高轉速、低比壓水潤滑軸承摩擦、磨損試驗研究

張曉東，王培培，田瑞青，王文武

（1.海軍工程大學，湖北 武漢，430033；2.東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

高轉速、低比壓水潤滑軸承摩擦、磨損試驗研究

張曉東1，王培培2，田瑞青2，王文武2

（1.海軍工程大學，湖北 武漢，430033；2.東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

文章通過試驗對PI（聚酰亞胺）、PEEK（聚醚醚酮）和BTG（橡膠）三種水潤滑軸承軸瓦材料的摩擦、磨損特性進行了對比研究，摩擦試驗表明：當軸承間隙約0.2 mm時三種軸瓦材料的摩擦系數最小；磨損試驗表明：相同間隙下PEEK（聚醚醚酮）材料軸瓦的耐磨性能最佳。

水潤滑軸承，材料，間隙，摩擦系數，磨損率，高速

0 前言

水潤滑軸承的潤滑介質為設備所輸送的水，由于潤滑介質無礦物油，使得汽輪給水泵具有尺寸小，重量輕等特點，并能有效地減小機械傳動系統中不可避免的磨損、振動和無用功耗等，特別是避免了因密封泄漏而污染所輸送介質的狀況，解決了可靠性差和壽命短等問題，因而被廣泛應用于汽輪給水泵及其它類泵產品中[1-2]。目前，國內對水潤滑軸承摩擦、磨損的研究主要針對于船舶尾軸的低轉速高比壓水潤滑軸承[3-5]，而對高轉速低比壓的水潤滑軸承研究較少，因此本文開展的對高轉速低比壓水潤滑軸承摩擦、磨損研究具有一定意義。

1 水潤滑軸承的摩擦、磨損理論分析

潤滑是改善兩摩擦面的摩擦狀態以降低運動阻力，減少磨損的技術措施，是摩擦磨損學研究的重要內容。水潤滑軸承在工作過程中，可能存在的狀態有以下5種：流體動壓潤滑狀態、彈性流體動壓潤滑狀態、混合潤滑狀態、邊界潤滑狀態和干摩擦狀態。如圖1經典Stribeck曲線可知，滑動軸承從低速到高速一般要依次經歷干摩擦、邊界潤滑、混合潤滑和流體動壓潤滑等過程[6]。

圖1 經典Stribeck曲線圖

Stribeck曲線根據轉速由低到高共包括3個階段。在第一個階段摩擦處于邊界潤滑狀態，此時潤滑膜厚度低于軸承與軸接觸部位的平均粗糙度，軸承與軸之間發生直接接觸，摩擦力最大。此狀態下，摩擦力主要由軸承軸瓦材料本身固有的摩擦系數決定；隨著轉速的提高，進入混合潤滑階段，此時軸與軸承間逐漸開始形成水膜，同時該水膜逐漸將軸從軸承表面 “托起”，軸與軸承之間的接觸面減少，摩擦力急劇下降。實際上在動壓力的作用下，軸承與軸之間的接觸變得微乎其微，兩者產生了接觸條件下的最小摩擦力，因此是混合狀態。此時若繼續提高轉速就會進入動壓潤滑階段，此時軸承與軸間的水膜已經充分建立，水膜厚遠大于3倍的軸與軸承粗糙度，此時摩擦開始進入動壓潤滑狀態，軸承與軸之間基本不存在直接接觸。

2 水潤滑軸承試驗臺位及試驗

2.1 水潤滑軸承試驗臺位

參考美國軍用標準MIL-DTL17901C（2005）水潤滑軸承組件和CB/T 769-2008船用整體式橡膠軸承，結合國內外相關文獻，改制試驗臺位及制定試驗方案，試驗臺原理圖及實物圖見圖2。

圖2 試驗臺位原理圖及實物

由于試驗臺空載時有初始轉矩，且初始扭矩隨試驗轉速的變化而變化，因此試驗前需要進行空載試驗，確定各轉速下的空載扭矩。

2.2 摩擦系數試驗

圖3 試驗軸瓦

試驗軸瓦如圖3所示，均為帶有6個直槽的水潤滑軸承軸瓦，軸瓦軸向長度90 mm。共有3種軸瓦材料，分別為PEEK（聚醚醚酮）、PI（聚酰亞胺）和BTG（橡膠合金），同一種材料的軸瓦有4個，按軸瓦內徑從小到大依次編號1#～4#（由于BTG橡膠材料硬度較低，軸瓦內徑測量存在一定誤差），內徑實測值見表1。

