摘要：概述了水润滑轴承的研究现状，并分析各种水润滑轴承材料的特点，指出今后水润滑轴承的发展趋势，提出了今后研究的方向。

　　关键词：水润滑轴承 尼龙 超分子量聚乙烯 赛龙材料 飞龙材料

　　1 引言

　　以油润滑轴承为主的船舶推进系统每年消耗掉大量的润滑油，并且油泄漏污染水资源及环境日趋严重。目前国内航行的船只(除了少数进口的之外)基本上都采用油润滑，如果每艘船平均每年泄漏润滑油按1.5吨计，每年泄漏润滑油高达几百万吨，极其严重地污染了水环境，破坏了生态环境，危及到人类的生存条件。近年来已引起各国政府、企业界和学术界的密切关注，少数工业发达国家对此投入巨额资金先后进行系统研究其治理技术及装备。美国政府并以法律形式明确规定，禁止艉轴轴承以油润滑的船舶在密西西比河等内陆河流中航行，以保护和净化水环境。

　　由于水具有无污染、来源广泛、节省能源、安全等特性，是最具有发展潜力的工作介质。因此，为了降低或减少各种摩擦副因运动而产生的摩擦、磨损、振动、冲击、噪声、无功能耗、可靠性差和寿命较短等问题，节省大量油料和贵重有色金属等战略资源，净化和保护江河湖水资源等人类赖以生存的环境，利用水替代矿物油作为工作介质的水润滑轴承，成为高效节能与环境保护科学研究领域的前沿，已引起了人们的普遍关注。

　　2 水润滑理论研究与结构设计

　　2.1 水润滑理论研究

　　水润滑轴承用自然水作润滑介质，不需要特殊的轴承室，同时不需要在强制润滑条件下的润滑供给装置[1]。但水有粘度低，海水锈蚀作用较强，易引起绝大多数材料电化学腐蚀和高分子材料老化，气蚀使材料受到侵蚀等缺点。所以水润滑轴承就要求水润滑轴承材料一般要求具有较高的硬度，耐磨性(尤其耐磨粒磨损)，耐腐蚀性，较好的表面水润湿性和极小的吸水膨胀性等。近年来，水润滑轴承理论研究主要集中在流体模拟计算[2-5]，结构设计和台架试验检测性能等方面[6-8]。

　　最近Harish Hirani[4]等人对印第安海洋警卫队舰船只所使用的四种Thordon(“赛龙”)艉轴承材料进行系统的弹流理论计算和磨损模型分析研究。研究发现，随着轴承转速的增加，海水的动态粘度增加;海水污染物颗粒在40-120nm范围内时对橡胶轴承的影响不大;合理的分配水润滑沟槽有利于提高轴承寿命。在给出载荷、速度、轴承半径间隙的条件下，利用雷诺方程，计算出弹性流体动力润滑薄膜厚度。

　　Alex de Kraker[2]等人根据雷诺方程、利用有限差分法计算出沟槽液体压力，并且计算出薄膜厚度和接触压力，能够很好的评价弹性流体动力润滑轴承的承载能力和摩擦学性能。 Fig.1. Bearing with housing[4]

　　Tan Kong Hong Ryan Tanamal[5]利用CFD建立了纵向沟槽水润滑轴承的流体流动模型，并通过对水润滑径向轴承流体进行模拟，得出了不同润滑剂、偏心率及周向安装情况下水润滑轴承的压力分布及流场，通过对润滑剂压力分布的分析发现，水润滑轴承的纵向沟槽能减小轴承的压力及承载能力，在沟槽处会发现流体回流及涡流，并且与润滑剂的粘度有很多的关系。

