水潤滑復合材料軸承摩擦學性能實驗

范　凱，解忠良，饒柱石，塔　娜，尹忠慰

（1.海軍裝備部 駐上海地區軍事代表局，上海 200000；2.上海交通大學 機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240）

?

水潤滑復合材料軸承摩擦學性能實驗

范凱1，解忠良2，饒柱石2，塔娜2，尹忠慰2

（1.海軍裝備部 駐上海地區軍事代表局，上海 200000；2.上海交通大學 機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240）

摘要：針對水潤滑復合材料軸承的摩擦學性能開展實用性實驗研究。采用新型聚四氟乙烯復合材料制備水潤滑軸承，并測試其在水潤滑條件下的摩擦學性能，給出摩擦因數隨外載荷、轉速、供水量和徑向間隙之間的變化規律。研究結果表明：外載荷和轉速對摩擦性能有著較大的影響，同時，存在最佳供水量和最佳半徑間隙使得軸承的摩擦因數最小、磨損最少。研究結果對新型復合材料水潤滑軸承的結構設計與優化具有一定的指導意義。

關鍵詞：振動與波；水潤滑軸承；摩擦因數；載荷；供水量；間隙；

水潤滑軸承以水為潤滑和工作介質，具有無污染、來源廣泛、安全性和阻燃性等優點，能降低和減少因摩擦副的運動而產生的磨損、噪聲、功耗等問題，使其在環保、節能、可持續發展等方面有巨大的潛力，在船舶和水泵等機械系統中得到廣泛應用。因此，水潤滑軸承的研究引起學者的廣泛興趣，其中，摩擦學性能、摩擦因數作為判斷軸承摩擦磨損特征、軸承使用壽命的重要指標又是當前該領域的研究熱點。較小的摩擦因數不僅節約能源，還可以使軸承磨損速率降低，延長使用壽命。而摩擦狀態不僅與工況參數有關，還與潤滑劑的性質相關。水的黏度很低，所以摩擦阻力和摩擦系數小，但相應的承載能力比油膜低得多，較難形成有效的流體動壓潤滑，甚至局部潤滑區域會發生粗糙峰的直接接觸，惡化界面的潤滑狀態。

目前，國內外很多學者在水潤滑軸承方面已做了大量有益工作[1–5]，內容包括潤滑機理、摩擦磨損機理研究及不同條件、材料特性對摩擦學行為的影響規律等。如王建章研究了海水潤滑下不同聚合物材料的摩擦學行為[6]；劉文紅對大尺寸高比壓水潤滑橡膠合金軸承進行了減震與耐磨試驗研究[7]；Zhang主要研究了不同摩擦學條件下金屬與塑料和橡膠之間的磨損特征[8]；秦紅玲研究了尾軸承橡膠層厚度和硬度及其交互作用對軸承摩擦學性能的影響[9]；周廣武研究了低速重載工況下的水潤滑橡膠合金軸承的摩擦噪聲特性[10]；何琳針對艦用水潤滑軸承低噪聲設計要求，采用納米粒子改性丁腈橡膠塑料復合材料制備新型水潤滑軸承材料，并測試了其在干態和水潤滑狀態下的材料硬度和摩擦性能[11]。

然而，某種程度上來說，工況參數（如載荷、轉速、供水量等）、結構參數（如半徑間隙等）對軸承的摩擦學特性影響的研究尚不夠充分，特別是針對復合材料如聚四氟乙烯PTFE軸承的研究還相對不足。因此，關于水潤滑復合材料軸承的系統性的試驗研究是對當前水潤滑軸承研究的重要補充，為水潤滑復合材料軸承的實際應用提供試驗支撐，具有重要的工程實用價值。本文在建立軸承綜合試驗臺的基礎上，針對多溝槽水潤滑復合材料軸承進行大量試驗，得到了摩擦因數變化規律，系統地分析了軸承工況參數、幾何參數對其摩擦學性能的影響，研究結果對于水潤滑軸承的結構設計與優化具有一定指導意義。

