无油轴承的研究进展

周梓荣，周杰

(1.东莞理工学院，广东 东莞 523106；2.东莞理工学院 城市学院 广东 东莞 523106)

1 引言

轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。 按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。

大多数的轴承为了保证轴承工作平稳、可靠，大都添加了润滑油进行润滑，目的是减少轴承内部摩擦及磨损，防止烧粘；延长轴承的疲劳寿命；排出摩擦热、或由外部传来的热；同时油膜还具有一定的吸振能力。 但是，添加了润滑油一个最大的缺点是需要良好的密封性能，否则会产生泄漏，而有些有特殊要求设备不允许有润滑油的泄漏，于是人们用其他的润滑材料来替代润滑油，发明了无油轴承，使其不仅具有含润滑油轴承的优点， 同时杜绝了因泄漏而引起的环境污染。

2 无油轴承的分类

轴承的润滑方式有三种，液体、气体、固体。常用的轴承采用润滑油进行润滑，而无油轴承是运用其他润滑方式进行润滑的轴承。无油轴承主要包括气体润滑轴承、复合材料润滑轴承、水润滑轴承等。

（1）气体润滑轴承

气体润滑轴承是用气体作润滑剂的滑动轴承。 最常用的气体润滑剂为空气，根据需要也可用氮、氩、氢、氦或二氧化碳等。 气体润滑轴承形成承载气膜的机理与液体润滑轴承相同。气体润滑轴承利用气体的传输性(扩散性、粘性和热传导性)、吸附性和可压缩性，使之在摩擦副之间，在流体动压效应、 静压效应和挤压效应的作用下，形成一层完整气膜，具有支承载荷、减少摩擦的功能。

气体润滑轴承一般分为气体动压轴承、气体静压轴承和气体挤压轴承三种类型。实际轴承的润滑状态常常以动、静压，动、挤压，静、挤压及动、静、挤压混合润滑状态形式存在。气体润滑轴承形成承载气膜的机理与液体润滑轴承相同。按承受载荷的方向不同， 又可分为气体径向轴承、气体推力轴承和气体径向推力组合轴承。气体动压轴承是利用气体在楔形空间产生的流体动压力来支承载荷的。常在轴颈或轴瓦的表面做出浅螺纹槽，利用槽的泵唧作用提高承载能力。

（2）复合材料润滑轴承

由于特殊生产工艺的要求，工矿企业的某些关键设备在极为恶劣的工况下运行。 由于设备重、环境温度高，粉尘大或空气中含酸性腐蚀气体CO、SO2等， 对设备的润滑带来很多问题，摩擦磨损严重，目前大部分仍沿用传统的油、脂润滑，而事实上这些工矿条件已超出了油、脂润滑的范围，极易发生轴承及其它摩擦副的咬伤或咬死，引起严重的零件磨损和损坏，经常导致设备停运。 为了生产连续运行，除在原始设计上要求安装多台设备轮修外， 还须投入大量维修人员，严重地限制着生产率的提高，备品备件和能源消耗极大。汽车制造、水泥生产、石油化工等企业都提出了复杂工况条件下特种润滑材料要求。

复合材料润滑轴承采用的复合材料是一种新型的抗极压固体润滑材料，由金属底材与嵌入底材的孔或槽中的固体润滑剂膏体构成。在摩擦过程中金属底材承担了绝大部分负荷。 经摩擦，孔或槽中的固体润滑剂向摩擦面转移或反转移，在摩擦面上形成润滑良好、牢固附着并均匀覆盖的固体转移膜，大幅度降低了摩擦磨损。 随摩擦的进行， 嵌入的固体润滑剂不断提供于摩擦面，保证了长期运行时对摩擦副的良好润滑。 近年来，我国对镶嵌式自润滑复合材料进行了较深入研究， 在材料配方和制备工艺上突出自身特色，材料性能已达到了国际先进水平，为企业解决了特殊工况下的润滑问题，并带来了明显的经济和社会效益。

（3）水润滑轴承

自20 世纪70 年代出现石油资源危机和近年来人们对环境保护的重视，油压传动技术面临着严峻的挑战， 水润滑轴承开始逐步推广应用。水润滑轴承以水为润滑和工作介质，不仅节约大量的油料，还可以避免以油为润滑介质的传统轴承对环境的污染。同时水具有无污染、来源广泛、安全性和难燃性等优点， 是一种理想的润滑介质，而且还能降低摩擦副的摩擦、磨损、振动、噪声、无功能耗等关键问题。 因而水润滑轴承的研究对于提高机械效率和保护环境等都有着重要的理论研究和应用价值，已经成为各国关注的一个热点。

