ACM高分子材料水潤(rùn)滑推力軸承性能試驗(yàn)研究

陳文戰(zhàn)

海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海201913

ACM高分子材料水潤(rùn)滑推力軸承性能試驗(yàn)研究

陳文戰(zhàn)

海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海201913

船舶水潤(rùn)滑推力軸承以水代油作為潤(rùn)滑介質(zhì)，有助于提高軸承機(jī)械效率、減少滑油污染。在水潤(rùn)滑推力軸承試驗(yàn)臺(tái)上，開(kāi)展ACM高分子材料推力軸承性能試驗(yàn)研究，探討在不同試驗(yàn)工況下推力瓦端面摩擦系數(shù)、溫度、水膜壓力隨軸承載荷、軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)。研究表明：ACM推力瓦的摩擦系數(shù)為0.01～0.18，單位時(shí)間磨損量為0.383 μm/h；最高溫度為42℃，出現(xiàn)在靠近推力瓦外徑和出水邊的位置；最大水膜壓力為1.6 MPa，且水膜壓力隨軸轉(zhuǎn)速的升高而下降，隨軸向載荷的增加而升高。

水潤(rùn)滑推力軸承；性能試驗(yàn)；摩擦系數(shù)；溫度；水膜壓力；ACM高分子材料

0 引 言

船舶推力軸承通常是以油為工作介質(zhì)，較易產(chǎn)生滑油泄漏和污染等問(wèn)題。如果工作介質(zhì)采用水，推力瓦采用非金屬材料，將有助于防止滑油污染，提高推力軸承的機(jī)械效率，減少摩擦、磨損與振動(dòng)。

目前，國(guó)內(nèi)已有一些學(xué)校或單位開(kāi)展了推力軸承以及推力軸承試驗(yàn)機(jī)的研究。向敬忠［1］利用光干涉法測(cè)量了可傾扇形瓦推力軸承的油膜厚度及軸瓦的變形，直接觀察了軸瓦的整個(gè)油膜厚度場(chǎng)及過(guò)載時(shí)油膜破裂的全過(guò)程；張艷芹等［2］針對(duì)大尺寸扇形靜壓推力軸承潤(rùn)滑性能進(jìn)行了數(shù)值分析；郅剛鎖和朱均［3］建立了油膜綜合可視化分析系統(tǒng)，進(jìn)行了油膜數(shù)值計(jì)算結(jié)果的定性和定量分析；畢純輝、丁述勇等［4－5］研究了水輪發(fā)電機(jī)推力軸承油膜厚度的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

但是當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)油潤(rùn)滑金屬材料推力軸承的研究較多，而對(duì)水潤(rùn)滑推力軸承，尤其是高分子材料水潤(rùn)滑推力軸承的研究卻較少。本文將在自行研制的水潤(rùn)滑推力軸承模擬試驗(yàn)裝置上，開(kāi)展ACM高分子材料推力軸承性能試驗(yàn)，探討推力瓦端面摩擦系數(shù)、溫度、水膜壓力等參數(shù)與推力軸承載荷和轉(zhuǎn)速等參數(shù)間的關(guān)系，為推力軸承材料篩選、軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 水潤(rùn)滑推力軸承試驗(yàn)臺(tái)

1.1 水潤(rùn)滑推力軸承試驗(yàn)臺(tái)的組成

水潤(rùn)滑推力軸承試驗(yàn)臺(tái)由變頻電機(jī)、中間軸、軸承座、撓性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、試驗(yàn)軸、推力軸承裝置、彈簧加載裝置以及數(shù)據(jù)采集與控制部分等組成，如圖1所示。

推力軸承裝置安裝在試驗(yàn)臺(tái)的尾部。測(cè)速傳感器安裝在變頻電機(jī)中，變頻電機(jī)與變頻器組合用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀一端通過(guò)中間軸與變頻電機(jī)輸出軸相連，另一端與試驗(yàn)軸相連，用于測(cè)量轉(zhuǎn)速和摩擦力矩。工控計(jì)算機(jī)用于采集、存儲(chǔ)、處理推力軸承的轉(zhuǎn)速和摩擦力矩，以及水膜壓力、溫度等試驗(yàn)參數(shù)。

1.2 推力軸承裝置

推力軸承裝置是水潤(rùn)滑推力軸承試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，主要由水腔、軸向滑軌、推力瓦座、推力環(huán)、進(jìn)水閥、出水閥以及熱電偶或壓力傳感器等組成。推力瓦座、推力瓦等與水腔組裝為一整體，在傳動(dòng)螺桿的驅(qū)動(dòng)下，可在滑軌上移動(dòng)，如圖2所示。

