水潤(rùn)滑復(fù)合材料軸承摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

范　凱，解忠良，饒柱石，塔　娜，尹忠慰

（1.海軍裝備部 駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200000；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

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水潤(rùn)滑復(fù)合材料軸承摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

范凱1，解忠良2，饒柱石2，塔娜2，尹忠慰2

（1.海軍裝備部 駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200000；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

摘要：針對(duì)水潤(rùn)滑復(fù)合材料軸承的摩擦學(xué)性能開展實(shí)用性實(shí)驗(yàn)研究。采用新型聚四氟乙烯復(fù)合材料制備水潤(rùn)滑軸承，并測(cè)試其在水潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能，給出摩擦因數(shù)隨外載荷、轉(zhuǎn)速、供水量和徑向間隙之間的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：外載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦性能有著較大的影響，同時(shí)，存在最佳供水量和最佳半徑間隙使得軸承的摩擦因數(shù)最小、磨損最少。研究結(jié)果對(duì)新型復(fù)合材料水潤(rùn)滑軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波；水潤(rùn)滑軸承；摩擦因數(shù)；載荷；供水量；間隙；

水潤(rùn)滑軸承以水為潤(rùn)滑和工作介質(zhì)，具有無污染、來源廣泛、安全性和阻燃性等優(yōu)點(diǎn)，能降低和減少因摩擦副的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損、噪聲、功耗等問題，使其在環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展等方面有巨大的潛力，在船舶和水泵等機(jī)械系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。因此，水潤(rùn)滑軸承的研究引起學(xué)者的廣泛興趣，其中，摩擦學(xué)性能、摩擦因數(shù)作為判斷軸承摩擦磨損特征、軸承使用壽命的重要指標(biāo)又是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。較小的摩擦因數(shù)不僅節(jié)約能源，還可以使軸承磨損速率降低，延長(zhǎng)使用壽命。而摩擦狀態(tài)不僅與工況參數(shù)有關(guān)，還與潤(rùn)滑劑的性質(zhì)相關(guān)。水的黏度很低，所以摩擦阻力和摩擦系數(shù)小，但相應(yīng)的承載能力比油膜低得多，較難形成有效的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，甚至局部潤(rùn)滑區(qū)域會(huì)發(fā)生粗糙峰的直接接觸，惡化界面的潤(rùn)滑狀態(tài)。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在水潤(rùn)滑軸承方面已做了大量有益工作[1–5]，內(nèi)容包括潤(rùn)滑機(jī)理、摩擦磨損機(jī)理研究及不同條件、材料特性對(duì)摩擦學(xué)行為的影響規(guī)律等。如王建章研究了海水潤(rùn)滑下不同聚合物材料的摩擦學(xué)行為[6]；劉文紅對(duì)大尺寸高比壓水潤(rùn)滑橡膠合金軸承進(jìn)行了減震與耐磨試驗(yàn)研究[7]；Zhang主要研究了不同摩擦學(xué)條件下金屬與塑料和橡膠之間的磨損特征[8]；秦紅玲研究了尾軸承橡膠層厚度和硬度及其交互作用對(duì)軸承摩擦學(xué)性能的影響[9]；周廣武研究了低速重載工況下的水潤(rùn)滑橡膠合金軸承的摩擦噪聲特性[10]；何琳針對(duì)艦用水潤(rùn)滑軸承低噪聲設(shè)計(jì)要求，采用納米粒子改性丁腈橡膠塑料復(fù)合材料制備新型水潤(rùn)滑軸承材料，并測(cè)試了其在干態(tài)和水潤(rùn)滑狀態(tài)下的材料硬度和摩擦性能[11]。

然而，某種程度上來說，工況參數(shù)（如載荷、轉(zhuǎn)速、供水量等）、結(jié)構(gòu)參數(shù)（如半徑間隙等）對(duì)軸承的摩擦學(xué)特性影響的研究尚不夠充分，特別是針對(duì)復(fù)合材料如聚四氟乙烯PTFE軸承的研究還相對(duì)不足。因此，關(guān)于水潤(rùn)滑復(fù)合材料軸承的系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究是對(duì)當(dāng)前水潤(rùn)滑軸承研究的重要補(bǔ)充，為水潤(rùn)滑復(fù)合材料軸承的實(shí)際應(yīng)用提供試驗(yàn)支撐，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。本文在建立軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，針對(duì)多溝槽水潤(rùn)滑復(fù)合材料軸承進(jìn)行大量試驗(yàn)，得到了摩擦因數(shù)變化規(guī)律，系統(tǒng)地分析了軸承工況參數(shù)、幾何參數(shù)對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響，研究結(jié)果對(duì)于水潤(rùn)滑軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定指導(dǎo)意義。

