硬度對螺旋槽水潤滑橡膠推力軸承摩擦磨損性能影響的實驗研究*

廖大鑫 文薄程 周廣武

(1.四川大學(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院 四川成都 610065;2.中國人民解放軍77675部隊 西藏林芝 860000)

推力軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中起著提供軸向支撐力的作用。在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，通常使用水潤滑推力軸承來實現(xiàn)這一目的。水潤滑推力軸承摩擦學(xué)性能是影響船舶工作效率重要因素[1]，因此研究其摩擦學(xué)性能具有重要的實踐指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對水潤滑推力軸承的性能進(jìn)行了相關(guān)研究。何春勇等[2]采用數(shù)值仿真研究了扇形瓦塊傾角和潛水深度對其潤滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)最大水膜壓力和溫度均出現(xiàn)在推力瓦出水口靠外徑的位置。司占博等[3]通過ANSYS平臺建立了固定式傾斜推力瓦有限元分析模型，發(fā)現(xiàn)其最大變形和應(yīng)力位置為推力瓦進(jìn)水2/3瓦長處。HU和MENG[4]采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方式研究了啟停條件下水潤滑螺旋槽推力軸承的摩擦學(xué)性能，建立的模型呈現(xiàn)了摩擦學(xué)行為的演變。ZHANG等[5]建立紊流潤滑模型研究了水潤滑螺旋槽推力軸承的靜態(tài)和動態(tài)特性，指出在紊流狀態(tài)下應(yīng)考慮空化和離心力的效應(yīng)。陳文戰(zhàn)[6]實驗研究了ACM材料推力軸承的性能，包括摩擦因數(shù)、磨損量和水膜壓力等性能參數(shù)。張金慧等[7]研制了一種新型水潤滑軸承用石墨材料，并通過實驗研究其摩擦學(xué)性能。楊麗華[8]從材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計到實驗研究系統(tǒng)性地研究了石墨推力軸承的摩擦學(xué)性能。

目前，在水潤滑推力軸承的數(shù)值模擬方面，研究人員大都以全膜動壓潤滑為理論基礎(chǔ)，未考慮粗糙面接觸的影響，因此得到的摩擦因數(shù)往往較實驗數(shù)據(jù)偏小[9]。在水潤滑推力軸承的實驗研究方面，多數(shù)學(xué)者是從軸承材料性能研究出發(fā)，摩擦副也通常采用線接觸形式，這和推力軸承面接觸的摩擦副形式存在著較大差異[10]。針對上述問題，本文作者設(shè)計并制造一種螺旋槽橡膠推力軸承試件，通過改變橡膠層硬度，在改造的面面接觸摩擦副摩擦磨損實驗臺上，開展不同轉(zhuǎn)速和載荷下水潤滑條件下橡膠推力軸承試件的摩擦學(xué)性能研究，著重分析高速重載工況下推力軸承磨損行為，為螺旋槽水潤滑橡膠推力軸承設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 推力軸承結(jié)構(gòu)

螺旋槽橡膠推力軸承的結(jié)構(gòu)如圖1所示。推力軸承分為結(jié)構(gòu)鋼基體以及上層橡膠層。其中，橡膠層又分為平臺區(qū)以及溝槽區(qū)，溝槽設(shè)計數(shù)量為8個。平臺區(qū)為承載區(qū)，且軸承平臺區(qū)設(shè)計為平面，無傾角。受實驗臺尺寸限制，推力軸承整體規(guī)格為結(jié)構(gòu)鋼基體厚度5 mm，直徑65 mm；橡膠層平臺區(qū)厚度5 mm，溝槽區(qū)厚度2 mm，內(nèi)徑25 mm，外徑65 mm。加載表面總面積約為1 300 mm2。與之對摩的加載盤為440C不銹鋼盤，表面經(jīng)過淬火處理，以提升耐磨性。推力軸承和加載盤共同構(gòu)成面-面摩擦副。

圖1 推力軸承結(jié)構(gòu)Fig 1 The structure of thrust bearing (a)schematicof bearing;(b)bearing entity

1.2 實驗裝置和實驗方法

實驗在UMT-TriboLab摩擦磨損試驗儀上進(jìn)行。試驗儀分上下兩部分，上部為法向加載端，下部為旋轉(zhuǎn)模塊。加載端裝有力傳感器和扭矩傳感器，傳感器將采集的摩擦力矩和加載力傳入計算機(jī)，并按下式計算摩擦因數(shù)：

μ=Tf/(FR)

(1)

