水润滑橡胶轴承研究进展

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从 40 年代末 期开 始, 苏 联一 直对 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 材料进 行深入的研究。
英国、德 国 和日 本 以及 其 他许 多 国家 在 50、 60
2001 年第 2 期
年代也在水润滑轴承的研究方面做了大量的工作。英 国的海沃德 泰勒公司在无填料泵结构中采用了水润 滑滑动轴承, 其轴材料为马氏体不锈钢或在碳钢表面 镀铬。而轴瓦材料为石棉填充酚酐树脂, 使用效果较 好。德国的维克 斯 ( Vickers) 和米 契尔 ( Michell) 公 司则在深井泵中和潜水泵中采用水润滑橡胶轴承, 即 以橡胶材料作轴瓦。加拿大的汤姆逊 戈尔登有限公 司在船舶尾轴的支承中采用了水润滑系统, 在不锈钢 轴承上复合一层聚合材料作轴瓦。日本在离心泵和船 用离心泵中广泛采用了水润滑轴承; 在大型内燃机油 轮用辅锅炉给水 泵中, 采 用了自 给式的 水润 滑轴承, 轴瓦材料为渗碳合金。东芝公司还在汽轮发电机和水 轮发电机上开发了泵用水润滑轴承等。
水润滑橡胶轴承研究进展
王优强 杨成仁 ( 青岛建筑工程学院机械工程系 266033)
摘要: 对当前水润滑橡胶轴承的发展现状及存在的问题进行了深入剖析, 并针对存在的问题进行了一些理论分析 和实验研究工作。
关键词: 水润滑 橡胶轴承 摩擦系数
The Development and Study of the Water- Lubricated Rubber Bearings
表 1 几种常用水润滑轴承材料性能比较
材料
价格
铁梨木

