探析水潤(rùn)滑橡膠軸承研究進(jìn)展

汪希磊

摘 要：水潤(rùn)滑橡膠軸承以其無(wú)污染、省材料、低成本；耐磨損、耐泥沙、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)而在船舶、水泵業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，成為水下最適宜的軸承之一。它對(duì)于解決目前水介質(zhì)中使用金屬滑動(dòng)軸承頻繁出現(xiàn)密封失效、軸瓦磨損問(wèn)題的矛盾，對(duì)于簡(jiǎn)化機(jī)械潤(rùn)滑與密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)約貴重有色金屬軸瓦材料，都具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：水潤(rùn)滑橡膠軸承；研究進(jìn)展

隨著人口增長(zhǎng)和工業(yè)的日益發(fā)展，資源短缺和環(huán)保問(wèn)題已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題，目前節(jié)能節(jié)材和環(huán)保要求已成為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一。而水潤(rùn)滑橡膠軸承以其無(wú)污染、結(jié)構(gòu)尺寸小、摩擦系數(shù)小以及對(duì)軸的振動(dòng)和偏斜的不敏感性，在加上低成本、良好的耐磨、耐腐、對(duì)泥砂的不敏感和良好的緩沖吸振性能等優(yōu)點(diǎn)在石油化工設(shè)備、污水泵、立式多級(jí)泵等，尤其在水力機(jī)械中采用以其自身輸送的水介質(zhì)作為潤(rùn)滑、冷卻的水潤(rùn)滑橡膠軸承已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

一、水潤(rùn)滑軸承的發(fā)展現(xiàn)狀

1.國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

從1886年英國(guó)水力學(xué)家雷諾（Reynolds）推導(dǎo)出著名的流體動(dòng)力潤(rùn)滑方程（即雷諾方程），提出流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論至今，人們對(duì)摩擦、磨損與潤(rùn)滑的研究與發(fā)展日益豐富，潤(rùn)滑理論也日趨完善，但人們對(duì)水潤(rùn)滑軸承特別是橡膠軸承的研究和應(yīng)用，卻是以Muijderman的低粘度流體動(dòng)壓軸承理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。從40年代末期開(kāi)始，蘇聯(lián)一直對(duì)采用水作為潤(rùn)滑液的流體靜力軸承和流體動(dòng)力軸承的特性和材料進(jìn)行深入的研究。英國(guó)、德國(guó)和日本以及其他許多國(guó)家在50、60年代也在水潤(rùn)滑軸承的研究方面做了大量的工作。英國(guó)的海沃德—泰勒公司在無(wú)填料泵結(jié)構(gòu)中采用了水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承，其軸材料為馬氏體不銹鋼或在碳鋼表面鍍鉻。而軸瓦材料為石棉填充酚酐樹(shù)脂，使用效果較好。德國(guó)的維克斯和米契爾公司則在深井泵中和潛水泵中采用水潤(rùn)滑橡膠軸承，即以橡膠材料作軸瓦。加拿大的湯姆遜—戈?duì)柕怯邢薰驹诖拔草S的支承中采用了水潤(rùn)滑系統(tǒng)，在不銹鋼軸承上復(fù)合一層聚合材料作軸瓦。日本在離心泵和船用離心泵中廣泛采用了水潤(rùn)滑軸承；在大型內(nèi)燃機(jī)油輪用輔鍋爐給水泵中，采用了自給式的水潤(rùn)滑軸承，軸瓦材料為滲碳合金。東芝公司還在汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)上開(kāi)發(fā)了泵用水潤(rùn)滑軸承等。

2.國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)從50年代中期開(kāi)始在船用離心泵和軸流泵中采用水潤(rùn)滑軸承，60年代初期開(kāi)始進(jìn)行這方面的理論探索和試驗(yàn)研究工作。例如二機(jī)部第一設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的核泵水潤(rùn)滑軸承；江都三站大型立式軸流泵上采用的酚酐塑料水潤(rùn)滑軸承；潛水電泵上采用的水潤(rùn)滑塑料推力軸承等。在70、80、90年代這方面的報(bào)導(dǎo)較少，特別是以橡膠為軸瓦材料的水潤(rùn)滑軸承。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的水潤(rùn)滑軸承相對(duì)仍較少。例如在泵上應(yīng)用的水潤(rùn)滑橡膠軸承大多是從德國(guó)引進(jìn)技術(shù)，通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)比和評(píng)價(jià)試驗(yàn)等總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)參數(shù)而加工制造的。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家也很少，其中沈陽(yáng)滑動(dòng)軸承研究所與西安交通大學(xué)潤(rùn)滑理論及軸承研究所組成的聯(lián)合體在這方面做過(guò)一些有益的探索。