1　基本方程

1.1潤滑方程

流體動力潤滑的基本內容是求解Reynolds方程以揭示流體潤滑膜中壓力的分布規律[12]。水潤滑軸承具體幾何關系如圖1所示。

圖1　水潤滑軸承幾何關系圖

如圖1所示，軸承置于水箱之中，承受軸頸的垂向載荷。水潤滑軸承工作時，軸徑的順時針旋轉運動將楔形空間里的液體帶入收斂間隙而產生流體動壓。作用在軸徑上的水膜壓力的合力與外載荷相平衡，使軸頸的穩定位置偏于一側。平衡位置中心Oj，與軸承幾何中心Ob之間距離是偏心距e；偏心方向與垂向載荷之間的夾角是偏位角?，軸頸與軸承表面之間的距離為膜厚h。對應圖1（b）中，襯層厚度為T，一般襯層材料為橡膠或高分子材料，如聚四氟乙烯（PTFE）。在直角坐標系中，原點取在軸承中心，X軸為靜態載荷方向，Z軸根據右手準則確定，Y軸為軸向方向。

不考慮熱效應、黏壓、密壓效應的前提下，直接給出直角坐標系下適用于水潤滑軸承的無量綱Reynolds方程[12]

1.2膜厚方程

一般來講，水潤滑軸承水膜膜厚方程如下其中h0是軸承襯層未發生變形時膜厚[12]，計算方程為。 1.3載荷平衡方程

實際的水潤滑軸承通常帶有縱向溝槽。相比于傳統的油潤滑軸承，水潤滑軸承的工作環境相對惡劣。在海洋或內陸河流水環境中，作為潤滑劑的水通常含有泥沙和其他小的顆粒物，有時含量甚為可觀。泥沙等顆粒物會增大摩擦磨損，甚至會破壞潤滑環境。縱向溝槽的主要作用是在軸頸旋轉的過程中將潤滑界面的顆粒物攜入到溝槽，進而排除，以免影響軸承的潤滑環境。因此，為了模擬實際水潤滑軸承的潤滑狀況，采用帶溝槽的水潤滑軸承進行試驗研究。

圖2給出了水潤滑軸承溝槽位置相對于軸頸示意圖。

圖2　溝槽位置相對軸頸示意圖

1.4摩擦因數的計算

在潤滑區域中，摩擦因數的構成主要有兩部分組成：黏性流和剪切流。因此，摩擦因數可以通過對整個潤滑表面的剪切應力分布積分得到。計算公式如下其中Ff是摩擦力。

2　試驗裝置

2.1試驗臺

為了系統全面地對水潤滑復合材料軸承的潤滑性能進行研究，需進行相關的試驗，獲取足夠的實驗數據，為后續的分析提供實驗依據。本文以摩擦因數作為評價水潤滑軸承綜合性能的指標，在此基礎上考察載荷、線速度（轉速）、供水量以及軸承徑向間隙四種因素對水潤滑復合材料軸承的潤滑性能的影響規律。

試驗采用自行設計研制的水潤滑軸承綜合試驗臺，該試驗平臺主要由電氣控制部分、動力驅動部分、中間過渡部分、垂向加載部分、試驗信號采集部分組成。圖3給出了水潤滑軸承試驗臺原理簡化圖，圖4給出了水潤滑軸承試驗臺實物圖。變頻電機帶動試驗轉軸轉動，試驗軸承完全浸于水箱之中，通過導向桿對軸承施加徑向載荷。加載方式為液壓泵中間徑向加載，液壓泵內部注有壓力油，保證載荷的大小。軸承潤滑介質為清水，水溫與含沙量根據機械設計手冊(含沙量不超過0.01%，pH值6.5～8.5，氯離子含量不超過400 mg/L，水溫不高于65℃)予以控制，以保證潤滑滿足要求。轉軸軸頸材料為42CrMo淬火鋼，軸頸表面經淬火處理，泊松比0.3，彈性模量206 GPa，表面加工精度Ra=0.8 μm。