表1 各材料1#～4#軸瓦內徑單位：mm

進行摩擦系數試驗時，通過液壓缸對軸瓦施加向上的200 N載荷，軸承供水壓力約0.2 MPa。

圖4 各軸瓦轉速-摩擦系數關系圖

從圖4看出，各材料軸瓦在不同間隙下摩擦系數均隨轉速升高先急劇降低，在1 000～2 000 r/min時摩擦系數達到最小值，然后隨轉速升高緩慢升高。軸瓦摩擦系數隨轉速的變化規律符合經典的Stribeck曲線變化規律，由于選用的軸瓦材料本身具有較好的自潤滑性，各材料的邊界潤滑狀態不明顯，潤滑狀態主要為混合潤滑和動壓潤滑狀態。各材料軸瓦摩擦系數最小的間隙基本在軸直徑2.5‰附近，PEEK材料與PI材料在轉速約為2 000 r/min時摩擦系數最小，最小值約0.02；BTG軸瓦在轉速3 500 r/min時摩擦系數最小，最小值約0.12。BTG材料軸承在動壓潤滑狀態下摩擦系數上升較慢，當轉速為5 000 r/min時3種材料摩擦系數相當，轉速大于5 000 r/min時摩擦系數小于PEEK軸瓦和PI軸瓦。

2.3 磨損率試驗

進行磨損率測試試驗時，對各材料軸瓦施加200 N載荷 （比壓約0.027 MPa）進行50 h低轉速（～850 r/min）下軸瓦磨損試驗。試驗前測量各軸瓦內徑及重量，試驗后重新測量軸瓦內徑及重量并計算磨損率。

表2 三種材料磨損率對比

由于BTG橡膠軸承材料較軟，內徑測量較為困難，因此試驗時僅進行了質量磨損率試驗。從表2可以看出相同軸承間隙下PEEK軸瓦磨損率最小，PI材料次之，BTG材料最差，PI材料和BTG材料磨損率均在同一數量級，PEEK材料磨損率低于PI和BTG材料近一個數量級。各材料磨損率大小的規律與該摩擦系數大小的規律基本吻合，摩擦系數越小則磨損率也越小。

3 總結（1）各材料軸瓦在間隙為2.5‰軸頸時摩擦系數最小，摩擦系數隨轉速的變化規律符合經典Stribeck曲線變化規律，同間隙下PEEK材料與PI材料軸瓦摩擦系數在5 000 r/min以下相當，均小于BTG材料軸瓦，當轉速高于5 000 r/min時BTG材料摩擦系數略低于PEEK及PI材料軸瓦。

（2）各材料軸瓦在間隙為2.5‰軸頸時PEEK材料磨損率最小，其值比PI及BTG材料低一個數量級，各材料磨損率大小的規律與該摩擦系數大小的規律基本吻合，摩擦系數越小則磨損率也越小。

[1]Baumgarten S.Hydraulic comparison of high pressure pumps for RO desalination systems[J].Worm Pumps,2005,(463)：52-55.

[2]Hua Xijin,Wang Jiaxu,Zhu Juanjuan,et a1.Study on tribological behavior of water-lubricated bearings[J].Journal of Advanced Manufacturing Systems,2008,7(1)：115-121.

[3]董從林,袁成清,劉正林,等.水潤滑艉軸承磨損可靠性壽命評估模型研究[J].潤滑與密封,2010,(12)：40-43.

[4]彭晉民,王家序.提高水潤滑軸承承載能力關鍵技術研究[J].農業機械學報,2005,(6)：149-151.

[5]周建輝,劉正林,朱漢華,等.船舶水潤滑橡膠尾軸承摩擦性能試驗研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2008,(5)：842-844,860.

[6]畢躍文,寧乾冰.淺談漁船高分子水潤滑艉軸承材料[J].齊魯漁業,2007,(11)：55-56.

Experimental Study on Friction and Wear of Water-lubricated Bearing in High Revolution and Low Specific Pressure

Zhang Xiaodong1， Wang Peipei2， Tian Ruiqing2， Wang Wenwu2

(1.Naval University of Engineering， Wuhan Hubei， 430033； 2.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

The paper compared the friction coefficient and wear rate of three kinds of water-lubricated bearing materials of PI（Polyimide）,PEEK（Polyether-ether-ketone）and BTG（Rubber）by experiment.Friction test showed that when the clearance was 0.2 mm,the friction coefficient of three kinds of bearing materials got to the minimum.Wear test showed that PEEK（Polyether-etherketone）material bearing had the best wear-resisting performance under the same clearance.

water-lubricated-bearing,material,clearance,friction coefficient,wear rate,high revolution

TK730

A

1674-9987（2017）04-0017-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.004

張曉東 （1969-），男，碩士，副教授，主要從事船舶動力裝置保障工作。