推力瓦軸向載荷的施加通過(guò)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)螺桿改變加載彈簧壓縮量實(shí)現(xiàn)。加載彈簧的標(biāo)定通過(guò)采用液壓機(jī)加載裝置，確定彈簧比壓與壓縮量之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)。

2 試驗(yàn)測(cè)試方法研究

水潤(rùn)滑推力軸承的推力環(huán)內(nèi)、外徑分別為40 mm和144 mm；推力瓦內(nèi)、外徑分別為64 mm和144 mm。推力瓦為固定平臺(tái)斜面結(jié)構(gòu)，斜面傾角為0.01°，平臺(tái)寬度為5 mm（外徑144 mm處），如圖3所示。

推力環(huán)材料為2Cr13，推力瓦為ACM高分子材料。ACM高分子材料為一種新型材料，其成份為合成樹(shù)脂+MoS2+PTFE+石墨+填料，具有良好的自潤(rùn)滑功能，產(chǎn)自英國(guó)，其物理性能如表1所示。

表1 ACM高分子材料物理性能Tab.1 Material physical properties of ACM

ACM高分子材料水潤(rùn)滑推力軸承性能試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容包括推力瓦端面摩擦系數(shù)、溫度、水膜壓力以及磨損的測(cè)試與分析。

2.1 推力瓦摩擦系數(shù)和溫度測(cè)試

在測(cè)試推力瓦端面摩擦系數(shù)和溫度時(shí)，將推力環(huán)固定在試驗(yàn)軸上，隨軸一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，將推力瓦固定在推力瓦座上。

試驗(yàn)用推力軸承共有6個(gè)瓦塊，在其中5個(gè)瓦塊中各埋設(shè)1個(gè)熱電偶，因此共有5個(gè)采集點(diǎn)。采集點(diǎn)1，2，3與軸心半徑R之間的距離均為55 mm，分別位于進(jìn)水邊20°，8°和出水邊8°的位置。采集點(diǎn)4，5與軸心半徑R之間的距離分別為40 mm和64 mm，均位于出水邊8°的位置，如圖3所示。

考慮到在運(yùn)行過(guò)程中推力瓦端面不可避免地會(huì)發(fā)生磨損，因此，將熱電偶端部距推力瓦端面的距離定為1.5 mm。標(biāo)定時(shí)，先將熱電偶在推力瓦中安裝好，然后浸入水中，測(cè)量瓦塊的溫度，同時(shí)，用水銀溫度計(jì)測(cè)量水溫，以確定兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系［6］。

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為60～1 000 r/min，軸向載荷為1～4 kN。測(cè)試前，向水腔中注水，用溫度計(jì)測(cè)量入水口的溫度以作為水腔的環(huán)境溫度。

圖3 推力瓦塊及熱電偶布置示意圖Fig.3 Dimension of the thrust pad and arrangement of thermocouples

2.2 推力瓦端面水膜壓力測(cè)試

在測(cè)試推力瓦端面水膜壓力時(shí)，推力瓦和推力環(huán)的安裝方式與測(cè)量摩擦系數(shù)、溫度時(shí)相反，即將推力瓦固定在試驗(yàn)軸上隨軸旋轉(zhuǎn)，而將推力環(huán)固定在推力瓦座上，并在推力環(huán)端面上沿徑向3個(gè)不同的半徑位置（R=48，56，64 mm）埋設(shè)水膜壓力傳感器，傳感器端部與推力環(huán)端面間的距離為1 mm；孔徑為2 mm，如圖4所示。這種安裝方式可測(cè)出推力瓦沿某一半徑圓周上的水膜壓力分布狀況［7］。

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為：60～800 r/min，軸向載荷為1.5～3.5 kN，其余試驗(yàn)要求與上節(jié)相同。

圖4 推力環(huán)端面水膜壓力采集點(diǎn)布置圖Fig.4 Arrangement of the confluence points for water film pressure on thrust ring

2.3 推力瓦磨損測(cè)試

進(jìn)行推力瓦磨損試驗(yàn)是為了評(píng)價(jià)ACM材料的耐磨性。磨損試驗(yàn)的軸向負(fù)荷W=1.5 kN，轉(zhuǎn)速n=500 r/min，試驗(yàn)時(shí)間t=64 h。試驗(yàn)結(jié)束后，在推力瓦中徑處（104 mm）測(cè)量平臺(tái)和斜面中點(diǎn)的磨損量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 推力瓦端面摩擦系數(shù)的測(cè)量與分析