二、水潤(rùn)滑橡膠軸承的設(shè)計(jì)原則

1.橡膠層的厚度

橡膠軸瓦的厚度是橡膠軸承設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，取決于軸徑、軸的平衡度、軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和溝槽的斷面以及載荷等。但在實(shí)際中橡膠層的最小厚度主要考慮軸承正常工作時(shí)，懸浮于水中的砂粒尺寸，其次還考慮結(jié)構(gòu)尺寸，包括為了滿足橡膠軸承表面和旋轉(zhuǎn)軸頸表面之間建立流體動(dòng)壓潤(rùn)滑所要求的最小楔形角，也就是說(shuō)要限制軸頸陷入橡膠材料的程度，因此也與載荷有關(guān)。一般橡膠層以薄為好。理論上橡膠層最小厚度為1.5～2.5mm，但由于制造工藝?yán)щy，建議橡膠層最小厚度為6mm。另外，橡膠軸瓦與金屬軸套間要有良好的粘附強(qiáng)度。橡膠與黃銅的粘合是最安全可靠的，操作也簡(jiǎn)單，因此應(yīng)優(yōu)先采用黃銅軸套。鋼制軸套有時(shí)需要在鋼套內(nèi)表面進(jìn)行特殊加工，以保證橡膠與金屬之間的粘附強(qiáng)度不低于4.5MPa。

2.橡膠軸承的線速度

對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承來(lái)說(shuō)，線速度越高，摩擦系數(shù)越小。但當(dāng)線速度達(dá)到一定值后，摩擦系數(shù)會(huì)逐漸穩(wěn)定，但溫度會(huì)上升，所以線速度并非越大越好。而線速度太小時(shí)，會(huì)引起摩擦系數(shù)過(guò)大，軸承的功耗過(guò)大。通常橡膠軸承的線速度在5～20m/s之間時(shí)，摩擦系數(shù)和溫升是比較理想的。另外，線速度對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承的承載能力也有一定的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，在低速范圍內(nèi)，軸承的最大承載能力與線速度幾乎成線性比例關(guān)系。但當(dāng)速度達(dá)到一定值后，再提高線速度對(duì)承載能力不會(huì)再有明顯的影響。

3.軸承間隙

為了保證軸能夠輕快的旋轉(zhuǎn)，軸承內(nèi)孔和軸外徑之間的間隙應(yīng)選取合理值。數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，橡膠軸承的承載能力在其他條件不變的情況下隨軸承間隙的增大而減小，隨間隙的變小而增大。但并不是說(shuō)軸承的間隙可以無(wú)限增大或減小，超過(guò)一定值就會(huì)破壞流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)而使承載能力大幅度下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，軸承間隙受軸直徑、橡膠層厚度和硬度的影響。橡膠層越厚、硬度越軟，軸直徑越大則軸承間隙相應(yīng)越大；而軸承橡膠層越薄、硬度越高，軸直徑越小則軸承間隙相應(yīng)就要小些。例如對(duì)直徑為 65mm的軸，表面光潔度Ra0.8，橡膠軸承表面光潔度Ra1.6，邵氏硬度75，橡膠層厚度22mm，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明最佳軸承間隙值為0.12～0.14mm。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究表明，在軸承設(shè)計(jì)過(guò)程中除了選擇合適的軸承材料，還應(yīng)從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)考慮水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用平面型軸瓦結(jié)構(gòu)，改善軸承在低轉(zhuǎn)速工況的運(yùn)行條件；通過(guò)理論分析和原理試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出具有最佳橡膠層的厚度的軸瓦；采用底部為流水槽道的軸瓦布置形式。通過(guò)以上方法的采用，能明顯降低水潤(rùn)滑軸承的摩擦、磨損，提高軸系傳動(dòng)效率，并延長(zhǎng)軸承使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王優(yōu)強(qiáng).水潤(rùn)滑橡膠軸承潤(rùn)滑機(jī)理的研究.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，1995.

[2] 王賢烽等.水潤(rùn)滑橡膠尾管軸承的性能研究.船舶工程，1993（4）：45～49.