圖3中的元件8、9、10、11等共同組成了軸承的垂向加載部分。

圖5給出垂向加載裝置圖。垂向加載杠桿是1：5加載，即杠桿右側每加載1 N，施加在水潤滑軸承上的載荷放大五倍。試驗過程中，1#力傳感器測量水潤滑軸承徑向載荷，2#力傳感器測量軸承切向載荷，將2#傳感器測量的切向載荷傳遞到計算機進行存儲和后處理，從而計算得到摩擦因數。

圖3　水潤滑軸承試驗臺原理簡化圖

圖4　水潤滑軸承試驗臺實物圖

圖5　垂向加載裝置示意圖

2.2試驗軸承

圖6（a）、（b）分別給出了試驗用水潤滑軸承三維模型圖和實物圖。試驗軸承的整體結構采用平面板條式結構，其主要由襯層和套筒構成，試驗軸承內徑為62 mm，襯層厚度為2 mm，軸承襯層上均布有縱向導水槽，導水槽的數目設計為4個，導水槽的截面形狀為圓弧形，軸承內表面也采用圓弧形曲面。試驗軸承襯層采用以高分子聚四氟乙烯（PTFE）為主要成分的復合材料，具有良好的減摩性、耐磨性和抗腐蝕能力，且有較高的承載能力。軸承外套筒材質為45#鋼。軸承間隙根據試驗研究的要求，在試驗過程中進一步的確定。軸承基本參數如表1所示，20℃室溫環境下水的物理特性，見表2。

表1　軸承基本參數表

表2　20℃室溫環境下水的物理特性表

圖6　試驗軸承的三維模型圖和實物圖

圖7給出了PTFE復合材料試樣表面結構和紋理組織圖。其中，圖7（a）給出了通過高倍顯微鏡下掃描的組織表面的密集均勻分布的白色斑點。這些白色斑點主要是由高耐磨工程聚四氟乙烯材料的顆粒構成。圖7（b）為試樣的斷口形貌，高強度纖維均勻分布在聚四氟乙烯材料的組織上，形成無序排列的交錯模式，從而可以顯著提高材料的抗剪切、抗壓和耐磨性能。

圖7　PTFE復合材料表面結構和紋理組織圖

2.3摩擦因數計算方法

本試驗所用的試驗平臺可測量或控制的參數有：力傳感器1#測量得到的軸承徑向拉力F、設定轉速n、力傳感器2#測量得到的切向力T，以及力傳感器2到軸心的垂直距離R和軸承內徑d、長度L、軸承重力G。最后推導可得摩擦因數計算公式

2.4試驗條件及方法

在轉速為200 r/min～1 400 r/min的范圍內，取7個固定轉速，將軸承的徑向載荷逐漸增大，徑向載荷變化范圍為100 N～600 N，分別針對不同供水量Q，不同半徑間隙C，進行試驗并測量水潤滑軸承的摩擦因數。

3　結果與討論

3.1載荷對摩擦因數的影響規律

摩擦因數在不同轉速下隨載荷變化規律如圖8所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別代表四種不同工況參數（半徑間隙C=0.05 mm，0.10 mm，0.15 mm,0.20 mm）下，摩擦因數隨轉速的變化規律。

外載荷對水潤滑軸承的摩擦學性能有明顯的影響。從總體趨勢看，隨著載荷的增大，摩擦因數總體呈現先減小，隨后逐漸趨于平緩的趨勢。針對不同工況和結構參數，具體的變化規律稍顯復雜，如圖8 (c)中，轉速為200 r/min時，隨著載荷增加，摩擦因數隨載荷先增大，后逐步減小，最后才趨于緩和，中間有一個明顯波動的過程。

當載荷較小時，復合材料PTFE襯層所受壓力較小，襯層的總體宏觀彈性變形較小，轉軸和軸承接觸區域水膜厚度較薄，頸縮效應不明顯，不足以支撐整個外載荷。同時，軸瓦表面微觀尺度上三維形貌效應，容易導致軸頸與軸承直接接觸，形成邊界摩擦，摩擦因數較大。甚至在部分情況下，如圖8(c)中，轉速為200 r/min工況下，摩擦因數會隨著載荷的增大而有所上升，在外載荷F=300 N左右達到最大值，隨后逐漸減小；載荷較小時，轉軸轉動時將水膜攜入楔形接觸區內，水膜的動量使壓強升高，此時轉軸與軸承的接觸區形成一個高壓區，如果轉速足夠快，動壓效應增強，轉軸會逐漸被水膜浮起，出現慣性滑水現象。