1　基本方程

1.1潤(rùn)滑方程

流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本內(nèi)容是求解Reynolds方程以揭示流體潤(rùn)滑膜中壓力的分布規(guī)律[12]。水潤(rùn)滑軸承具體幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1　水潤(rùn)滑軸承幾何關(guān)系圖

如圖1所示，軸承置于水箱之中，承受軸頸的垂向載荷。水潤(rùn)滑軸承工作時(shí)，軸徑的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將楔形空間里的液體帶入收斂間隙而產(chǎn)生流體動(dòng)壓。作用在軸徑上的水膜壓力的合力與外載荷相平衡，使軸頸的穩(wěn)定位置偏于一側(cè)。平衡位置中心Oj，與軸承幾何中心Ob之間距離是偏心距e；偏心方向與垂向載荷之間的夾角是偏位角?，軸頸與軸承表面之間的距離為膜厚h。對(duì)應(yīng)圖1（b）中，襯層厚度為T，一般襯層材料為橡膠或高分子材料，如聚四氟乙烯（PTFE）。在直角坐標(biāo)系中，原點(diǎn)取在軸承中心，X軸為靜態(tài)載荷方向，Z軸根據(jù)右手準(zhǔn)則確定，Y軸為軸向方向。

不考慮熱效應(yīng)、黏壓、密壓效應(yīng)的前提下，直接給出直角坐標(biāo)系下適用于水潤(rùn)滑軸承的無量綱Reynolds方程[12]

1.2膜厚方程

一般來講，水潤(rùn)滑軸承水膜膜厚方程如下其中h0是軸承襯層未發(fā)生變形時(shí)膜厚[12]，計(jì)算方程為。 1.3載荷平衡方程

實(shí)際的水潤(rùn)滑軸承通常帶有縱向溝槽。相比于傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑軸承，水潤(rùn)滑軸承的工作環(huán)境相對(duì)惡劣。在海洋或內(nèi)陸河流水環(huán)境中，作為潤(rùn)滑劑的水通常含有泥沙和其他小的顆粒物，有時(shí)含量甚為可觀。泥沙等顆粒物會(huì)增大摩擦磨損，甚至?xí)茐臐?rùn)滑環(huán)境?？v向溝槽的主要作用是在軸頸旋轉(zhuǎn)的過程中將潤(rùn)滑界面的顆粒物攜入到溝槽，進(jìn)而排除，以免影響軸承的潤(rùn)滑環(huán)境。因此，為了模擬實(shí)際水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑狀況，采用帶溝槽的水潤(rùn)滑軸承進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖2給出了水潤(rùn)滑軸承溝槽位置相對(duì)于軸頸示意圖。

圖2　溝槽位置相對(duì)軸頸示意圖

1.4摩擦因數(shù)的計(jì)算

在潤(rùn)滑區(qū)域中，摩擦因數(shù)的構(gòu)成主要有兩部分組成：黏性流和剪切流。因此，摩擦因數(shù)可以通過對(duì)整個(gè)潤(rùn)滑表面的剪切應(yīng)力分布積分得到。計(jì)算公式如下其中Ff是摩擦力。

2　試驗(yàn)裝置

2.1試驗(yàn)臺(tái)

為了系統(tǒng)全面地對(duì)水潤(rùn)滑復(fù)合材料軸承的潤(rùn)滑性能進(jìn)行研究，需進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，獲取足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文以摩擦因數(shù)作為評(píng)價(jià)水潤(rùn)滑軸承綜合性能的指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上考察載荷、線速度（轉(zhuǎn)速）、供水量以及軸承徑向間隙四種因素對(duì)水潤(rùn)滑復(fù)合材料軸承的潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律。

