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润滑槽在套管上的水润滑三层滑动轴承的实验及其与橡胶轴承的性能对比研究
作者：Wojciech Litwin
摘要：更有趣的是，目前提供的水润滑轴承的材料是一种三层复合材料。它的每一层都有重要的功能。特地准备的滑动面确保了最小的阻力。磨合后其平滑度非常高，使得轴承可以在水润滑的条件下连续工作。腈基丁二烯橡胶层确保轴承的弹性，良好的减震性，对轴线偏差的敏感性。外部的黄铜层使轴承更容易与轴配合。
实验研究的结果会与相似几何结构的橡胶轴承相比。
关键词：水润滑轴承 螺旋桨轴轴承 海洋轴承 液体动力润滑
1介绍
环保意识水平的提高和近年来颁布的法律法规提升了人类对于环境友好技术的兴趣。在船舶推进轴轴承，水力发电，水泵以及其他工业行业都存在着这一趋势。在水润滑轴承以及可生物讲解的润滑油方面的兴趣增加的尤为明显。
在这个领域内，法律改变的一个例子可能是由美国环境保护机构起草的标题为《小型船舶一般许可》的一个法律监管草案，其宣称在所有于2013年后建造的船上，必须使用“环境可接受”的润滑油。这意味着这些润滑油的成分必须是生物可降解的和无毒的。老旧的船上也应该使用环境友好型润滑油，如果没有确定使用常规的必要性及可能性，船舶拥有者就应当清楚的记录标准溶液。
一般的，水润滑轴承被广泛的使用在众多的技术领域。各种滑动材料的优缺点已经探讨多年(Smith [1], Hother-Lushington [2])。轴承现在运用于船舶建造以及包括橡胶轴承(Orndorff [3–5], Wang [6], Wang [7]),聚合物轴承(Gao [8], Ginzburg [9]; Laskey [10]; Scaron;verko and Scaron;estan[11]),和复合轴承在内的各种行业。另外，还有一些由各种新开发的具有定制属性的多层材料制成的轴承(Yamjo [13])。许多关于其他种类的水润滑轴承的科学研究也正在进行。它们主要是陶瓷(Nisaka [14], Jahanmir [15])，烧结金属合金(Jun-hong Jia [16], Litwin [17]),和箔片轴承(Olszewski[18],Hryniewicz [19])。
船舶建造一直被著名的橡胶，聚合物以及复合材料结构所统治，橡胶和聚合物轴承被用于水泵上，就如同陶瓷和各种烧结轴承。在水轮机上可以同时使用聚合物轴承和橡胶轴承，然而陶瓷轴承目前在试用测试阶段。
所有的水润滑轴承大概可以分为两类—在轴承里面的套管不会因水动压力而产生任何形式的变形的刚性轴承和弹性套管轴承。被归为刚性轴承的轴承都是体积弹性模量大于大概3000MPA的。它包括所有种类的青铜轴承，陶瓷轴承，以及大多数在环氧酚醛树脂的基础上构造的复合轴承。其他类型的轴承—橡胶，聚合物，箔片等—属于弹性轴承这一分组。它们的优点是可以在较大轴偏差的条件下正常工作。
2 研究原因和目的
近年来，GDAńSK科技大学着手进行了基于实验研究各种类型的水润滑轴承包括刚性，综合指数和塑性等在内的性能。这个研究明确表明，设计一个适当的水动力水润滑轴承，要在实际应用时的负载和速度的水润滑条件下，能够正常工作。不幸的是，低浓度的润滑剂也就是水， 也不清楚提升粘度对压力影响的函数关系，因此尽管获得完整的液体动力润滑，也会导致一个通常不超过几十微米的非常低的最小水膜厚度。
这个作者的研究，和在文献中可以查到的结果一样，证明了弹性聚合物套管轴承的负载能力比刚性轴承（即复合材料制成的）的差，并且在相同的负载下工作时，弹性聚合物套管轴承拥有更小的薄膜厚度。这是由于压力使套管表面产生部分变形进而形成润滑膜。因而，在压力增加的区域内润滑间隙会改变其形状。这个表面变形可能会达到理论上的最小润滑间隙厚度的估计值并且成为形成流体压力的重要限制，这将大大影响轴承的负荷能力。
不幸的是，所有的类型的轴承在用于实际的过程中都会存在一定的缺陷。刚性轴承与复合轴承相比，其表面质量更加低劣并且这可能会导致在某些特定的情况下具有较低的液体承载能力。它们也更容易受到轴偏差的影响。因此，它们容易频繁的出现应力集中以及套管和复合材料过热导致分层的现象。另外，刚性材料的套管抑制震动的能力十分有限。正是因为这些原因，人们正在急切的寻找着低弹性模量的材料。