進一步增大外載荷，軸承襯層所受壓力增大，復合材料PTFE襯層的宏觀彈性變形明顯增加，在接觸區形成很多單元，每個單元都是可能發生變形的彈性體。軸轉動時，軸與每個單元的趨近過程正是一種擠壓作用，其所產生的壓強使得各單元的中央部分凹陷變形，出現高壓區，進而產生頸縮現象。此時轉軸會被水膜浮起，出現黏性滑水現象，使得軸承接觸面的實際面積增大，導致單位面積上所承受的實際壓力反而減小，從而使摩擦因數減小。

圖8　不同轉速下摩擦因數隨載荷變化規律

當載荷增大到一定量后，彈性變形達到最大，這時候軸承界面的實際接觸面積接近軸承表觀接觸面積，外載荷再增大，摩擦力卻不再增加，使得摩擦因數也趨于穩定；繼續加大載荷，會使得水膜不足以支承載荷而破裂，導致干摩擦，造成摩擦因數急劇增大，同時導致摩擦表面溫度急劇升高，嚴重情況下甚至會造成軸承材料損毀，軸承失效損壞等。在試驗研究中，為安全起見所施加外載荷整體偏小，沒有出現這種情況。

3.2轉速對摩擦因數的影響

不同工況下軸承摩擦因數隨轉速的變化規律如圖9所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別代表四種不同工況參數（半徑間隙C=0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm）下，摩擦因數隨轉速的變化規律。

從圖中可以看出，大部分工況下，隨著轉速的增加，摩擦因數總體呈降低的趨勢，高轉速區段的變化趨勢相對平緩。有相當一部分工況的摩擦因數在高轉速區間段有一定的上升。當軸承承受載荷以后，在速度很低的情況下，水膜不能包容整個軸面，軸承與轉軸之間的潤滑狀態主要是干摩擦和邊界潤滑，所以摩擦因數較大。增大轉速，水膜動量增大的同時使壓強增大，提高了水膜的承載能力的同時也使得高分子復合材料合金產生彈性變形形成高壓區，速度越快，水膜承載能力越大。同時由于轉軸快速的抽吸作用，使得軸承與轉軸之間形成潤滑水膜，速度增大，水膜變厚，潤滑作用增強。同時，由于水膜的楔形效應使軸承的承載能力大大提高，進而使得摩擦因數相應地降低。

隨著轉軸轉速的繼續增大，軸承與轉軸之間的動壓效應進一步加強，同時由于復合材料的彈性變形產生部分彈流效應，從而使摩擦因數進一步減小。但速度達到一定程度時，接觸面之間的水分子受剪切作用而變形、扭曲，消耗能量，表現為使兩界面相互滑動所需的基本摩擦力趨近于穩定，轉速的增大對摩擦因數的減小影響很少，因此摩擦因數變化趨于平緩。

至于圖(d)中，高速區段摩擦因數隨轉速增大有所上升，則有可能是由于在部分工況下，高速條件下軸承彈流動壓潤滑狀態遭到破壞，接觸面之間的摩擦增大，摩擦因數抬頭上升。

3.3供水量對摩擦因數的影響規律

不同工況下，高分子復合材料水潤滑軸承的摩擦因數隨供水量的變化規律如圖10所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別代表四種不同工況參數（半徑間隙C= 0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm）下，摩擦因數隨轉速的變化規律。進行三組供水量的試驗測試，供水量的取值范圍從1.5 L/min～2.5 L/min之間。結合由試驗數繪制出的曲線可知，在試驗設定的供水量范圍內，軸承摩擦因數隨著供水量的增加而降低。這一結論與理論預期一致。事實上，隨著供水量的增加，一方面帶走了摩擦產生的大量熱量，另一方面改善了高分子復合材料接觸面的摩擦環境，使得復合材料更容易被水濕潤，從而在摩擦表面形成較完整的潤滑水膜，使摩擦因數降低。但是供水量并非越大越好，供水量太大，水流過快，使得軸承工作過程中形成穩定彈流潤滑的難度增加，反而不利于改善軸承潤滑性能。因此軸承的供水量存在一個最佳值。