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)研制的水潤(rùn)滑軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)主要由電氣控制部分、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分、中間過渡部分、垂向加載部分、試驗(yàn)信號(hào)采集部分組成。圖3給出了水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)原理簡(jiǎn)化圖，圖4給出了水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖。變頻電機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)軸承完全浸于水箱之中，通過導(dǎo)向桿對(duì)軸承施加徑向載荷。加載方式為液壓泵中間徑向加載，液壓泵內(nèi)部注有壓力油，保證載荷的大小。軸承潤(rùn)滑介質(zhì)為清水，水溫與含沙量根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(含沙量不超過0.01%，pH值6.5～8.5，氯離子含量不超過400 mg/L，水溫不高于65℃)予以控制，以保證潤(rùn)滑滿足要求。轉(zhuǎn)軸軸頸材料為42CrMo淬火鋼，軸頸表面經(jīng)淬火處理，泊松比0.3，彈性模量206 GPa，表面加工精度Ra=0.8 μm。

圖3中的元件8、9、10、11等共同組成了軸承的垂向加載部分。

圖5給出垂向加載裝置圖。垂向加載杠桿是1：5加載，即杠桿右側(cè)每加載1 N，施加在水潤(rùn)滑軸承上的載荷放大五倍。試驗(yàn)過程中，1#力傳感器測(cè)量水潤(rùn)滑軸承徑向載荷，2#力傳感器測(cè)量軸承切向載荷，將2#傳感器測(cè)量的切向載荷傳遞到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和后處理，從而計(jì)算得到摩擦因數(shù)。

圖3　水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)原理簡(jiǎn)化圖

圖4　水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

圖5　垂向加載裝置示意圖

2.2試驗(yàn)軸承

圖6（a）、（b）分別給出了試驗(yàn)用水潤(rùn)滑軸承三維模型圖和實(shí)物圖。試驗(yàn)軸承的整體結(jié)構(gòu)采用平面板條式結(jié)構(gòu)，其主要由襯層和套筒構(gòu)成，試驗(yàn)軸承內(nèi)徑為62 mm，襯層厚度為2 mm，軸承襯層上均布有縱向?qū)?，?dǎo)水槽的數(shù)目設(shè)計(jì)為4個(gè)，導(dǎo)水槽的截面形狀為圓弧形，軸承內(nèi)表面也采用圓弧形曲面。試驗(yàn)軸承襯層采用以高分子聚四氟乙烯（PTFE）為主要成分的復(fù)合材料，具有良好的減摩性、耐磨性和抗腐蝕能力，且有較高的承載能力。軸承外套筒材質(zhì)為45#鋼。軸承間隙根據(jù)試驗(yàn)研究的要求，在試驗(yàn)過程中進(jìn)一步的確定。軸承基本參數(shù)如表1所示，20℃室溫環(huán)境下水的物理特性，見表2。

表1　軸承基本參數(shù)表

表2　20℃室溫環(huán)境下水的物理特性表

圖6　試驗(yàn)軸承的三維模型圖和實(shí)物圖

圖7給出了PTFE復(fù)合材料試樣表面結(jié)構(gòu)和紋理組織圖。其中，圖7（a）給出了通過高倍顯微鏡下掃描的組織表面的密集均勻分布的白色斑點(diǎn)。這些白色斑點(diǎn)主要是由高耐磨工程聚四氟乙烯材料的顆粒構(gòu)成。圖7（b）為試樣的斷口形貌，高強(qiáng)度纖維均勻分布在聚四氟乙烯材料的組織上，形成無序排列的交錯(cuò)模式，從而可以顯著提高材料的抗剪切、抗壓和耐磨性能。

圖7　PTFE復(fù)合材料表面結(jié)構(gòu)和紋理組織圖

2.3摩擦因數(shù)計(jì)算方法

本試驗(yàn)所用的試驗(yàn)平臺(tái)可測(cè)量或控制的參數(shù)有：力傳感器1#測(cè)量得到的軸承徑向拉力F、設(shè)定轉(zhuǎn)速n、力傳感器2#測(cè)量得到的切向力T，以及力傳感器2到軸心的垂直距離R和軸承內(nèi)徑d、長(zhǎng)度L、軸承重力G。最后推導(dǎo)可得摩擦因數(shù)計(jì)算公式

2.4試驗(yàn)條件及方法

在轉(zhuǎn)速為200 r/min～1 400 r/min的范圍內(nèi)，取7個(gè)固定轉(zhuǎn)速，將軸承的徑向載荷逐漸增大，徑向載荷變化范圍為100 N～600 N，分別針對(duì)不同供水量Q，不同半徑間隙C，進(jìn)行試驗(yàn)并測(cè)量水潤(rùn)滑軸承的摩擦因數(shù)。

