高转速、低比压水润滑轴承摩擦、磨损试验研究

张晓东，王培培，田瑞青，王文武

（1.海军工程大学，湖北 武汉，430033；2.东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

高转速、低比压水润滑轴承摩擦、磨损试验研究

张晓东1，王培培2，田瑞青2，王文武2

（1.海军工程大学，湖北 武汉，430033；2.东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

文章通过试验对PI（聚酰亚胺）、PEEK（聚醚醚酮）和BTG（橡胶）三种水润滑轴承轴瓦材料的摩擦、磨损特性进行了对比研究，摩擦试验表明：当轴承间隙约0.2 mm时三种轴瓦材料的摩擦系数最小；磨损试验表明：相同间隙下PEEK（聚醚醚酮）材料轴瓦的耐磨性能最佳。

水润滑轴承，材料，间隙，摩擦系数，磨损率，高速

0 前言

水润滑轴承的润滑介质为设备所输送的水，由于润滑介质无矿物油，使得汽轮给水泵具有尺寸小，重量轻等特点，并能有效地减小机械传动系统中不可避免的磨损、振动和无用功耗等，特别是避免了因密封泄漏而污染所输送介质的状况，解决了可靠性差和寿命短等问题，因而被广泛应用于汽轮给水泵及其它类泵产品中[1-2]。目前，国内对水润滑轴承摩擦、磨损的研究主要针对于船舶尾轴的低转速高比压水润滑轴承[3-5]，而对高转速低比压的水润滑轴承研究较少，因此本文开展的对高转速低比压水润滑轴承摩擦、磨损研究具有一定意义。

1 水润滑轴承的摩擦、磨损理论分析

润滑是改善两摩擦面的摩擦状态以降低运动阻力，减少磨损的技术措施，是摩擦磨损学研究的重要内容。水润滑轴承在工作过程中，可能存在的状态有以下5种：流体动压润滑状态、弹性流体动压润滑状态、混合润滑状态、边界润滑状态和干摩擦状态。如图1经典Stribeck曲线可知，滑动轴承从低速到高速一般要依次经历干摩擦、边界润滑、混合润滑和流体动压润滑等过程[6]。

图1 经典Stribeck曲线图

Stribeck曲线根据转速由低到高共包括3个阶段。在第一个阶段摩擦处于边界润滑状态，此时润滑膜厚度低于轴承与轴接触部位的平均粗糙度，轴承与轴之间发生直接接触，摩擦力最大。此状态下，摩擦力主要由轴承轴瓦材料本身固有的摩擦系数决定；随着转速的提高，进入混合润滑阶段，此时轴与轴承间逐渐开始形成水膜，同时该水膜逐渐将轴从轴承表面 “托起”，轴与轴承之间的接触面减少，摩擦力急剧下降。实际上在动压力的作用下，轴承与轴之间的接触变得微乎其微，两者产生了接触条件下的最小摩擦力，因此是混合状态。此时若继续提高转速就会进入动压润滑阶段，此时轴承与轴间的水膜已经充分建立，水膜厚远大于3倍的轴与轴承粗糙度，此时摩擦开始进入动压润滑状态，轴承与轴之间基本不存在直接接触。

2 水润滑轴承试验台位及试验

2.1 水润滑轴承试验台位

参考美国军用标准MIL-DTL17901C（2005）水润滑轴承组件和CB/T 769-2008船用整体式橡胶轴承，结合国内外相关文献，改制试验台位及制定试验方案，试验台原理图及实物图见图2。

图2 试验台位原理图及实物

由于试验台空载时有初始转矩，且初始扭矩随试验转速的变化而变化，因此试验前需要进行空载试验，确定各转速下的空载扭矩。

2.2 摩擦系数试验

图3 试验轴瓦

试验轴瓦如图3所示，均为带有6个直槽的水润滑轴承轴瓦，轴瓦轴向长度90 mm。共有3种轴瓦材料，分别为PEEK（聚醚醚酮）、PI（聚酰亚胺）和BTG（橡胶合金），同一种材料的轴瓦有4个，按轴瓦内径从小到大依次编号1#～4#（由于BTG橡胶材料硬度较低，轴瓦内径测量存在一定误差），内径实测值见表1。