橡胶轴承用于船舶制造业中的螺旋桨轴轴承制造已经几十年了。过去，当使用天然含硫橡胶时，环境的腐蚀性经常会导致轴的损坏。已经被使用了许多年的橡胶没有产生这一问题。然而，当船舶启动时，它会产生一个较大的阻力，在某些情况下这将会造成滑动面的磨损。
这个工作的目的是研究现代全新创造的三层轴承的运转性能。它的创造指出了一个获得最佳性能的可能性，即在启动时有较低的包括位移在内的阻力，套管良好的弹性，表面光滑度高和良好的减震性能。（图1）
图1 测试轴承：(a)三层轴承，（b）橡胶轴承；1-钢衬套；
2-轴承钢衬套；3-丁腈橡胶；4-聚四氟乙烯层；5-钢套管中安装的压力传感器
图2；测试机—测试轴承单元；1-主轴，2-内部装有测试轴承的轴承箱，3-密封封面（右），4-支撑滚子轴承-加载荷的地方，5-压力传感器（在左表面和右表面两个表面上），6-两个接触传感器，7-连接测量扭矩的力传感器。
3 测试轴承的性能和研究方法
研究的对象是一个三层轴承。研究的结果将会与相同几何形状的橡胶轴承对比（图1）。在这两个轴承中，润滑槽只在没有负载的套管上部分。这促进了水动力现象的产生。沟槽的几何形状由于生产阶段的技术原因会有一定的不同。然而，可以认为在轴承和套管间的水动力现象没有产生影响。
可以在早期的文献中找到对于实验装置的详细描述(Litwin [20,21])。
所研究轴承的轴的直径为100MM，套管的长度为200MM(图2)，因为它代表了典型的螺旋桨尾轴套管轴承的比例。这个轴的材料是海军用不锈钢X10CrNi18-8。
这个轴承被放置在一个巨大的钢铁箱里面，这个铁箱的两个平面各被安置了8个压力传感器，它可以测量套管与轴承间的压力分配情况（图2）。轴承通过在两边加装密封圈来装配。这将允许润滑介质例如水强制通过轴承。两对位移传感器安装在其表面，用来记录轴的轴心的运动轨迹。这个实验提供了独一无二的测量轴边界在套管中位子的方法以测得负载与轴承间隙的函数关系式。径向载荷通过滚轮与滚动轴承施加在套管上并可以随时测得瞬时摩擦力及摩擦系数。然而，这个方法有一定的局限性。在阻力较低时，滚轮运动的阻力会使测量结果产生误差（图2）。
驱动器由一个电动马达和减速齿轮构成，它可以为试验台提供大约160N·M的最大扭矩。这允许这个实验机器在启动和运行时的最大负荷为16KN。这使得当我们测试发生粘滑运动现象的某些聚合物时，不会发生在满载的边界摩擦的条件下起步和运行测试机的情况。
这个实验在调查得出的典型大小的轴承的条件下进行的，这种轴承一般用于小容器或水电产业的蒸汽轮机的轴的轴承。旋转的速度调节的范围为0-11 rev/s。
测试间的最大压力保持在0.8MPA的水平（压力16KN）。轴承使用10摄氏度的干净清洁的水润滑。
测试参数在表1中列出。
轴承在测试之前经历了磨合的过程。这个测试是在轴承在各种条件下工作20小时之后才开始进行的。
表 1 轴承数据
|
编号 |
轴承种类 |
轴直径/轴承长度/径向间隙（mm） |
负载（MPa） |
轴的转速（r/s） |
|
1 |
三层轴承（聚四氟乙烯/丁腈橡胶/黄铜） |
100/200/0.5-0.6 |
0.2, 0.4, 0.6, 0.8 |
1, 2, 3, 5, 7, 9, 11 |
|
2 |
橡胶轴承（丁腈橡胶/黄铜） |
100/200/0.4-0.5 |
0.2, 0.4, 0.6 |
1, 2, 3, 5, 7, 9, 11 |
图3 测量得到摩擦力矩及计算得到的在轴起步阶段到起步后几分钟的
时间内摩擦系数与负载的函数；（a和c）三层轴承；(b和d)丁腈橡胶轴承
4 测试结果
测量的结果如下列所示。
摩擦力矩和摩擦系数的值是根据记录的摩擦力值计算得出（图2 组件7）。启动时阻力的增加量关于负载的函数近似一条直线（图3 a和b）。然而，摩擦系数随着负载的增加而降低。对于丁腈橡胶轴承，运动阻力以及摩擦系数的数值在很大程度上取决于成功启动阶段的时间跨度（图4）。因为扭矩的上限大约为160N·M，所以丁腈橡胶轴承在停止两个小时以上的时间后，没有可能测量在0.2MPA的负载下启动时的运动阻力。