3　結(jié)果與討論

3.1載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律

摩擦因數(shù)在不同轉(zhuǎn)速下隨載荷變化規(guī)律如圖8所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別代表四種不同工況參數(shù)（半徑間隙C=0.05 mm，0.10 mm，0.15 mm,0.20 mm）下，摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

外載荷對(duì)水潤(rùn)滑軸承的摩擦學(xué)性能有明顯的影響。從總體趨勢(shì)看，隨著載荷的增大，摩擦因數(shù)總體呈現(xiàn)先減小，隨后逐漸趨于平緩的趨勢(shì)。針對(duì)不同工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體的變化規(guī)律稍顯復(fù)雜，如圖8 (c)中，轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，隨著載荷增加，摩擦因數(shù)隨載荷先增大，后逐步減小，最后才趨于緩和，中間有一個(gè)明顯波動(dòng)的過程。

當(dāng)載荷較小時(shí)，復(fù)合材料PTFE襯層所受壓力較小，襯層的總體宏觀彈性變形較小，轉(zhuǎn)軸和軸承接觸區(qū)域水膜厚度較薄，頸縮效應(yīng)不明顯，不足以支撐整個(gè)外載荷。同時(shí)，軸瓦表面微觀尺度上三維形貌效應(yīng)，容易導(dǎo)致軸頸與軸承直接接觸，形成邊界摩擦，摩擦因數(shù)較大。甚至在部分情況下，如圖8(c)中，轉(zhuǎn)速為200 r/min工況下，摩擦因數(shù)會(huì)隨著載荷的增大而有所上升，在外載荷F=300 N左右達(dá)到最大值，隨后逐漸減小；載荷較小時(shí)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將水膜攜入楔形接觸區(qū)內(nèi)，水膜的動(dòng)量使壓強(qiáng)升高，此時(shí)轉(zhuǎn)軸與軸承的接觸區(qū)形成一個(gè)高壓區(qū)，如果轉(zhuǎn)速足夠快，動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，轉(zhuǎn)軸會(huì)逐漸被水膜浮起，出現(xiàn)慣性滑水現(xiàn)象。

進(jìn)一步增大外載荷，軸承襯層所受壓力增大，復(fù)合材料PTFE襯層的宏觀彈性變形明顯增加，在接觸區(qū)形成很多單元，每個(gè)單元都是可能發(fā)生變形的彈性體。軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸與每個(gè)單元的趨近過程正是一種擠壓作用，其所產(chǎn)生的壓強(qiáng)使得各單元的中央部分凹陷變形，出現(xiàn)高壓區(qū)，進(jìn)而產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象。此時(shí)轉(zhuǎn)軸會(huì)被水膜浮起，出現(xiàn)黏性滑水現(xiàn)象，使得軸承接觸面的實(shí)際面積增大，導(dǎo)致單位面積上所承受的實(shí)際壓力反而減小，從而使摩擦因數(shù)減小。

圖8　不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨載荷變化規(guī)律

當(dāng)載荷增大到一定量后，彈性變形達(dá)到最大，這時(shí)候軸承界面的實(shí)際接觸面積接近軸承表觀接觸面積，外載荷再增大，摩擦力卻不再增加，使得摩擦因數(shù)也趨于穩(wěn)定；繼續(xù)加大載荷，會(huì)使得水膜不足以支承載荷而破裂，導(dǎo)致干摩擦，造成摩擦因數(shù)急劇增大，同時(shí)導(dǎo)致摩擦表面溫度急劇升高，嚴(yán)重情況下甚至?xí)斐奢S承材料損毀，軸承失效損壞等。在試驗(yàn)研究中，為安全起見所施加外載荷整體偏小，沒有出現(xiàn)這種情況。

3.2轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)的影響

不同工況下軸承摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖9所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別代表四種不同工況參數(shù)（半徑間隙C=0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm）下，摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

從圖中可以看出，大部分工況下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦因數(shù)總體呈降低的趨勢(shì)，高轉(zhuǎn)速區(qū)段的變化趨勢(shì)相對(duì)平緩。有相當(dāng)一部分工況的摩擦因數(shù)在高轉(zhuǎn)速區(qū)間段有一定的上升。當(dāng)軸承承受載荷以后，在速度很低的情況下，水膜不能包容整個(gè)軸面，軸承與轉(zhuǎn)軸之間的潤(rùn)滑狀態(tài)主要是干摩擦和邊界潤(rùn)滑，所以摩擦因數(shù)較大。增大轉(zhuǎn)速，水膜動(dòng)量增大的同時(shí)使壓強(qiáng)增大，提高了水膜的承載能力的同時(shí)也使得高分子復(fù)合材料合金產(chǎn)生彈性變形形成高壓區(qū)，速度越快，水膜承載能力越大。同時(shí)由于轉(zhuǎn)軸快速的抽吸作用，使得軸承與轉(zhuǎn)軸之間形成潤(rùn)滑水膜，速度增大，水膜變厚，潤(rùn)滑作用增強(qiáng)。同時(shí)，由于水膜的楔形效應(yīng)使軸承的承載能力大大提高，進(jìn)而使得摩擦因數(shù)相應(yīng)地降低。

隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，軸承與轉(zhuǎn)軸之間的動(dòng)壓效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)由于復(fù)合材料的彈性變形產(chǎn)生部分彈流效應(yīng)，從而使摩擦因數(shù)進(jìn)一步減小。但速度達(dá)到一定程度時(shí)，接觸面之間的水分子受剪切作用而變形、扭曲，消耗能量，表現(xiàn)為使兩界面相互滑動(dòng)所需的基本摩擦力趨近于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速的增大對(duì)摩擦因數(shù)的減小影響很少，因此摩擦因數(shù)變化趨于平緩。

至于圖(d)中，高速區(qū)段摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大有所上升，則有可能是由于在部分工況下，高速條件下軸承彈流動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)遭到破壞，接觸面之間的摩擦增大，摩擦因數(shù)抬頭上升。

3.3供水量對(duì)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律

不同工況下，高分子復(fù)合材料水潤(rùn)滑軸承的摩擦因數(shù)隨供水量的變化規(guī)律如圖10所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別代表四種不同工況參數(shù)（半徑間隙C= 0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm）下，摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。進(jìn)行三組供水量的試驗(yàn)測(cè)試，供水量的取值范圍從1.5 L/min～2.5 L/min之間。結(jié)合由試驗(yàn)數(shù)繪制出的曲線可知，在試驗(yàn)設(shè)定的供水量范圍內(nèi)，軸承摩擦因數(shù)隨著供水量的增加而降低。這一結(jié)論與理論預(yù)期一致。事實(shí)上，隨著供水量的增加，一方面帶走了摩擦產(chǎn)生的大量熱量，另一方面改善了高分子復(fù)合材料接觸面的摩擦環(huán)境，使得復(fù)合材料更容易被水濕潤(rùn)，從而在摩擦表面形成較完整的潤(rùn)滑水膜，使摩擦因數(shù)降低。但是供水量并非越大越好，供水量太大，水流過快，使得軸承工作過程中形成穩(wěn)定彈流潤(rùn)滑的難度增加，反而不利于改善軸承潤(rùn)滑性能。因此軸承的供水量存在一個(gè)最佳值。

圖9　不同載荷下摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

圖10　不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨供水量的變化規(guī)律

關(guān)于軸承最佳供水量的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)13給出了一個(gè)最佳供水量計(jì)算公式式中Q——供水量，L/min；c——供水系數(shù)；l——軸承長(zhǎng)度，cm；d——軸承直徑，cm；u——軸頸圓周速度，m/s；ΔT——冷卻水溫升，℃。

試驗(yàn)中，軸承長(zhǎng)度和直徑分別為

轉(zhuǎn)速l=120 mm=12 cm，d=80 mm=8 cm轉(zhuǎn)速200 r/min～1 400 r/min，對(duì)應(yīng)軸頸圓周速度

對(duì)u取其中間值，計(jì)算所需的最佳供水量為

試驗(yàn)中，冷卻水的溫升能控制在2℃～4℃，以3.5℃為例，反推出的供水量為

從驗(yàn)證過程和結(jié)果來看，本試驗(yàn)軸承的最佳供水量設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)值相符。同時(shí)，在所采用的幾組供水量條件下，軸承的綜合潤(rùn)滑性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到比較令人滿意的效果。因此式(6)適用于高分子復(fù)合材料水潤(rùn)滑軸承的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

圖11　不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨半徑間隙變化規(guī)律

3.4軸承間隙對(duì)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律

試驗(yàn)主要測(cè)量四種不同半徑間隙（半徑間隙C= 0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm）下軸承的摩擦學(xué)綜合性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪出的摩擦系數(shù)隨間隙變化規(guī)律如圖11所示，(a)、(b)、(c)、(d)分別代表四種不的工況參數(shù)（外載荷F=200 N、300 N、400 N、500 N）下，摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

