探析水潤滑橡膠軸承研究進展

汪希磊

摘 要：水潤滑橡膠軸承以其無污染、省材料、低成本；耐磨損、耐泥沙、耐腐蝕等一系列優點而在船舶、水泵業獲得廣泛應用，成為水下最適宜的軸承之一。它對于解決目前水介質中使用金屬滑動軸承頻繁出現密封失效、軸瓦磨損問題的矛盾，對于簡化機械潤滑與密封系統結構和節約貴重有色金屬軸瓦材料，都具有重要的意義。

關鍵詞：水潤滑橡膠軸承；研究進展

隨著人口增長和工業的日益發展，資源短缺和環保問題已成為人們日益關注的問題，目前節能節材和環保要求已成為機械產品設計中必須考慮的因素之一。而水潤滑橡膠軸承以其無污染、結構尺寸小、摩擦系數小以及對軸的振動和偏斜的不敏感性，在加上低成本、良好的耐磨、耐腐、對泥砂的不敏感和良好的緩沖吸振性能等優點在石油化工設備、污水泵、立式多級泵等，尤其在水力機械中采用以其自身輸送的水介質作為潤滑、冷卻的水潤滑橡膠軸承已成為結構設計的發展方向。

一、水潤滑軸承的發展現狀

1.國外發展現狀

從1886年英國水力學家雷諾（Reynolds）推導出著名的流體動力潤滑方程（即雷諾方程），提出流體動力潤滑理論至今，人們對摩擦、磨損與潤滑的研究與發展日益豐富，潤滑理論也日趨完善，但人們對水潤滑軸承特別是橡膠軸承的研究和應用，卻是以Muijderman的低粘度流體動壓軸承理論為基礎發展起來的。從40年代末期開始，蘇聯一直對采用水作為潤滑液的流體靜力軸承和流體動力軸承的特性和材料進行深入的研究。英國、德國和日本以及其他許多國家在50、60年代也在水潤滑軸承的研究方面做了大量的工作。英國的海沃德—泰勒公司在無填料泵結構中采用了水潤滑滑動軸承，其軸材料為馬氏體不銹鋼或在碳鋼表面鍍鉻。而軸瓦材料為石棉填充酚酐樹脂，使用效果較好。德國的維克斯和米契爾公司則在深井泵中和潛水泵中采用水潤滑橡膠軸承，即以橡膠材料作軸瓦。加拿大的湯姆遜—戈爾登有限公司在船舶尾軸的支承中采用了水潤滑系統，在不銹鋼軸承上復合一層聚合材料作軸瓦。日本在離心泵和船用離心泵中廣泛采用了水潤滑軸承；在大型內燃機油輪用輔鍋爐給水泵中，采用了自給式的水潤滑軸承，軸瓦材料為滲碳合金。東芝公司還在汽輪發電機和水輪發電機上開發了泵用水潤滑軸承等。

2.國內發展現狀

中國從50年代中期開始在船用離心泵和軸流泵中采用水潤滑軸承，60年代初期開始進行這方面的理論探索和試驗研究工作。例如二機部第一設計院設計的核泵水潤滑軸承；江都三站大型立式軸流泵上采用的酚酐塑料水潤滑軸承；潛水電泵上采用的水潤滑塑料推力軸承等。在70、80、90年代這方面的報導較少，特別是以橡膠為軸瓦材料的水潤滑軸承。目前，國內應用的水潤滑軸承相對仍較少。例如在泵上應用的水潤滑橡膠軸承大多是從德國引進技術，通過模型試驗，對比和評價試驗等總結出經驗參數而加工制造的。國內生產廠家也很少，其中沈陽滑動軸承研究所與西安交通大學潤滑理論及軸承研究所組成的聯合體在這方面做過一些有益的探索。

二、水潤滑橡膠軸承的設計原則

1.橡膠層的厚度

橡膠軸瓦的厚度是橡膠軸承設計中的重要參數，取決于軸徑、軸的平衡度、軸的轉動頻率和溝槽的斷面以及載荷等。但在實際中橡膠層的最小厚度主要考慮軸承正常工作時，懸浮于水中的砂粒尺寸，其次還考慮結構尺寸，包括為了滿足橡膠軸承表面和旋轉軸頸表面之間建立流體動壓潤滑所要求的最小楔形角，也就是說要限制軸頸陷入橡膠材料的程度，因此也與載荷有關。一般橡膠層以薄為好。理論上橡膠層最小厚度為1.5～2.5mm，但由于制造工藝困難，建議橡膠層最小厚度為6mm。另外，橡膠軸瓦與金屬軸套間要有良好的粘附強度。橡膠與黃銅的粘合是最安全可靠的，操作也簡單，因此應優先采用黃銅軸套。鋼制軸套有時需要在鋼套內表面進行特殊加工，以保證橡膠與金屬之間的粘附強度不低于4.5MPa。

2.橡膠軸承的線速度

對水潤滑橡膠軸承來說，線速度越高，摩擦系數越小。但當線速度達到一定值后，摩擦系數會逐漸穩定，但溫度會上升，所以線速度并非越大越好。而線速度太小時，會引起摩擦系數過大，軸承的功耗過大。通常橡膠軸承的線速度在5～20m/s之間時，摩擦系數和溫升是比較理想的。另外，線速度對水潤滑橡膠軸承的承載能力也有一定的影響。實驗研究表明，在低速范圍內，軸承的最大承載能力與線速度幾乎成線性比例關系。但當速度達到一定值后，再提高線速度對承載能力不會再有明顯的影響。

3.軸承間隙

為了保證軸能夠輕快的旋轉，軸承內孔和軸外徑之間的間隙應選取合理值。數值計算發現，橡膠軸承的承載能力在其他條件不變的情況下隨軸承間隙的增大而減小，隨間隙的變小而增大。但并不是說軸承的間隙可以無限增大或減小，超過一定值就會破壞流體動力潤滑狀態而使承載能力大幅度下降。根據實驗，軸承間隙受軸直徑、橡膠層厚度和硬度的影響。橡膠層越厚、硬度越軟，軸直徑越大則軸承間隙相應越大；而軸承橡膠層越薄、硬度越高，軸直徑越小則軸承間隙相應就要小些。例如對直徑為 65mm的軸，表面光潔度Ra0.8，橡膠軸承表面光潔度Ra1.6，邵氏硬度75，橡膠層厚度22mm，經實驗表明最佳軸承間隙值為0.12～0.14mm。

三、結語

通過對水潤滑橡膠軸承的結構設計研究表明，在軸承設計過程中除了選擇合適的軸承材料，還應從以下幾個方面重點考慮水潤滑橡膠軸承結構設計：采用平面型軸瓦結構，改善軸承在低轉速工況的運行條件；通過理論分析和原理試驗相結合的方法，設計出具有最佳橡膠層的厚度的軸瓦；采用底部為流水槽道的軸瓦布置形式。通過以上方法的采用，能明顯降低水潤滑軸承的摩擦、磨損，提高軸系傳動效率，并延長軸承使用壽命。

參考文獻：

[1] 王優強.水潤滑橡膠軸承潤滑機理的研究.沈陽：東北大學，1995.

[2] 王賢烽等.水潤滑橡膠尾管軸承的性能研究.船舶工程，1993（4）：45～49.