夹布胶木

橡胶

塑料

陶瓷

加工
导热性 对泥沙敏感 安装要求
优点
使用效果
承载力

一般
敏感
准确
耐磨
较差

较难

敏感
准确
耐腐蚀
较差



不敏感 不很严格
耐磨

较高
较易

稍敏感
较准确 综合性能

ຫໍສະໝຸດ Baidu


一般
敏感
准确
高强度
较好

从表中可以看出, 采用不含固体颗粒的清 洁冷水 润滑时, 塑料轴承和陶瓷轴承都具有良好的运 转性能
1) 虽然水润滑 橡胶 轴承在 制造生 产方 面的经 验 已较多, 但是现在国内水润滑橡胶轴承的设计 制造还 只是停留在经验阶段, 而且很多经验数据仍沿 用国外 50、60 年代的数据, 很多已不适用于国内目前的水润 滑橡胶轴承材料及应用现状。
2) 在理论上国 内还 没有出 现过水 润滑 橡胶轴 承 的系统报导, 在国外研究得也很不深入, 特别 对水润 滑橡胶轴承的润滑机理, 能否形成流体动力 润滑, 如 果能形成, 那末形成流体动力润滑的轴承、速 度及载 荷条件等均没有明确的研究。
在轴承减摩材料方面, 现在人们常用的轴承衬里 材料主要有以 下几 种: 1) 白合 金 ( 又称 巴氏 合金) : 包括锡基和铅 基白合 金等。2) 铜 基合 金: 包括 铅铜
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合金, 铅青 铜、锡青 铜、磷 青铜、 铝青 铜等。 3) 铝 基合金: 包括铝锡合金、铝硅合金 等。4) 锌 基合金:
因为一旦出现干摩擦轴将被卡住, 橡胶轴承将被烧毁。
和高的承载能力。尤其是最近才研制出的精细 陶瓷和
金属塑料, 它们的性能和使用参数反映了当今 水润滑 轴承的水平以及发展方向。
但是塑料轴承的热膨胀和吸水性导致轴承 间隙的
变化, 陶瓷的高脆性和低的抗冲击性能, 以及 它们对 水中固体颗粒的高度敏感, 限制了它们的应用。
作, 容易产生轴瓦和轴颈配用材料间的相互接触; 因 此, 水润滑轴承材料的性能是决定其工作性能和使用 寿命的一个主要因素。
7) 粉末烧结轴承材料: 铜基、铁基合金 等。8) 薄箔 等。
在以上八类轴承衬里材料中, 国内 曾经被用来或 目前仍然被用来制作水润滑轴承 的材料有铁梨 木、夹
由于水 是一 种低 粘 度液 体, 在 50 时 水 的绝 对 粘度约为透平油粘度的 1/ 65。而润滑液膜的承载能力
Keywords: Water- Lubrication Rubber Bearing Friction Coefficient
轴承是机器中广泛使用的支承零件, 在轴 承中应 用范围最广的就是种类繁多的滑动轴承。据有 关资料 统计[ 1] , 目前世界上约有 1/ 3 的能源 消耗在不同 形式 的摩擦上, 其中滑动轴承的消耗约占 1/ 10。因此现代 旋转机械要求轴承要有良好的承载能力、高可 靠性及 长寿命。对于使用水或海水之类低粘度液体润 滑也要 求有很高的承载能力和耐磨性。解决这一问题 有两种 途径: 一是提供外界高压液体源, 也就是采用 流体静 压轴承; 二是利用流体动压轴承。采用流体动 压润滑 的摩擦副, 绝大多数是利用高粘度液体的收 敛楔。工 程实践迫切需要开发以低粘度液体为润滑液的 高负荷 轴承, 例如在冶金、矿山、水力等工作条件较 恶劣的 行业中应用的机械设备, 往往需要用输送液体 ( 特别 是水、海水等低粘度液体) 来进行润滑。这比 使用油 润滑具有独特的优越性。它不需要特殊的轴 承室, 以 及防止输送液与油混合的密封装置, 甚至不需 要在强 制润滑条件下的润滑供给装置等, 因此大大简 化了润 滑系统的结构。 1 水润滑轴承的发展现状
( 2) 发展及存在问题 可以说, 水润滑橡胶轴承发展过程的每 一步, 都 是与水润滑轴 承的 发展分 不开 的。即 40 年 代末期 出 现, 50、60 年代做了较多工作, 70、80、90 年 代研究 较少。虽然国内某些联合体在水润滑橡胶轴承 方面有
一些成熟的经验, 开发出了一些新产品并取得 了一定 的成果。但与国外相比, 差距还较大, 仍然存 在许多 需要解决的问题:
中国从 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, 60 年 代初 期开 始进 行 这方 面的 理论探索和试验研究工作。例如二机部第一设计院设 计的核泵水润滑轴承; 江都三站大型立式轴流泵上采 用的酚酐塑料水润滑轴承; 潜水电泵上采用的水润滑 塑料推力轴 承 等。在 70、 80、90 年代 这 方面 的 报导 较少, 特别是 以 橡胶 为 轴 瓦 材料 的 水 润滑 轴 承。目 前, 国内应用的水润滑轴承相对仍较少。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, 通过 模型试验, 对比和评价试验等总结出经验参数而加工 制造的。国内生产厂家也很少, 其中沈阳滑动轴承研 究所与西安交通大学润滑理论及轴承研究所组成的联 合体在这方面做过一些有益的探索。 2 水润滑轴承材料
Wang Youqiang Yang Chengren ( Dept of Mechanical Engineering, QIAE)