3 无油轴承的应用

气体轴承可用于纺织机械、电缆机械、仪表机床、陀螺仪、高速离心分离机、牙钻、低温运转的制冷机、 氢膨胀机和高温运转的气体循环器等。日本已成功研制出2.0×l05rpm 的气体润滑主轴，并且将此主轴实现了批量化生产[1]。 采用气体润滑轴承的氦透平膨胀机的转速已达5.6×l05rpm。 Airesearrh 公司和美国 MTI 公司，通过在透平交流发电机和透平压缩机上采用氙、氦混合气体润滑的轴承，获得了工作状态下极高转速和较长的工作寿命，七十年代，国外在高速牙钻上成功应用气体润滑轴承，其转速高达5.0×l05rpm，实现了治疗效率高，最大限度地减少患者痛苦的目标，美国Moore 公司通过采用气体润滑轴承作为支承的核心部件，使得生产的钻石车床主轴径向回转精度达到了 0.075μm， 轴向更是达到了0.05μm。 德国FAG 轴承公司生产的采用气体润滑轴承或者气浮导轨作为主要部件的大型测量仪器和工作台，在各方面的使用性能均得到了极大的提高，并且己投入批量化生产。 现代大型计算机正飞速发展，磁头拾取信息的精确度和速度是影响计算机读写速度以及存储容量的关键因素之一。借助气体润滑技术最新式的磁头通过在设计上采用气浮形式，使得磁头的工作性能有了极大的提高，气膜间隙国外已达0.1～0.2μm。美日等国已经将这种新式的气浮式轴承投入了批量化生产。 1968 年我国成功研制出陀螺马达动压气体轴承， 这是我国第一代气体润滑轴承产品。该产品成功地在主机上获得应用，标志着我国气体润滑轴承技术的逐渐成熟。 随后，我国展开在透平膨胀机、精密仪器、高速主轴、高速空气压钻、 及空间技术领域使用气体润滑轴承的研究，使得气体润滑轴承技术的研究获得了迅猛发展。1982 年成立的摩擦学术学会下属的“气体润滑”专业委员会更是对于我国气体润滑轴承技术的发展具有重要的促进意义。该专业委员会致力培训和组织国内学者、加强行业技术交流、促进课题协作。 它在该领域所做的大量工作，使气体润滑这项新技术在我国得以飞速地发展。

复合材料轴承可用于在纺织机械、食品机械等行业。李安国发明的一种无油润滑高转速复合轴承材料[2]，它是在碳结钢制的圆柱形筒体之内壁烧结一层0.5 mm～1.0 mm 厚的高石墨减磨材料而成的。 用该材料制成的轴承耐磨性能好，机械强度大，转速可提高到3500 r/min，同时成本低廉，制作工艺简单。 赵长江等发明的一种轴承由锌合金基体和固体润滑材料[3]所构成。 它采用铸造锌合金为基体，在其作相对摩擦运动的表面镶嵌适量的固体润滑材料而制成的新型的自润滑轴承，采用熔化后铸造的方式加工而成。 该锌合金自润滑轴承，材料造价低，生产工艺简单，由于锌合金的铸造性能良好，便于加工成不同结构形状的轴承零件，广泛用于各种工程机械中。 九台市轴瓦厂王顺珍等发明的耐高温自润滑轴承[4]，是在基体的内壁上开有固定槽，基体的内壁上附着有碳纤维复合材料层，碳纤维复合材料层的碳纤维复合材料充满固定槽。该发明具有摩擦系数小，磨耗小、无噪音，自润滑性能强，耐磨等优点，而且对轴无磨损，使用过程中不会出现卡轴、抱轴现象，工作常温达 500℃，瞬时可达 1000 ℃，运行平稳。 金卓仁和夏永红等设计了梯度自润滑轴承[5，6]。 济南大学李学闵等公开了一种耐高温的以氟塑料为基体树脂的自润滑复合材料滑动轴承[7，8]。黄根宝发明机器制造用的尼龙自润滑轴承材料[9]。 中国科学院兰州化学物理研究所阎逢元等发明一种自润滑纳米复合材料[10]。 它由可熔性聚酰亚胺 100 份(重量，下同)、无机纳米 1～25 份、偶联剂 0.1～2.0 份和碳纤维 5～30 份组成。该材料适用于真空、辐射、高温等特殊环境，可在航空航天、机械化工、汽车家电等领域的自润滑轴承等部件上使用。张静霞发明一种自润滑浇铸油尼龙轴承，它适用于一般滑动轴承[11]。