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)軸向載荷W=1.5，2.5，3.5 kN，軸轉(zhuǎn)速n=50～100 r/min時(shí)，由于摩擦副處于干摩擦、半干摩擦或邊界摩擦狀態(tài)，此時(shí)水膜尚未建立，推力瓦與推力環(huán)之間存在局部接觸，摩擦溫度逐漸升高，因此摩擦系數(shù)明顯上升；當(dāng)軸轉(zhuǎn)速n=100～120 r/min時(shí)，水膜開(kāi)始建立，推力瓦與推力環(huán)之間的接觸減少，因此摩擦系數(shù)急劇下降；隨著軸轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，水膜形成更加充分，摩擦系數(shù)持續(xù)下降；當(dāng)轉(zhuǎn)速n超過(guò)300 r/min后，環(huán)與瓦完全被水膜隔開(kāi)，因此摩擦系數(shù)變化不大［8-9］。

在各種工況試驗(yàn)中，推力軸承的摩擦系數(shù)變化范圍為0.01～0.18。

圖5 摩擦系數(shù)f—轉(zhuǎn)速n變化趨勢(shì)Fig.5 Variation of friction coefficient f with bearing speed n

3.2 推力瓦端面溫度的測(cè)量與分析

測(cè)量推力軸承推力瓦的端面溫度主要是為了分析在穩(wěn)態(tài)工況下，轉(zhuǎn)速、軸向載荷與推力瓦端面溫度之間的關(guān)系。每一個(gè)試驗(yàn)工況穩(wěn)定30 min后，記錄一次推力瓦溫度值。

1）溫度—速度特性

在軸向載荷分別為W=1.5，2.5，3.5 kN時(shí)，從低速到高速逐漸改變轉(zhuǎn)速n的大小，測(cè)量各采集點(diǎn)的最高溫度。溫度與轉(zhuǎn)速的變化狀況如圖6所示。

圖6 推力瓦溫度T—轉(zhuǎn)速n變化趨勢(shì)圖Fig.6 Variation of temperature T with bearing speed n

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)軸向載荷不變，軸轉(zhuǎn)速n≤200 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，推力瓦溫度上升較快，原因是此時(shí)的摩擦系數(shù)較大，熱流密度較高；當(dāng)n＞200 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，局部水膜開(kāi)始建立，摩擦系數(shù)有所下降，但摩擦發(fā)熱也有所增加，綜合作用結(jié)果仍表現(xiàn)為推力瓦溫度隨轉(zhuǎn)速的提高而持續(xù)上升。當(dāng)n＞900 r/min時(shí)，水膜完全建立，此時(shí)的摩擦形式主要為液體（水）內(nèi)摩擦，摩擦系數(shù)變化較小，因而溫度波動(dòng)不大，基本保持恒定。

2）溫度—負(fù)荷特性

當(dāng)軸轉(zhuǎn)速 n＝400，700，1 000 r/min時(shí)，從小到大逐漸改變軸向載荷W，測(cè)量各采集點(diǎn)的溫度。溫度與轉(zhuǎn)速的變化狀況見(jiàn)圖7。

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)n不變，W≤3 kN時(shí)，隨著軸向載荷W的增大，摩擦系數(shù)、水膜壓力和熱流密度也隨之增大，推力瓦的溫度持續(xù)升高。

圖7 推力瓦溫度T—載荷W變化趨勢(shì)Fig.7 Variation of temperature T with bearing load W

溫度—速度特性和溫度—負(fù)荷特性試驗(yàn)結(jié)果表明，采集點(diǎn)4的溫度最高，為42℃；采集點(diǎn)2的溫度最低，為22℃。溫度的高低主要與采集點(diǎn)的分布位置有關(guān)，即與采集點(diǎn)處的水膜壓力和線速度有關(guān)。采集點(diǎn)4由于靠近推力瓦的外徑和出水邊，水膜壓力和線速度較高，導(dǎo)致摩擦熱較大，因此溫度最高，而采集點(diǎn)2則相反［10-11］。

在上述試驗(yàn)工況下，推力瓦的最高溫度（42℃）遠(yuǎn)低于其材料許用溫度（140℃）。

3.3 推力瓦端面水膜壓力的測(cè)量與分析

測(cè)量推力軸承端面水膜壓力主要是為了分析穩(wěn)態(tài)工況下，轉(zhuǎn)速與軸向載荷、水膜壓力間的關(guān)系。通過(guò)不同工況下水膜壓力的測(cè)量，可以更全面、更深入地了解推力軸承端面水膜壓力的形成機(jī)理，分析水膜壓力的影響因素，揭示端面水膜壓力與摩擦狀態(tài)間的關(guān)系。