　　2.2 水润滑轴承结构设计

　　水润滑轴承结构设计重要集中在水槽结构上，比较普遍采用的是径向水槽。CFD分析[10]水润滑下低速重载轴向半开槽轴承(图2a)和轴向全开槽轴承(图2b)在相同偏心率下轴承凹槽结构对轴承内部温度和承载能力的影响，结果表明：全开槽轴承的工作温度较低，轴向凹槽对于轴承的冷却起着决定性的影响;下半部分光滑的半开槽轴承比全开槽轴承的承载能力大，半开槽轴承有一个连续的压力分布，允许水力膜产生连续的动压力，使得轴承的负载能力较高。水润滑轴承中的水道槽除了散热外，还有利于提高抗磨粒磨损性能。在水作润滑介质条件下工作时，轴承材料会受到悬浮在水中的固体粒子的磨损作用，如果这些粒子落入金属轴和轴承之间，就会顺着其旋转方向被水流推到最近的水槽内，并被水冲走。

　　a b c

　　图2 水润滑轴承开槽示意图(a全开槽,b半开槽,c圆弧槽)

　　在水润滑轴承凹槽的设计方面，有一种圆环槽水润滑轴承设计方式[11]，即在内衬套采用沿周向成均匀分布的圆弧环形水道凹槽，相邻圆弧凹槽的工作面由多个圆弧曲面组成(图2c)。这种设计使轴承更容易产生弹性流体动压润滑，在传动轴与轴承之间形成水膜支撑，减小摩擦磨损，具有良好的泥沙、杂质排泄能力，寿命明显延长。

　　轴承内表面水槽目前通常使用圆弧型结构。但文献[9]对水润滑轴承的工作原理及主要结构设计进行研究认为，平面型结构比圆弧型结构更符合弹流润滑理论中轴与平面组成摩擦副。在实验中发现，使用平面型轴承在轴起动时摩擦因数较圆弧轴承小，在载荷较大情况下尤为明显，这主要因为是轴与轴承接触面积减小造成的。因此，近来承载部分平面型水槽结构也越来越多的被采用。

　　是否还有其他水槽结构的可能，比如，螺旋线分布的水槽结构在理论上综合了径向与周向水槽的优点，但是有关螺旋线水槽在工程实际当中的应用效果至今还没有人报道，还需要通过试验进行验证。

　　3 新型水润滑轴承材料

　　传统的水润滑轴承材料是铁梨木。铁梨木具有木质致密、坚硬、相对密度大，并且有很好的自润滑作用，曾经广泛应用于海上船舶艉管轴承。但是它不适宜用于经常航行在含泥沙较多水域的船舶上，存在一定的水涨性，并且其资源日渐缺乏，价格昂贵。为此，开发新型水润滑轴承材料成为研究的焦点，例如陶瓷材料、金属材料、以橡胶为基体的高分子材料和超高分子量聚乙烯材料等。

　　3.1陶瓷与金属材料

　　陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、刚度高、热膨胀系数小、导热性好、比强度高和耐磨等优点，应用前景广阔。但是陶瓷质脆且抗振性能差，尤其是其对磨粒的嵌藏性能差，容易造成严重的磨粒磨损;另外，陶瓷硬度比一般金属的硬度还高，往往容易造成轴系严重磨损。

　　B. Basu[8]等人研究了Sialon-TiB2氮化硅陶瓷复合材料和ZrO2-TiB2陶瓷复合材料分别在水润滑和油润滑条件下摩擦磨损性能，发现氮化硅陶瓷复合材料/钢配副有很高的摩擦系数，油润滑能够很好的降低摩擦系数和材料磨损，在水润滑条件下ZrO2-TiB2复合材料具有最好的抗磨损性能。

　　石墨轴承具有很好的自润滑性能，耐腐蚀，耐高温，化学稳定性好。张仁红[12]等人公开了一种纯碳石墨水润滑轴承，镜板由不锈钢基体和摩擦块组成，不锈钢基体和摩擦块之间通过镶嵌并粘结而成，推力瓦为分块瓦结构，镜板的摩擦块底面与推力瓦的摩擦块顶面滑动配合，推力瓦与轴承座通过球面支柱连结，摩擦块由纯碳石墨T191材料制成，大大提高了水润滑轴承的耐磨性和使用寿命。在许多特殊设备中，因零件与侵蚀介质接触而不允许采用其它耐磨材料( 如青铜、巴氏合金) 时，可应用石墨材料。但是在海水腐蚀条件下，这种材料易引起对偶件电极电位腐蚀，不宜在重大船舶或潜艇上使用。

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