从上世纪四十年代末期开始，苏联一直对采用水作为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深入的研究。 英国、德国和日本以及其他许多国家五、六十年代也在水润滑轴承的研究方面做了大量的工作。 英国的海沃德-泰勒公司在无填料泵结构中采用了水润滑滑动轴承，其轴材料为马氏体不锈钢或在碳钢表面镀铬。 而轴瓦材料为石棉填充酚醛树脂，使用效果较好。 德国的维克斯 (Vickers) 和米契尔(Michell)公司则在深井泵中和潜水泵中采用水润滑橡胶轴承，即以橡胶材料作轴瓦。 加拿大的汤姆逊-戈尔登有限公司在船舶尾轴的支承中采用了水润滑系统，在不锈钢轴承上复合一层聚合材料作轴瓦。日本在离心泵和船用离心泵中广泛采用了水润滑轴承;在大型内燃机油轮用辅锅炉给水泵中，采用了自给式的水润滑轴承，轴瓦材料为渗碳合金。东芝公司还在汽轮发电机和水轮发电机上开发了泵用水润滑轴承等[12]。 中国从五十年代中期开始在船用离心泵和轴流泵中采用水润滑轴承，六十年代初期开始进行这方面的理论探索和试验研究工作。例如二机部第一设计院设计的核泵水润滑轴承;江都三站大型立式轴流泵上采用的酚醛塑料水润滑轴承;潜水电泵上采用的水润滑塑料推力轴承等。目前国内应用的水润滑轴承相对仍较少。沈阳滑动轴承研究所与西安交通大学润滑理论及轴承研究所曾对泵上应用的水润滑橡胶轴承进行过研究与应用。 重庆大学机械传动国家重点实验室和重庆奔腾科技发展公司合作研究了170 多种规格的BTG 水润滑复合橡胶轴承和塑料轴承，金属表面覆盖陶瓷制造水润滑摩擦副材料目前已成功开发。华中理工大学开发的斜盘式柱塞泵中采用了陶瓷材料的滑靴和斜盘，并应用于水润滑。

4 无油轴承的研究与发展方向

对新型气体润滑轴承的研究和开发，主要包括以下几个方面：

(1)为扩大气体润滑轴承的使用范围，以提高轴承刚度及承载力为主要目标，今后，将向研制高刚度气体润滑轴承方向发展。

(2)为适应高新技术和尖端技术的需要，向髙精度、高性能的气体润滑轴承方向发展。

(3)在设计和工艺方面，通过对气体润滑轴承的制造工艺、工作可靠性、实用性等方面的研究，研制和开发能够批量化生产的轴承，且轴承性能要具有结构简便，制造容易，在相关设备上工作可靠的特点。

对水润滑轴承的研究涉及机械设计、 摩擦学、材料科学、表面工程、流体力学、润滑与密封等多学科，是具有综合性的科学研究项目，目前水润滑轴承的研究主要在以下几个方面：

(1)基于各种类型材质高、低摩擦副水润滑理论的建立；

(2) 具有自润滑性能并与水有良好亲和性的水润滑轴承材料研究；

(3)基于表面工程的水润滑摩擦学机理研究；(4)理论的验证对实验检测手段要求特别高；对复合材料轴承，由于轴承工作的工况例如温度、载荷性质、载荷种类等非常复杂，尺寸规格众多，如何根据不同情况选择并设计合适的材料是个复杂的问题。 发展高温、重载、低速、含衬及腐蚀性等复杂工况下的自润滑轴承材料是当务之急。

5 结束语

从无油轴承的研究及发展看出，无油轴承作为一个新的研究课题， 仍存在大量问题需要研究。对要求严格、无泄漏污染的食品机械、纺织器械等设备行业，用无润滑油作介质的环保型轴承的开发与产业化研究具有普遍而重要的意义。相信在不久的将来，无油轴承的研究与应用会得到长足的发展。

[1]丁维刚，林向群译.空气静压轴承设计[M].国防工业出版社.

[2]李安国.无油润滑高转速复合轴承材料[P].中国专利：CN1079034A.

[3]赵长江，于文华.锌合金自润滑轴承及其生产工艺[P].中国专利：CN1485551A.

[4]王顺珍，李洪波. 碳纤维耐高温自润滑轴承[P].中国专利：CN1451891A.

[5]夏永红，金卓仁，程继贵等.梯度功能材料及其在机械工程中的应用[J].机械工程材料，2001，25(5)：9211，35.

[6]金卓仁，程继贵，夏永红等.梯度自润滑滑动轴承的研制[J].机械工程学报，2001，37(3)：81284.

[7]李学闵，贾衍才等.耐高温聚合物基复合材料滑动轴承[P].中国专利：CN1431406A.

[8]李学闵，苏衍良等. 氟塑料基纳米复合材料滑动轴承[P].中国专利：CN1431407A.

[9]黄根宝. 含油尼龙自润滑轴承材料 [P]. 中国专利：CN1043776A.

[10]阎逢元，蔡辉等.自润滑纳米复合材料及其制备方法[P].中国专利：CN1414037A.

[11]张静霞. 自润滑浇铸油尼龙轴承及其加工工艺[P].中国专利：CN1226477A.

[12]王优强，杨成仁.水润滑橡胶轴承研究进展[J].润滑与密封，2001(2)：65～67.