在軸向載荷W=1.5，2.5，3.5 kN條件下，從低到高逐漸改變轉(zhuǎn)速。每個(gè)試驗(yàn)工況穩(wěn)定運(yùn)行10 min后，每個(gè)采集點(diǎn)記錄一次水膜壓力值。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 最大水膜壓力—采集點(diǎn)、n和W的變化趨勢(shì)Fig.8 Variation of water film pressure pmaxwith bearing speed n and load W on the confluence points

由圖8可看出，各采集點(diǎn)的水膜壓力隨軸轉(zhuǎn)速的升高而下降，隨軸向載荷的增加而升高。

水膜壓力與水膜厚度密切相關(guān)。當(dāng)軸向載荷不變，軸轉(zhuǎn)速n=50～100 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，水膜厚度增加，水膜壓力下降較快；當(dāng)軸轉(zhuǎn)速n＞100 r/min時(shí)，水膜壓力下降較為平緩。

在上述試驗(yàn)工況下，推力瓦的最大水膜壓力為1.6 MPa，遠(yuǎn)小于其材料的抗壓強(qiáng)度（350 MPa）。

3.4 推力瓦磨損測(cè)量與分析

推力瓦的各瓦塊平臺(tái)與斜面處的磨損量測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 推力軸承各瓦塊磨損量Tab.2 Abrasion loss of the thrust pads

耐磨試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）各瓦塊的平臺(tái)與斜面的磨損量不均勻，最大相差0.041 mm，這與安裝誤差、偏心、受力不均勻等有關(guān)。

2）瓦塊平臺(tái)的平均磨損量為0.023 mm，單位時(shí)間磨損量為0.383 μm/h，略大于斜面（平均磨損量為0.020 mm，單位時(shí)間磨損量為 0.333 μm/h）。平臺(tái)與斜面磨損量的不同與瓦塊結(jié)構(gòu)有關(guān)。因平臺(tái)處于瓦塊的出水邊，水膜壓力、溫度比較高，工作時(shí)，平臺(tái)與推力環(huán)的接觸機(jī)會(huì)高于斜面與推力環(huán)，因此平臺(tái)磨損量較大。

4 結(jié) 論

1）在各種試驗(yàn)工況下，ACM推力瓦的摩擦系數(shù)為 0.01～0.18，單位時(shí)間磨損量為 0.383 μm/h。推力瓦的最高溫度為42℃，遠(yuǎn)低于其材料許用溫度（140℃）；最大水膜壓力為1.6 MPa，遠(yuǎn)小于其材料的抗壓強(qiáng)度（350 MPa）。說(shuō)明該材料具有良好的工作性能。

2）推力瓦溫度主要與采集點(diǎn)處的水膜壓力和線速度有關(guān)?？拷屏ν咄鈴胶统鏊吿帲毫途€速度較高，導(dǎo)致摩擦熱較大，因此溫度最高；靠近推力瓦內(nèi)徑和進(jìn)水邊處的結(jié)果則相反。

3）推力瓦水膜壓力主要與轉(zhuǎn)速、載荷有關(guān)，其隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降，隨著軸向載荷的增加而升高。

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Test Study on the Performance of Water-Lubricated ACM Polymers Thrust Bearing

CHEN Wen-zhan

Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd，Shanghai 201913，China

Ship water-lubricated thrust bearing takes water instead of oil as its lubrication medium，leads to a more efficient performance with relatively low level of friction，abrasion，vibration and oil pollution.Based on our simulation test platform for water lubrication thrust bearing，the testing research of perfor?mance on ACM polymers thrust bearing was carried out.Together with the transformation of the bearing load and the shaft speed under different experimental conditions，changing trends of the friction coeffi?cient，water film pressure and temperature on the thrust pad were discussed.The results show that the fric?tion coefficient is varying between 0.01 and 0.18；abrasion in unit time is 0.383 μm/h；maximum tempera?ture locating in the area of circumferential direction and outlet of the thrust pad is 42℃；maximum water film pressure is 1.6 MPa；and the water film pressure decreases with the speed rises and increases with the bearing load increases.

water-lubricated thrust bearing；performance testing；friction coefficient；temperature；wa?ter-film pressure；ACM polymer

U664.2

A

1673－3185（2012）03－79－05

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.03.015

2011－11－14

陳文戰(zhàn)（1969－），男，工程師。研究方向：船舶工程。

陳文戰(zhàn)。

［責(zé)任編輯：喻 菁］