式中：μ為等效摩擦因數(shù)；Tf為摩擦力矩；F為加載力；R為等效摩擦半徑，計算時等效摩擦半徑取值為推力盤內(nèi)徑和外徑的平均值。

實驗時，軸承試件緊固于旋轉(zhuǎn)模塊上的液池內(nèi)部，加載端向軸承試件加載指定載荷，旋轉(zhuǎn)模塊在指定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)。載荷設(shè)置為50～500 N，且每間隔50 N設(shè)置一測試點，共10個水平，對應(yīng)比壓為0.038 4～0.384 MPa。轉(zhuǎn)速設(shè)置為50～800 r/min，每間隔150 r/min設(shè)置一測試點，共6個水平。但受驅(qū)動力矩的限制，500 N和50 r/min的組合無法實現(xiàn)。2種軸承試件的橡膠層硬度分別為63HA和79HA。考慮到推力盤的磨損量極其微小，因此每種組合用同一推力盤進(jìn)行3次重復(fù)實驗取平均值。預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，高轉(zhuǎn)速時螺旋槽的離心效應(yīng)將導(dǎo)致潤滑界面處于缺水狀態(tài)，因此設(shè)計了水循環(huán)系統(tǒng)，其中橡膠層內(nèi)徑處為入水口，外徑處為出水口。實驗裝置以及實驗原理如圖2所示。為研究高速重載對不同硬度軸承磨損行為的影響，設(shè)計650 N(0.5 MPa)和800 r/min高速重載工況，并使用金相顯微鏡對該工況下推力軸承實驗前后的表面形貌進(jìn)行測定，借以分析軸承高速重載下的磨損形式。

圖2 實驗裝置及工作原理Fig 2 Experimental device (a) and principle(b)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同橡膠硬度試件摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化

圖3給出了2種橡膠硬度推力軸承試件的摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化。可以看出，相同載荷下，隨著轉(zhuǎn)速的上升，2種硬度推力軸承試件的摩擦因數(shù)均呈顯著下降趨勢，從50 r/min到800 r/min轉(zhuǎn)速，摩擦因數(shù)值下降了約75%，達(dá)到了0.14左右。這是因為在低速下，摩擦副表面處于混合潤滑狀態(tài)[11]，隨轉(zhuǎn)速上升，摩擦界面形成了局部動壓水膜，轉(zhuǎn)速越高，水膜愈完整，從而使接觸面出現(xiàn)一定的分離，有效地降低了摩擦因數(shù)。同時從圖中可發(fā)現(xiàn)，摩擦因數(shù)的下降先快后慢，這是因為低速時大部分載荷由表面微凸體承擔(dān)，轉(zhuǎn)速增加，最小水膜厚增大，這導(dǎo)致微凸體直接接觸區(qū)域占比下降，根據(jù)文獻(xiàn)[12]給出的最小膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)上述的變化規(guī)律是合理的。除此之外，低硬度推力軸承在低速時表現(xiàn)得摩擦因數(shù)更高。這是因為低速下流體動壓效應(yīng)不顯著，接觸載荷占比大，低硬度軸承變形更明顯，與之對摩的金屬盤上硬質(zhì)微凸體壓入橡膠更深，隨之產(chǎn)生的磨削阻力越大，摩擦因數(shù)更高。

圖3 不同橡膠硬度軸承試件摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化Fig 3 Variation of friction coefficient of bearing samplesof different rubber hardness with rotatingspeed (a)63HA;(b)79HA

2.2 不同橡膠硬度試件摩擦因數(shù)隨載荷的變化

圖4給出了2種橡膠硬度推力軸承試件的摩擦因數(shù)隨載荷的變化。可知，在低速時軸承試件摩擦因數(shù)隨載荷增大呈現(xiàn)波浪起伏趨勢，且高硬度軸承表現(xiàn)更明顯；在高速時低硬度推力軸承試件的摩擦因數(shù)隨載荷增大從0.11升至0.16后基本保持穩(wěn)定，高硬度推力軸承試件的摩擦因數(shù)則從0.13持續(xù)增加至0.18。從變化幅度來看，兩者摩擦因數(shù)隨載荷的變化幅度遠(yuǎn)小于隨轉(zhuǎn)速的變化幅度。這是因為水是低黏度潤滑劑，在低載荷時推力軸承也容易出現(xiàn)混合潤滑[13]，此時接觸區(qū)域與動壓潤滑區(qū)域的面積有一定比例關(guān)系。轉(zhuǎn)速較高時，載荷增加，橡膠變形量增大，彈流潤滑效應(yīng)愈加顯著[14]，這減緩了載荷增加導(dǎo)致的接觸區(qū)域占比增加，從而使得上述2種區(qū)域面積的比例基本不變或略微增大，由此摩擦因數(shù)呈現(xiàn)圖中所示的變化規(guī)律。這也說明在較高轉(zhuǎn)速下，載荷對摩擦因數(shù)的影響不顯著。

圖4 不同橡膠硬度軸承試件摩擦因數(shù)隨載荷的變化Fig 4 Variation of friction coefficient of bearingsamples of different rubber hardness withload (a)63HA;(b)79HA