Abstract: With the development of the bearings which is aiming at high- speed, heavy- load and low- cost, strict requirement was presented for bearing materials and lubrication On the basis of many native and foreign literatures of water- lubricated rubber bearings, the developing status and the existed problems of the present water- lubricated rubber bearings was analyzed completely in the paper Some numerical calculations, theoretical analysis and experimental study were made for solving those problems
4) 对安装和 冲击 不敏 感, 成 本低, 重量 轻, 可 进行机械加 工; 运 转 费 用低, 可 以简 化 机 器的 结 构 等。
缺点是导热性差, 不耐油、起动力矩大。 但总体 来看, 水润滑橡 胶轴承 仍是 水下最 适宜的 轴承 之一, 它不仅节省了贵重有色金属和润滑材料, 而且 省去了 复杂的润滑剂供给系统, 简化了机器结构, 提 高了运 转的可靠性。因而具有广阔的应用前景。
单位压力 摩擦系数 ( MPa)
金属滑动轴承 ( 对钢轴)
0 14
0 020
2 46
0 250
带 8 个 纵 向 沟的 橡 胶滑 动 轴 承 0 14
( 对钢轴)
2 46
0 050 0 050
带螺旋的橡胶滑动轴承 ( 对钢轴)
10 55 59 80
0 038 0 012
无沟圆筒形的橡胶滑动轴承 ( 对 钢轴)
3 87 45 00
0 0580 0 0148
带 10 个纵向 沟的 橡胶 滑动轴 承 2 44
( 对钢轴)
4 88
0 0253 0 0158
2) 耐磨, 耐用。由于材料的良好配对使摩擦功耗
很小, 因而轴颈表面 磨损很小。特制的 表层橡胶材料
柔软而富有弹性, 具 有良好的包 容性, 使嵌入杂质通 过轴颈的回转导入通水沟槽内被 润滑水冲走。因此保
布胶木、橡胶、塑 料、陶瓷、石墨 制品、金属、合金 以及金属塑料等几种。而最 适合用水润 滑的当属以上
与粘度成正比, 与膜厚的平方成反比; 因此在 其他条 件都相同的情况下, 为获得相等的承载能力, 则水膜
几种非金属轴承材料, 而且它们 应用也最为广 泛, 在 此介绍几种常用的水润滑轴承材料以作比较, 见表 1。
而橡胶轴承则克服了以上主要缺点, 对泥 沙不敏 感, 缓冲抑振等优点使得在工作条件越恶劣的 地方越 能显示出水润滑橡胶轴承的优越性。因此水润 滑橡胶 轴承在国内部分行业中特别是船用泵、泥浆 泵、污水 泵等行业中具有广阔的应用前景。 3 水润滑橡胶轴承
( 1) 工作原理与特点 橡胶用于水轮机、水泵、船舶螺旋浆轴和 涡轮钻 机等轴承的轴 瓦衬 里, 它们 在大量 的水润 滑下 工作。 带橡胶轴瓦的轴承能够经受漂浮在水中的固体 粒子的 磨耗作用。如果 这 些粒 子落 入 金属 轴 和橡 胶 轴承 之 间, 则轴将其压入弹性橡胶轴承材料中, 而后 顺着其 旋转方向将其滚推到最近的水槽内, 并被水 冲走。图 1 所示是笔者所实验研究的一种 八纵向 沟水润滑 橡胶 轴承常见结构。 由于金属轴不是让 固体粒子跟着 自己移动, 而是 包容性地滚推它们, 因此 其磨损不大。同时 轴颈具有 很光滑的表面, 这有助于 减少橡胶轴 承的磨损。由于 橡胶的弹性, 这 样的轴 承对 轴的偏 斜和振 动不 敏感, 可以在脏水 中工 作, 但 不允 许在断 水的情 况下 工作,
从 1886 年英国水力 学家雷 诺 ( Reynolds) 推 导出 著名的流体动力润 滑方 程 ( 即 雷诺 方程) , 提出流 体 动力润滑理论至今, 人们对摩擦、磨损与润滑 的研究 与发展日益丰富, 润滑理论也日趋完善, 但人 们对水 润滑轴承特别是橡 胶轴承 的研究和 应用, 却是 以 Mui jderman 的低粘 度流 体动 压轴 承理 论为 基 础发 展起 来 的。
的厚度仅为油膜厚度 的 1/ 8。 这表明水 润滑轴 承承载 能力比较低, 而且 很有 可 能在 非 流体 摩 擦工 况 下工
包括镉基合金、铸铁、银等。5) 橡胶、石 墨、木材、 宝石、陶瓷 等。6) 工 程塑 料: 尼 龙、酚 酐树 脂、环 氧树脂和聚四 氟已稀 ( PTFE) 以及 它们的 混合 物等。
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润滑与密封
证了橡胶轴承表面摩擦很小, 使得轴承的寿命较长。 3) 缓冲、抑振、低噪 音。这 是其 它 水润 滑轴 承
所无可比拟 的 优点。 橡 胶材 料 弹 性较 好, 内阻 尼 较 大, 能 够有 效 地防 止 或减 缓 振动、 噪音 和 冲 击。另 外, 橡胶的变形还可起到缓和轴的应力的作 用, 并有 自动调位的能力。
图 1 八纵向沟橡胶滑动轴承结构示意图
综上所述, 水润滑橡胶轴承具有以下优点: 1) 摩擦系 数小。资 料表 明, 橡胶 轴承 在水 润滑
的条件下具有很小的摩擦系数, 与加工良好的金属轴 承在油中的摩擦系数相近 ( 约 0 005~ 0 01) , 见表 2。
表 2 用水润滑的各类轴承摩擦系数比较
轴承结构
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