表1 各材料1#～4#轴瓦内径单位：mm

进行摩擦系数试验时，通过液压缸对轴瓦施加向上的200 N载荷，轴承供水压力约0.2 MPa。

图4 各轴瓦转速-摩擦系数关系图

从图4看出，各材料轴瓦在不同间隙下摩擦系数均随转速升高先急剧降低，在1 000～2 000 r/min时摩擦系数达到最小值，然后随转速升高缓慢升高。轴瓦摩擦系数随转速的变化规律符合经典的Stribeck曲线变化规律，由于选用的轴瓦材料本身具有较好的自润滑性，各材料的边界润滑状态不明显，润滑状态主要为混合润滑和动压润滑状态。各材料轴瓦摩擦系数最小的间隙基本在轴直径2.5‰附近，PEEK材料与PI材料在转速约为2 000 r/min时摩擦系数最小，最小值约0.02；BTG轴瓦在转速3 500 r/min时摩擦系数最小，最小值约0.12。BTG材料轴承在动压润滑状态下摩擦系数上升较慢，当转速为5 000 r/min时3种材料摩擦系数相当，转速大于5 000 r/min时摩擦系数小于PEEK轴瓦和PI轴瓦。

2.3 磨损率试验

进行磨损率测试试验时，对各材料轴瓦施加200 N载荷 （比压约0.027 MPa）进行50 h低转速（～850 r/min）下轴瓦磨损试验。试验前测量各轴瓦内径及重量，试验后重新测量轴瓦内径及重量并计算磨损率。

表2 三种材料磨损率对比

由于BTG橡胶轴承材料较软，内径测量较为困难，因此试验时仅进行了质量磨损率试验。从表2可以看出相同轴承间隙下PEEK轴瓦磨损率最小，PI材料次之，BTG材料最差，PI材料和BTG材料磨损率均在同一数量级，PEEK材料磨损率低于PI和BTG材料近一个数量级。各材料磨损率大小的规律与该摩擦系数大小的规律基本吻合，摩擦系数越小则磨损率也越小。

3 总结（1）各材料轴瓦在间隙为2.5‰轴颈时摩擦系数最小，摩擦系数随转速的变化规律符合经典Stribeck曲线变化规律，同间隙下PEEK材料与PI材料轴瓦摩擦系数在5 000 r/min以下相当，均小于BTG材料轴瓦，当转速高于5 000 r/min时BTG材料摩擦系数略低于PEEK及PI材料轴瓦。

（2）各材料轴瓦在间隙为2.5‰轴颈时PEEK材料磨损率最小，其值比PI及BTG材料低一个数量级，各材料磨损率大小的规律与该摩擦系数大小的规律基本吻合，摩擦系数越小则磨损率也越小。

[1]Baumgarten S.Hydraulic comparison of high pressure pumps for RO desalination systems[J].Worm Pumps,2005,(463)：52-55.

[2]Hua Xijin,Wang Jiaxu,Zhu Juanjuan,et a1.Study on tribological behavior of water-lubricated bearings[J].Journal of Advanced Manufacturing Systems,2008,7(1)：115-121.

[3]董从林,袁成清,刘正林,等.水润滑艉轴承磨损可靠性寿命评估模型研究[J].润滑与密封,2010,(12)：40-43.

[4]彭晋民,王家序.提高水润滑轴承承载能力关键技术研究[J].农业机械学报,2005,(6)：149-151.

[5]周建辉,刘正林,朱汉华,等.船舶水润滑橡胶尾轴承摩擦性能试验研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2008,(5)：842-844,860.

[6]毕跃文,宁乾冰.浅谈渔船高分子水润滑艉轴承材料[J].齐鲁渔业,2007,(11)：55-56.

Experimental Study on Friction and Wear of Water-lubricated Bearing in High Revolution and Low Specific Pressure

Zhang Xiaodong1， Wang Peipei2， Tian Ruiqing2， Wang Wenwu2

(1.Naval University of Engineering， Wuhan Hubei， 430033； 2.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

The paper compared the friction coefficient and wear rate of three kinds of water-lubricated bearing materials of PI（Polyimide）,PEEK（Polyether-ether-ketone）and BTG（Rubber）by experiment.Friction test showed that when the clearance was 0.2 mm,the friction coefficient of three kinds of bearing materials got to the minimum.Wear test showed that PEEK（Polyether-etherketone）material bearing had the best wear-resisting performance under the same clearance.

water-lubricated-bearing,material,clearance,friction coefficient,wear rate,high revolution

TK730

A

1674-9987（2017）04-0017-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.004

张晓东 （1969-），男，硕士，副教授，主要从事船舶动力装置保障工作。