張曉東，王培培，田瑞青，王文武

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

高轉(zhuǎn)速、低比壓水潤滑軸承摩擦、磨損試驗(yàn)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(xué)，湖北 武漢，430033；2.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

文章通過試驗(yàn)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(jìn)行了對比研究，摩擦試驗(yàn)表明：當(dāng)軸承間隙約0.2 mm時(shí)三種軸瓦材料的摩擦系數(shù)最小；磨損試驗(yàn)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(shù)，磨損率，高速

0 前言

水潤滑軸承的潤滑介質(zhì)為設(shè)備所輸送的水，由于潤滑介質(zhì)無礦物油，使得汽輪給水泵具有尺寸小，重量輕等特點(diǎn)，并能有效地減小機(jī)械傳動系統(tǒng)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(zhì)的狀況，解決了可靠性差和壽命短等問題，因而被廣泛應(yīng)用于汽輪給水泵及其它類泵產(chǎn)品中[1-2]。目前，國內(nèi)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(zhuǎn)速高比壓水潤滑軸承[3-5]，而對高轉(zhuǎn)速低比壓的水潤滑軸承研究較少，因此本文開展的對高轉(zhuǎn)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(tài)以降低運(yùn)動阻力，減少磨損的技術(shù)措施，是摩擦磨損學(xué)研究的重要內(nèi)容。水潤滑軸承在工作過程中，可能存在的狀態(tài)有以下5種：流體動壓潤滑狀態(tài)、彈性流體動壓潤滑狀態(tài)、混合潤滑狀態(tài)、邊界潤滑狀態(tài)和干摩擦狀態(tài)。如圖1經(jīng)典Stribeck曲線可知，滑動軸承從低速到高速一般要依次經(jīng)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(jīng)典Stribeck曲線圖

Stribeck曲線根據(jù)轉(zhuǎn)速由低到高共包括3個(gè)階段。在第一個(gè)階段摩擦處于邊界潤滑狀態(tài)，此時(shí)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(fā)生直接接觸，摩擦力最大。此狀態(tài)下，摩擦力主要由軸承軸瓦材料本身固有的摩擦系數(shù)決定；隨著轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)入混合潤滑階段，此時(shí)軸與軸承間逐漸開始形成水膜，同時(shí)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(shí)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(chǎn)生了接觸條件下的最小摩擦力，因此是混合狀態(tài)。此時(shí)若繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速就會進(jìn)入動壓潤滑階段，此時(shí)軸承與軸間的水膜已經(jīng)充分建立，水膜厚遠(yuǎn)大于3倍的軸與軸承粗糙度，此時(shí)摩擦開始進(jìn)入動壓潤滑狀態(tài)，軸承與軸之間基本不存在直接接觸。

2 水潤滑軸承試驗(yàn)臺位及試驗(yàn)

2.1 水潤滑軸承試驗(yàn)臺位

參考美國軍用標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，改制試驗(yàn)臺位及制定試驗(yàn)方案，試驗(yàn)臺原理圖及實(shí)物圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)臺位原理圖及實(shí)物

由于試驗(yàn)臺空載時(shí)有初始轉(zhuǎn)矩，且初始扭矩隨試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的變化而變化，因此試驗(yàn)前需要進(jìn)行空載試驗(yàn)，確定各轉(zhuǎn)速下的空載扭矩。

2.2 摩擦系數(shù)試驗(yàn)

圖3 試驗(yàn)軸瓦

試驗(yàn)軸瓦如圖3所示，均為帶有6個(gè)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(gè)，按軸瓦內(nèi)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(nèi)徑測量存在一定誤差），內(nèi)徑實(shí)測值見表1。

表1 各材料1#～4#軸瓦內(nèi)徑單位：mm

進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn)時(shí)，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(zhuǎn)速-摩擦系數(shù)關(guān)系圖

從圖4看出，各材料軸瓦在不同間隙下摩擦系數(shù)均隨轉(zhuǎn)速升高先急劇降低，在1 000～2 000 r/min時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最小值，然后隨轉(zhuǎn)速升高緩慢升高。軸瓦摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律符合經(jīng)典的Stribeck曲線變化規(guī)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(tài)不明顯，潤滑狀態(tài)主要為混合潤滑和動壓潤滑狀態(tài)。各材料軸瓦摩擦系數(shù)最小的間隙基本在軸直徑2.5‰附近，PEEK材料與PI材料在轉(zhuǎn)速約為2 000 r/min時(shí)摩擦系數(shù)最小，最小值約0.02；BTG軸瓦在轉(zhuǎn)速3 500 r/min時(shí)摩擦系數(shù)最小，最小值約0.12。BTG材料軸承在動壓潤滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)上升較慢，當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)3種材料摩擦系數(shù)相當(dāng)，轉(zhuǎn)速大于5 000 r/min時(shí)摩擦系數(shù)小于PEEK軸瓦和PI軸瓦。

2.3 磨損率試驗(yàn)

進(jìn)行磨損率測試試驗(yàn)時(shí)，對各材料軸瓦施加200 N載荷 （比壓約0.027 MPa）進(jìn)行50 h低轉(zhuǎn)速（～850 r/min）下軸瓦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)前測量各軸瓦內(nèi)徑及重量，試驗(yàn)后重新測量軸瓦內(nèi)徑及重量并計(jì)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(nèi)徑測量較為困難，因此試驗(yàn)時(shí)僅進(jìn)行了質(zhì)量磨損率試驗(yàn)。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(shù)量級，PEEK材料磨損率低于PI和BTG材料近一個(gè)數(shù)量級。各材料磨損率大小的規(guī)律與該摩擦系數(shù)大小的規(guī)律基本吻合，摩擦系數(shù)越小則磨損率也越小。

3 總結(jié)（1）各材料軸瓦在間隙為2.5‰軸頸時(shí)摩擦系數(shù)最小，摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律符合經(jīng)典Stribeck曲線變化規(guī)律，同間隙下PEEK材料與PI材料軸瓦摩擦系數(shù)在5 000 r/min以下相當(dāng)，均小于BTG材料軸瓦，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于5 000 r/min時(shí)BTG材料摩擦系數(shù)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(shí)PEEK材料磨損率最小，其值比PI及BTG材料低一個(gè)數(shù)量級，各材料磨損率大小的規(guī)律與該摩擦系數(shù)大小的規(guī)律基本吻合，摩擦系數(shù)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(guān)鍵技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),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(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)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(yè),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。