圖9　不同載荷下摩擦因數隨轉速變化規律

圖10　不同轉速下摩擦因數隨供水量的變化規律

關于軸承最佳供水量的設計，文獻13給出了一個最佳供水量計算公式式中Q——供水量，L/min；c——供水系數；l——軸承長度，cm；d——軸承直徑，cm；u——軸頸圓周速度，m/s；ΔT——冷卻水溫升，℃。

試驗中，軸承長度和直徑分別為

轉速l=120 mm=12 cm，d=80 mm=8 cm轉速200 r/min～1 400 r/min，對應軸頸圓周速度

對u取其中間值，計算所需的最佳供水量為

試驗中，冷卻水的溫升能控制在2℃～4℃，以3.5℃為例，反推出的供水量為

從驗證過程和結果來看，本試驗軸承的最佳供水量設計與預測值相符。同時，在所采用的幾組供水量條件下，軸承的綜合潤滑性能指標已經達到比較令人滿意的效果。因此式(6)適用于高分子復合材料水潤滑軸承的設計指導。

圖11　不同轉速下摩擦因數隨半徑間隙變化規律

3.4軸承間隙對摩擦因數的影響規律

試驗主要測量四種不同半徑間隙（半徑間隙C= 0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm）下軸承的摩擦學綜合性能。根據試驗結果繪出的摩擦系數隨間隙變化規律如圖11所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別代表四種不的工況參數（外載荷F=200 N、300 N、400 N、500 N）下，摩擦因數隨轉速的變化規律。

從圖中可以看出間隙對水潤滑軸承的摩擦因數有較大的影響。隨著間隙的增大，摩擦因數先逐漸減小，到達最小數值后又有所反彈，后面的趨勢則根據工況的不同而稍有不同，如在圖1(a)、圖1(d)中，部分工況下，當間隙大于某一間隙0.10 mm，摩擦因數取得最小值之后，隨著間隙增大，摩擦因數一直保持增加的趨勢；而在另一些工況下在圖1(b)、圖1(c)中，摩擦因數在越過某一間隙0.10 mm的最小值后，隨著間隙增大達到一個最大值，隨后又開始降低的趨勢，但從整體趨勢上看，摩擦因數還是略有增加。這說明間隙過大時，轉軸與軸承之間不容易形成動壓效應，動壓水膜難以穩定，軸承的潤滑狀態屬于邊界潤滑；而間隙過小，由于復合材料PTFE的宏觀變形，又會導致轉軸與軸承襯層潤滑表面之間直接接觸面積的增加，甚至形成干摩擦，從而增大摩擦因數。因此，對于水潤滑軸承來說，存在最佳的半徑間隙使得試驗軸承的摩擦因數最小。綜合圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)四種工況可以看出，當半徑間隙C=0.10mm，此時，軸承的內徑為d=60.20 mm，軸承的摩擦因數是最低的。從摩擦因數這一指標來看，試驗軸承的最佳間隙為0.10 mm。

因此，在工程實際應用中，必須合理設計、選擇軸承的內徑，以保證軸承工作時處于最佳的工作間隙。

4結　語

通過對高分子復合材料PTFE水潤滑軸承的潤滑性能系統的試驗研究，以軸承的摩擦因數、摩擦功耗和潤滑劑的溫升作為軸承潤滑性能評價指標，分析了軸承的潤滑性能在不同工況參數、不同結構參數下的變化規律，得到如下結論：