2.3 不同橡膠硬度試件摩擦因數(shù)隨旋轉(zhuǎn)方向的變化

在實驗中，增加了63HA和79HA推力軸承逆時針旋轉(zhuǎn)工況作為對照組，用以研究旋轉(zhuǎn)方向?qū)δΣ烈驍?shù)的影響。旋向的觀測以垂直于橡膠層表面為基準(zhǔn)。選定200和350 r/min轉(zhuǎn)速比較不同轉(zhuǎn)向的摩擦因數(shù)的變化，結(jié)果如圖5、6所示。可以看出，2種轉(zhuǎn)速下，隨載荷的增加，2種硬度軸承的摩擦因數(shù)在逆時針旋轉(zhuǎn)下均比順時針旋轉(zhuǎn)表現(xiàn)出更高的增長趨勢。這是因為推力軸承順時針旋轉(zhuǎn)，其與螺旋槽的旋向是相反的，由于螺旋槽的泵送效應(yīng)，潤滑劑將從低壓區(qū)向高壓區(qū)流動[15]。一般來說，橡膠層平臺區(qū)為混合摩擦區(qū)域，存在著高壓水膜[16]；而橡膠層內(nèi)徑處為低壓區(qū)，故泵送效應(yīng)將有助于潤滑水膜的形成。而逆時針旋向與螺旋槽旋向相反，此時螺旋槽有導(dǎo)引出水口的水流向入水口的趨勢，這提高了出水口的靜水壓頭，從而阻礙了水流從入水口向出水口之間的流動，破壞了水膜的形成。隨著載荷的上升，順時針轉(zhuǎn)向下的泵送效應(yīng)對水膜形成的促進(jìn)作用，減緩了因接觸區(qū)域占比變大而導(dǎo)致的摩擦因數(shù)上升。而逆時針轉(zhuǎn)向阻礙了潤滑水膜的形成，因此載荷上升，接觸區(qū)域增大，摩擦因數(shù)快速增大。此外，對比不同硬度下摩擦因數(shù)的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)63HA軸承順逆時針旋向上摩擦因數(shù)最大的差值出現(xiàn)在中低載荷階段，而79HA軸承則主要出現(xiàn)在大載荷階段，這表明軟軸承在相反旋向下的摩擦因數(shù)對載荷的變化更為敏感。

圖5 200 r/min時旋轉(zhuǎn)方向?qū)δΣ烈驍?shù)的影響Fig 5 Influence of rotation direction on friction coefficientat 200 r/min (a)63HA;(b)79HA

圖6 350 r/min時旋轉(zhuǎn)方向?qū)δΣ烈驍?shù)的影響Fig 6 Influence of rotation direction on friction coefficientat 350 r/min (a)63HA;(b)79HA

2.4 推力軸承表面形貌分析

圖7和圖8分別給出了63HA軸承和79HA軸承實驗前后表面形貌變化。由圖7可看出，低硬度軸承試件實驗后表面出現(xiàn)了針孔狀麻點，同時伴有輕微劃痕。根據(jù)文獻(xiàn)[17]對磨損形式的形貌判定，可以推斷出低硬度橡膠軸承表面的主要磨損形式為空蝕磨損與磨粒磨損(微切削)。這種形貌的產(chǎn)生一方面是因為空蝕氣泡破裂對表面的沖擊作用[18]，另一方面是由于摩副表面的硬質(zhì)微凸體對橡膠表面的磨削以及脫落硬質(zhì)顆粒對橡膠表面的刮擦。由圖8可知，高硬度推力軸承試件摩擦表面除了上述2種磨損形式外，還出現(xiàn)明顯的凹坑，根據(jù)文獻(xiàn)[19]對磨損形式的形貌判定，可以推斷軸承表面發(fā)生了黏著磨損。這是因為在高速重載條件下，接觸區(qū)域保持較大占比，高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生大量的摩擦熱。在接觸區(qū)域，由于潤滑水膜很少，對流換熱效果很差，以至于短時間積累大量摩擦熱，這會使橡膠局部溫升過快，從而與剛性對摩副膠合然后撕裂，產(chǎn)生了如圖所示的凹坑。由于高硬度橡膠抵抗變形能力更強(qiáng)，因此其彈流潤滑效應(yīng)愈弱，形成的水膜更薄，對流換熱效果更差，因此更容易發(fā)生黏著磨損。

圖7 實驗前后63HA橡膠表面形貌Fig 7 Surface morphology of 63HA rubber before and afterexperiments (a)surface morphology before experiment;(b)surface morphology after experiment

圖8 實驗前后79HA橡膠表面形貌Fig 8 Surface morphology of 79HA rubber before and afterexperiments (a)surface morphology before experiment;(b)surface morphology after experiment

3 結(jié)論

(1)載荷不變時，橡膠水潤滑推力軸承的摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速上升而明顯下降，且下降速率呈先大后小的趨勢，總降幅可達(dá)0.51。低速重載條件下，高硬度軸承摩擦因數(shù)明顯小于低硬度軸承。

(2)同一轉(zhuǎn)速下，隨著載荷增大，逆時針轉(zhuǎn)向下推力軸承摩擦因數(shù)增長幅度遠(yuǎn)高于順時針轉(zhuǎn)向下。因此軸承螺旋槽旋向應(yīng)設(shè)計成轉(zhuǎn)向相反方向。

(3)高速重載工況下，2種硬度軸承均出現(xiàn)空蝕以及磨粒磨損。但相對于低硬度推力軸承，高硬度軸承更易發(fā)生黏著磨損，磨損更嚴(yán)重。因此，建議在高速重載條件下使用較低硬度的水潤滑橡膠推力軸承。