基于水介质的高速混合陶瓷球轴承的设计及验证

杨虎，倪受俊，李亮，王旭，张志华

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南能源化工集团 装备制造事业部，郑州 450046；3.铁姆肯(无锡)轴承有限公司，江苏 无锡 214028;4.浙江新昌皮尔轴承有限公司,浙江 新昌 312500)

水介质在某些环保要求较高的食品、灌溉、船舶、化工等领域得到较广泛应用，改变了长期以来机械传动系统中以金属构件组成摩擦副的传统观念，不仅能节省大量油料和贵重有色金属，而且可简化轴系结构，避免因油泄漏污染水环境。如何利用天然水替代矿物油作为各种机械传动和流体动力系统的工作介质，达到高效节能和环保的要求，是机械传动系统研究领域的前沿课题。作为机械转动或传动用轴承[1]，目前水介质主要应用于由陶瓷、塑料、橡胶、塑料合金以及尼龙等材料制造的非金属轴承，大多属于滑动轴承[2]，且仅适用于低速、低载荷工况。目前，水介质金属滚动轴承，由于受材料、设计理论等方面的影响，尤其金属材料与水产生反应将生成氧化物，对介质产生不良影响，如钢球与套圈的金属接触所产生的电化腐蚀，水的汽化压力高很容易产生汽蚀，使材料受到侵蚀[2]等，在实践中一直未能得到应用。

金属材料硬度高、耐磨损性好，适合高速、重载工况，随着材料技术的不断发展，不锈钢材料已得到广泛应用。文中针对水介质的特点，设计了水介质高速混合陶瓷球轴承，并进行了影响水试轴承试验性能的因素分析，通过实际轴承水试试验考核，期望能为水介质润滑金属滚动轴承的研究迈出探索性的一步。

1 水介质的特点

水的黏度很低，仅为润滑油的1/100～1/20，具有摩擦阻力小、摩擦因数低、可大大简化运转介质系统结构等优点。水介质轴承在一定条件下可以形成流体动力润滑水膜[3-5]，润滑水膜一方面起着传递载荷的作用，另一方面避免摩擦面之间发生直接摩擦，降低功耗。由于润滑液膜的承载能力与黏度成正比，与膜厚的平方成反比，在其他条件都相同的情况下，承载能力相等时水膜的厚度仅为油膜厚度的1/8[2]。这表明轴承的承载能力比较低，而且很有可能在非流体摩擦工况下工作，容易在材料间产生相互接触，大多数情况下处于边界润滑和干摩擦状态，因此，对水介质系统的结构、压力等参数要求很高。

2 水试轴承设计

2.1 基本要求

高速混合陶瓷球轴承的外形尺寸为Φ15 mm×Φ32 mm×9 mm，工作介质为循环水介质，转速为60 000 r/min，轴向载荷均为500 N，要求满足2 h 4次启停试验考核。

2.2 轴承设计

为满足水介质高速轴承的性能要求，轴承外圈、双半内圈均采用G95Cr18不锈钢材料，滚动体采用Si3N4陶瓷材料，保持架采用聚四氟乙烯为基体的自润滑复合材料。轴承结构主参数采用多目标评价函数，并依据拟动力学分析模型进行优化，不同方案下轴承结构主参数及性能参数见表1。

表1 水介质轴承结构主参数及性能参数

从方案2和4中可看出，其他结构主参数相同，球径不同，方案2最大接触应力小于方案4，故选用较大的球径可以提高轴承的载荷容量。

对比方案1和2，其他结构主参数相同，外圈沟曲率系数大于内圈沟曲率系数时的轴承最大旋滚比为0.346，外圈沟曲率系数小于内圈时轴承最大旋滚比为0.290。旋滚比越大产生的热量越多，这是高速轴承失效的主要原因，故设计时应增大内圈沟曲率系数以减小旋滚比。另外，比较方案2和3，其他结构主参数相同，内圈沟曲率系数不同，方案3中内圈沟曲率系数大，旋滚比小，但最大接触应力大。

