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水悬浮轴承性能及关键技术

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  水悬浮轴承习惯上被称为水润滑轴承。水润滑轴承是液体润滑滑动轴承(摩擦副)的两种经典型式之一。与油润滑轴承相比,水润滑摩擦副具有以下特点:

  ●成本低-用水替代油作润滑介质,使用成本低。

  ●环保卫生-对环境和人类健康没有任何危害,有利于环境保护。

  ●安全性好-水不会燃烧,也能维持更长时间的工作稳定性。

  ●易维护保养-水本身就具有清洁功能,所以水作介质的摩擦副系统的维护保养非常方便。

  水悬浮轴承材料一是自然水或水基液,二是非金属类材料,也使用少量的金属材料,具有节能、减排、减振、降噪、安全、可靠、耐磨、高效、长寿命和无污染等优点,可广泛应用于船舶、海洋、机械、矿山、冶金及国防军工等重要装备或领域传动系统。水润滑塑料或橡胶轴承在船舶行业已得到广泛应用,水或水基液润滑陶瓷轴承、静压水润滑导轨轴承等也逐渐开始应用。

  水润滑轴承衬套常用材料有金属材料、铁梨木、夹布胶木、胶合层板、工程塑料、陶瓷、橡胶以及橡胶合金等。不同材质的水润滑轴承性能相差很大。

  1.金属材料

  金属材质的显著优点是承载能力大,缺点是不耐冲击、减振效果差及易发生电蚀。

  2.铁梨木

  铁梨木木质致密坚硬,相对密度大。铁梨木含有高比例的树脂、树脂精汁,极少量硬树脂和苦性精汁。由于它遇水乳化而具有自润滑作用,因此广泛用于船舶尾管轴承。缺点是不适用于含有泥沙较多的水域,且吸水后体积有所膨胀。铁梨木是不可再生资源,属于消耗品,由于资源渐乏,价格昂贵。

  3.夹布胶木

  夹布胶木的树脂含量较高,抗磨性较好。艉轴承的镶条式夹布胶木轴瓦的结构与铁梨木轴瓦相同,也不适宜含沙较多的水域。

  4.胶合层板

  胶合层板浸透过人造树脂,用酚醛树脂黏结剂,常用的木材为桦木。层状木质塑料与钢或青铜形成摩擦副,水润滑时具有良好的耐磨性(油润滑也如此)。主要缺点是导热性较差,吸水易膨胀,即使是空气中的湿气(吸湿性)或滴水(吸水性)。材料泡胀会改变制成品的尺寸,影响轴承运转。

  5.工程塑料

  酚醛树脂和氟化乙烯树脂是用来制造水润滑轴承最常见的工程塑料。塑料对水的亲和性好,具有优良的润滑性能;塑料的高硬度能承受较大载荷。但它的缺点是吸水后膨胀较大,缩小了轴承间隙,不能自适应轴系变形,易发生抱轴或燃轴现象。

  6.陶瓷

  陶瓷具有耐高温、耐磨损和耐腐蚀的特性,对杂质适应性强,承载能力较大,正在被广泛关注和应用。作为多孔质材料,还具有一定的自润滑性,但缺点是耐冲击性差。

  7.橡胶以及橡胶合金

  橡胶轴衬最大特点是具有较强的缓冲和减震性能;亲水性好,水中摩擦系数较低且耐磨;弹性模量较小,适应轴系的倾斜或弯曲变形,可靠性较高。缺点是干摩擦系数较大,易烧结。

  从20世纪80年代末开始,前苏联对用水作润滑液的流体静力轴承和流体动力轴承的特性和材料进行了深入研究。美国、英国、德国、日本以及其他国家随后也在水润滑轴承方面做了大量研究工作。

  我国从20世纪50年代中期开始,在船用离心泵和轴流泵中采用水润滑轴承,在60年代初期开始进行理论探索和试验研究工作。如核泵水润滑轴承、江都三站大型立式轴流泵上采用的酚酐塑料水润滑轴承及潜水电泵上采用的水润滑塑料推力轴承等。但大都是从国外引进技术,通过模型试验,对比和评价试验等总结出经验参数而设计制造。

  考虑石油资源和环境保护,全球对水及水基液代替矿物油用作机械传动工作介质的兴趣日益浓厚。我国成为海洋强国的目标使海洋工程装备发展迅猛,对高端水润滑轴承产品提出了更旺盛、更迫切的需求,对水润滑轴承振动、噪声、可靠性、承载能力和寿命等性能提出了越来越苛刻的技术要求。

  世界船舶制造市场格局如图1所示,水润滑轴承的全球市场格局及国内市场分布见图2、图3。

  在核电及高档机床领域,水润滑轴承几乎完全依靠进口。这是因为工业领域关注度不够,研究力度和深度未能突破相关的核心技术及国内外产品质量差距较大,自主产品没有性价比优势,不具有竞争优势。

图1 世界船舶制造市场格局


图2 全球水润滑橡胶轴承市场占有情况


图3 国内水润滑市场分布格局

  与国外先进技术水平相比,我国在多场多介质耦合条件下高端水润滑轴承润滑机理、系统动力学、材料改性、环境效应分析和试验技术研究等基础研究方面有较大差距,低噪声、高可靠、长寿命、大尺寸、高比压、超润滑、高精度、高刚度、低能耗和智能化等高性能水润滑轴承创新设计制造理论、方法和技术是我国高端水润滑轴承迫切需要解决的共性和关键科学技术难题。

  能量与运动是通过机械零部件之间的界面来传递。机械设备与零部件的宏观工作性能(承载能力、效率、能耗和工作寿命,特殊与极端条件的适应性与安全可靠性)与界面的机械、物理与化学形态直接相关,而后者一般是微米或纳米尺度的复杂现象。传统的接触力学不考虑可能存在的各类润滑,传统的润滑力学不考虑可能存在的表面接触,它们都不能完整、准确地描述工程中界面的实际状况。

  因此,全面综合运用界面力学、摩擦学、表面工程、系统动力学、材料科学、先进制造、可靠性工程、测试技术等多学科交叉融合,与协同创新设计理论、方法和技术,是解决高端水润滑轴承及水润滑摩擦副问题的重要手段。

  需要突破的关键技术主要有:

  ●多场耦合条件下水润滑轴承系统动态服役行为关键科学问题;

  ●水润滑轴承的混合润滑机理;

  ●轴-水膜-轴承的非线性动力学与摩擦学耦合特性;

  ●水润滑轴承及系统振动噪声机理分析及其控制策略;

  ●基于界面与系统科学的水润滑轴承可靠性设计理论和方法;

  ●水润滑轴承多学科交叉创新优化设计方法;

  ●多场耦合条件的水润滑轴承及传动综合性能实验方法及评价体系;

  ●高端水润滑轴承材料配方设计、制造与精密成型制造科学方法;

  ●高端水润滑轴承工程应用关键技术及其产业化;

  ●高速、加速度变化剧烈的情况下,水与固体界面滑移的深入分析与控制。
摘自《高端轴承技术路线图》

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2019.12.16