项，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要原因。

  产生弹性变形，使水楔形状不再由零件原始形状决 定。因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。

  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两种：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。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。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 量的要求比铁梨木高，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 MCS-2-1 和 MCS-2 两种型号。

  摘 要 介绍了水润滑轴承材料、磨损机制的研究现状和应用。介绍了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制; 分析了磨损机制以 提高其极限范围性能。所有这些研究对扩大水润滑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 轴承材料 磨损机制

  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。石木轴承与钢轴组成摩擦副，在比压为 0.75 ～ 1.2 MPa 时，滑动摩擦因数约为 0.005。 2.2 陶瓷材料

  陶瓷材料具备高硬度、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，另外， 陶瓷硬度比一般金属的硬度高，轴的磨损比较严 重，因而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改 进设计。相信它会成为今后最佳的水润滑轴承材料 之一。 2.3 金属材料

  超高分子量聚乙烯的成形方法主要有模压成 形和挤出成形两种。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，对相对分子质量高达 1 000 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。目前主要是采用模压成形方法来 制造成品[6]。

  Schncider[7]报告了美国海军使用水润滑橡胶轴 承的经历，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。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 随着加工设施和工艺的改进，用超高相对分子质量 聚乙烯材料来制造水润滑轴承的时间不会太久了。

  一般金属材料的弹性因数和硬度均较高，耐磨 损性好。在高负荷、低转速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。 因此必须加入固体润滑剂。由于金属遇到水会产生 腐蚀，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。用不锈钢和经镀铬处理 的合金钢等作为轴的材料。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。 2.4 以橡胶为基体的高分子材料

  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。 3.2 逆解法

  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(石墨等)经烘焙热压而 成。有减摩抗磨作用，有在高负荷时摩擦因数反而 降低的特性。它在水中的膨胀较小，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，粘结性能差，易脆化， 所以目前应用还较少。

  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。

  由于用水作润滑介质，所以具有无污染、来源 广泛、节能、难燃等优点。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，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。

  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，导出一组线性 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。使用稠密的网格则会导致 代数方程组过大，计算时间过长。使用多重网格法 就可以轻松又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了计算，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。

  水润滑轴承的优越性主要体现在：①使用成本 低。地球上有丰富的水资源。②环境友好。矿物油 作润滑介质会对环境产生污染，而用水作为润滑介 质，对环境没有一点危害。③易维护保养。

  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，纯水的导电性比普通润滑油高

  4 水润滑轴承材料的磨损机制研究现状 讨论轴承的流体润滑性能时，接近边界润滑范

  围的性能也很重要。在水润滑情况下，轴承与轴直 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：粘结磨耗、 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，粘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 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、粘结脱落。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 。 Marcus Allen[12]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(E–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(粘弹性)变 形，磨耗是由于表面应力集中产生的“撕裂–拉伸” 破坏而造成的；②塑性变形磨耗(P–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，是一种切割磨耗机制。显然，上述的 E– 磨耗和 P–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。

  超高分子量聚乙烯一般是指相对分子质量在 150 万以上的聚乙烯，它具有高的耐磨损性能和抗 冲击性能、自润滑性能以及低的吸水性能。日本、 德国生产的超高分子量聚乙烯相对分子质量已高 达 600 万以上，德国现已有高达 1 000 万的。超高 分子量聚乙烯是一种新型工程塑料，具有无毒性、 无污染和可再循环回收利用等环保特点，现已得到 广泛应用[6]，且在水润滑轴承中也已逐步得到使用。