因此，轴承主参数优化设计时应对接触应力和旋滚比综合判断。综合以上分析，轴承的结构主参数选用方案2。

保持架设计时，考虑水介质对轴承性能的影响，在满足保持架强度的前提下，采用外引导，椭圆形兜孔，以提高轴承的冷却效果。

3 水试轴承试验

根据水试轴承环境条件，研发的试验装置如图1所示。

图1 水试轴承试验装置

该装置每次试验2套轴承(驱动端为33#，非驱动端为34#)，可同时实现轴承转速、轴向载荷、温度、振动和主机电流等主要性能参数的检测。

3.1 试验方法及目的

以实际轴承在水介质条件下进行2 h 4次启停试验，每次试验过程均为：启动过程运转时间为30 s，而后在60 000 r/min下稳定运转30 min。试验旨在考核水介质条件下高速混合陶瓷球轴承的综合性能。

3.2 试验参数的确定

试验前，采用压力控制供水流量，轴向载荷为500 N、稳定转速为60 000 r/min条件下，分别考核了水介质流量和温度对试验轴承性能的影响，结果如图2和图 3所示。

图2 水介质流量对轴承振动的影响

由图2可知，随着水介质流量增大，轴承振动逐渐减小，当增大到21 L时，振动达到最小值，而后又逐渐增大。图3表明水介质温度不高于25 ℃时，对轴承振动影响不大，当温度为25～30 ℃时，轴承振动显著增大。

图3 水温(流量21 L)对轴承振动的影响

通过以上分析，最终确定试验中循环水介质流量为21 L，且当温度达到(30±1)℃时，应停机更换水介质。

3.3 水试轴承性能试验

确定试验过程中轴承各性能参数测试记录如图4～图6所示，其中图6为2套试验轴承的电流。

图4 试验过程中温度变化

图5 试验过程中振动变化

图6 试验过程中电流变化

由图4可知，在2 h 4次启停试验中，水温逐渐升高，第3次试验水温明显升高，最高达到30 ℃，轴承振动明显增大(图5)。整个试验过程轴承运转平稳，各试验参数显示正常，无明显波动现象。为控制试验水温不高于(30±1)℃，需提高冷却效果，在第4次试验前更换了水介质，由图5可以看出，水温降低，振动减小。

由图5和图6可以看出，启动时振动和电流均较大，这是由于启动时轴承转速不断升高，需要的水介质流量相对较小；当转速达到60 000 r/min并稳定运行时，轴承振动和电流变化较小，且运转趋于平稳。

试验表明，选用的水介质流量可满足该工况条件下水试轴承要求；轴承结构设计合理，性能良好，可满足使用要求。

3.4 试验后轴承参数及内表面分析

3.4.1 参数分析

水试轴承试验后的相关检测数据见表2，结果表明，各项指标均满足设计要求，尤其是影响轴承综合性能的径向游隙、轴向游隙及接触角仍在标准值规定范围内。

表2 水试轴承试验后检测数据

3.4.2 试验后零件表面形貌

试验后33#和34#轴承内外圈、保持架及陶瓷球表面状态如图7和图8所示。

图7 试验后33#轴承零件表面形貌

图8 试验后34#轴承零件表面形貌

通过显微镜观察，水试轴承各零件外观检测结果见表3。

表3 轴承外观检测结果

从2套轴承工作接触摩擦面外观检查结果看，34#轴承内圈出现的均匀磨痕属于正常疲劳磨损；而驱动侧33#轴承受载半内圈沟道出现麻点痕迹，可能是因为轴承提速时需要的水介质流量较少而发生粘着磨损,或因过滤效果差使水介质含有杂质，从而发生磨粒磨损。应采取的措施是提高水试轴承稳速前的水介质流量和质量；保持架外径引导面有轻微磨痕，分析认为系循环水介质对保持架产生不平衡作用力所致，尤其当轴承高速运转时，将进一步增大保持架的不平衡量。

4 结论

(1)水介质流量影响稳速轴承振动；水介质温度较低时，对轴承振动影响不大，随着水介质温度的逐渐升高，轴承振动呈增大趋势。

(2)试验过程中轴承运转稳定、可靠，水介质流量可满足水试轴承的性能要求。试验后轴承各项指标均满足相关标准的要求，套圈表面没有出现明显的汽化及汽蚀现象。

(3)基于水介质的高速混合陶瓷球轴承的设计和水试技术，可为水介质润滑钢制滚动轴承及非金属轴承的设计应用提供参考。