摩擦系数的值是根据所记录的摩擦力矩值计算得出。
轴与套管间的压力分布被分为两部分记录。两者的记录值基本相同，因此下面的图表（图5-7）记录了测量的平均值。瞬时压力变化的情况取决于套管内轴的轨道分布情况。当轴的速度变得越来越快时，这种轨道变得越来越小（图8）。这将会导致由沿着套管周边安装的传感器记录压力的频率下降。
轴的轨迹和边界位置的测量结果证明了套管材料的弹性很高，也表现出了套管滑动表面形状上的一些缺陷（图8）。几乎所有的橡胶、高分子以及复合轴承都有这个问题。在过去，套管的理想的圆柱形状只有可能在那些表面经过研磨和抛光的青铜或者烧结金属轴承上实现。由于负载超过0.2MPA轴承会发生重大变形，所以没有办法评估油墨厚度。
5 测试结果分析
运动阻力和摩擦系数图(图3和图4)体现了两种研究轴承的重大差别。三层轴承的聚四氟乙烯滑动面的静态摩擦系数与丁腈橡胶相比大大降低了。另外，橡胶轴承的值在轴保持静止的启动阶段，在与时间的函数中随着时间的增加而大大增加。甚至当负载仅仅只有0.2MPA时，尽管驱动以及传动电机提供了大约160N·M的扭矩，试验台在暂停工作长达3小时后也没有可能重新启动（图4b）。因此，为了调查这一现象的特点，在负载不超过0.1MPA的条件下，进行了一系列相似的启动实验（图4a）。摩擦系数的计算得出的趋势是增加的，当实验机器停止工作24小时之后，摩擦系数的值达到最大。这个值的大小是实验机器在仅仅停歇几分钟就测量所得到的摩擦系数的值的两倍。
图4 轴起步阶段的摩擦系数；
（a）三层轴承，负载为0.1MPa（b）橡胶轴承，负载为0.2MPa。
图5 测量的在套管较低水平面上的平均压力分布情况，转速3r/s。
（a）烧结金属套管轴承和(b)橡胶轴承。
图6测量的在套管较低水平面上的平均压力分布情况，转速7r/s。
（a）烧结金属套管轴承和(b)橡胶轴承。
图7测量的在套管较低水平面上的平均压力分布情况，转速11r/s。
（a）烧结金属套管轴承和(b)橡胶轴承。
在把转速修改为1r/s的过程中，两种轴承的动态阻力大小相似并且由于测量因试验台的结构特点引起的较小的摩擦力较为困难，所以很难评估哪种轴承的运动阻力较低。
在水泵关闭冷却受限的条件下，通过一个长时间的运行测试得到了一个非常有趣的结果。表面为聚四氟乙烯的滑动轴承没有任何困难的运行了大约3个小时并且当温度保持在一个较为安全的水平时测量停止。在丁腈橡胶轴承的测量过程中，因为套管的局部过热，轴承出乎意料的在开始测试一个小时后就抱死了。可以得到轴承抱死的原因是套管材料体积增加以及在轴上安装过紧的结论。转换器因为扭矩过大而自动关闭对轴以及套管没有永久性的伤害。当制冷系统失效或者过滤器发生堵塞时，船上也会发生类似的现象。两者的区别在于，船舶发动机过高的扭矩导致的这种级别的套管过热会损坏轴承。人们已经了解到聚合物套管融化以及流出外壳的情况。这种意外十分危险因为它们通常会造成海洋灾害并得到法院的惩罚。
图8 负载在0.2-0.6MPa的范围内时，套管内轴中心的边界上的摩擦力。
（a）三层轴承的左侧。 （b）三层轴承的右侧。
（c）橡胶轴承的左侧。 （d）橡胶轴承的右侧。
在进行了测量的基础上很难明确的知道是否有任何一种轴承可以在完全液体润滑的条件下工作。必须指出，作者的意图是比较形状相同的轴承的性能。不幸的是，由于技术的原因，套管的形状不是很完美，它具有一定的缺陷。首先也是最重要的是，它不是标准的圆柱形（图8）。另外不可能使制造出的周恒的间隙直径几乎相同。
间隙圆的测量结果显示橡胶轴承的弹性远远好于三层轴承的弹性。变形量的大小取决于渐增的压力负载的变化周期也是橡胶轴承的一个特性（图8c和d）。这是由于有相当大的沿着套管上半部分加工的润滑槽的存在（图1）。
通过分析两种轴承的压力分布，我们可以发现两个轴承受到的的最大压力有着明显的区别（图6和图7）。这是一个在早期的研究当中就已经被确认了的现象(Litwin [20–22])。润滑膜上的最大压力在很大程度上取决于套管材料的弹性。这是源于套管在流体压力的作用下的表
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