(1)隨著載荷的增加，水潤滑軸承的摩擦因數整體呈現逐漸減小，并最終達到數值恒定的趨勢；

(2)隨著轉軸轉速的增大，水潤滑軸承的摩擦因數呈現先逐漸減小，隨后緩慢增加的趨勢；

(3)隨著供水量的增加，水潤滑軸承的摩擦因數先逐漸減小而后逐漸增大，存在最佳供水量，使得摩擦因數最小；

(4)軸承的最佳工作轉速在600 r/min～1 000 r/ min之間，這一轉速范圍內具有較低的摩擦因數（0.02～0.05），軸承的磨損也相對較小；

(5)水潤滑軸承在安裝中存在最佳半徑間隙，本試驗軸承的最佳半徑間隙C=0.10 mm。在該間隙下，軸承具有最小的摩擦因數和最小的磨損量。

參考文獻：

[1]Wodtke M,A Olszewski and M Wasilczuk.Application of the fluid-structure interaction technique for the analysis of hydrodynamic lubrication problems[J].Proc.Inst.Mech. Eng.,Part J:J.Eng.Tribol,2013.

[2]Pai R and D Hargreaves,Water lubricated bearings[J].In Green Tribology,2012,Springer:347-91.

[3]Fogg A and S Hunwicks.Some experiments with waterlubricatedrubberbearings[P].Proceedingsofthe Institution of Mechanical Engineers,1937.

[4]Cabrera D,N Woolley,D Allanson et al.Film pressure distribution in water-lubricated rubber journal bearings[J]. Proc.Inst.Mech.Eng.,Part J:J.Eng.Tribol,2005,219 (2):125-32.

[5]Busse W and W Denton.Water lubricated soft rubber bearings[J].Trans.ASME,1932,54:3-10.

[6]Wang J,F Yan and Q Xue.Tribological behaviors of some polymeric materials in sea water[J].ChSBu,2009;54 (24):4541-48.

[7]劉文紅，水潤滑橡膠合金軸承振動噪聲分析與實驗研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[8]Zhang S W and R Y He.Advances in the study on wear of metals by polymers[J].JMatS,2004,39(18):5625-32.

[9]秦紅玲，周新聰，閆志敏，等.尾軸承橡膠層厚度和硬度及其交互作用對摩擦性能的影響[J].兵工學報，2013，34 (3)：318-23.

[10]周廣武，王家序，李俊陽.低速重載條件下水潤滑橡膠合金軸承摩擦噪聲研究[J].振動與沖擊，2013，32(20)：14-17.

[11]何琳，楊雪，帥長庚.艦用新型低噪聲水潤滑軸承材料硬度與摩擦性能[J].噪聲與振動控制，2012，32(5)：181-84.

[12]張直明.滑動軸承的液體動力潤滑理論[M].北京：高等教育出版社，1986.

[13]沈陽水泵研究所.葉片泵設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1983.

E-mail:zsrao@sjtu.edu.cn

中圖分類號：TH133.3

文獻標識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.041

文章編號：1006-1355(2016)01-0192-08

收稿日期：2015-05-21

作者簡介：范凱（1986-），男，工程師，主要研究方向為艦船監造研究。

通訊作者：饒柱石（1962-），男，博士生導師。

Experimental Study on Friction Characteristics of Water-lubricated Composite-material Bearings

FANKai1,XIE Zhong-liang2,RAO Zhu-shi2,TANa2,YIN Zhong-wei2

(1.Military Representative Bureau in ShanghaiArea of NavalArmament Department, Shanghai 200000,China; 2.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China)

Abstract:Friction characteristics of water-lubricated composite-material bearings,including lubrication mechanism and performance parameters,were studied experimentally.The water lubricated bearings were made up of a new ultra-highmolecular polymer composite material PTFE.The friction properties under water lubrication condition were measured. Variations of friction coefficient with external load,rotating speed,water supply rate and radial clearance were presented. Research results show that the external load and the rotating speed have great influence on the friction characteristics. Meanwhile,there exists an optimum water supply rate and optimum radial clearance with the minimum friction coefficient and wearing as the target.Research conclusions have guiding significance for structure design and optimization of the newtype water-lubricated composite-materials bearings.

Key words:vibration and wave;water-lubricated bearings;friction coefficient;external load;water supply rate;radial clearance