從圖中可以看出間隙對(duì)水潤(rùn)滑軸承的摩擦因數(shù)有較大的影響。隨著間隙的增大，摩擦因數(shù)先逐漸減小，到達(dá)最小數(shù)值后又有所反彈，后面的趨勢(shì)則根據(jù)工況的不同而稍有不同，如在圖1(a)、圖1(d)中，部分工況下，當(dāng)間隙大于某一間隙0.10 mm，摩擦因數(shù)取得最小值之后，隨著間隙增大，摩擦因數(shù)一直保持增加的趨勢(shì)；而在另一些工況下在圖1(b)、圖1(c)中，摩擦因數(shù)在越過某一間隙0.10 mm的最小值后，隨著間隙增大達(dá)到一個(gè)最大值，隨后又開始降低的趨勢(shì)，但從整體趨勢(shì)上看，摩擦因數(shù)還是略有增加。這說明間隙過大時(shí)，轉(zhuǎn)軸與軸承之間不容易形成動(dòng)壓效應(yīng)，動(dòng)壓水膜難以穩(wěn)定，軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)屬于邊界潤(rùn)滑；而間隙過小，由于復(fù)合材料PTFE的宏觀變形，又會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸與軸承襯層潤(rùn)滑表面之間直接接觸面積的增加，甚至形成干摩擦，從而增大摩擦因數(shù)。因此，對(duì)于水潤(rùn)滑軸承來說，存在最佳的半徑間隙使得試驗(yàn)軸承的摩擦因數(shù)最小。綜合圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)四種工況可以看出，當(dāng)半徑間隙C=0.10mm，此時(shí)，軸承的內(nèi)徑為d=60.20 mm，軸承的摩擦因數(shù)是最低的。從摩擦因數(shù)這一指標(biāo)來看，試驗(yàn)軸承的最佳間隙為0.10 mm。

因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，必須合理設(shè)計(jì)、選擇軸承的內(nèi)徑，以保證軸承工作時(shí)處于最佳的工作間隙。

4結(jié)　語

通過對(duì)高分子復(fù)合材料PTFE水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑性能系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，以軸承的摩擦因數(shù)、摩擦功耗和潤(rùn)滑劑的溫升作為軸承潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了軸承的潤(rùn)滑性能在不同工況參數(shù)、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)隨著載荷的增加，水潤(rùn)滑軸承的摩擦因數(shù)整體呈現(xiàn)逐漸減小，并最終達(dá)到數(shù)值恒定的趨勢(shì)；

(2)隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增大，水潤(rùn)滑軸承的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先逐漸減小，隨后緩慢增加的趨勢(shì)；

(3)隨著供水量的增加，水潤(rùn)滑軸承的摩擦因數(shù)先逐漸減小而后逐漸增大，存在最佳供水量，使得摩擦因數(shù)最?。?/p>

(4)軸承的最佳工作轉(zhuǎn)速在600 r/min～1 000 r/ min之間，這一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有較低的摩擦因數(shù)（0.02～0.05），軸承的磨損也相對(duì)較??；

(5)水潤(rùn)滑軸承在安裝中存在最佳半徑間隙，本試驗(yàn)軸承的最佳半徑間隙C=0.10 mm。在該間隙下，軸承具有最小的摩擦因數(shù)和最小的磨損量。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wodtke M,A Olszewski and M Wasilczuk.Application of the fluid-structure interaction technique for the analysis of hydrodynamic lubrication problems[J].Proc.Inst.Mech. Eng.,Part J:J.Eng.Tribol,2013.

[2]Pai R and D Hargreaves,Water lubricated bearings[J].In Green Tribology,2012,Springer:347-91.

[3]Fogg A and S Hunwicks.Some experiments with waterlubricatedrubberbearings[P].Proceedingsofthe Institution of Mechanical Engineers,1937.

[4]Cabrera D,N Woolley,D Allanson et al.Film pressure distribution in water-lubricated rubber journal bearings[J]. Proc.Inst.Mech.Eng.,Part J:J.Eng.Tribol,2005,219 (2):125-32.

[5]Busse W and W Denton.Water lubricated soft rubber bearings[J].Trans.ASME,1932,54:3-10.

[6]Wang J,F Yan and Q Xue.Tribological behaviors of some polymeric materials in sea water[J].ChSBu,2009;54 (24):4541-48.

[7]劉文紅，水潤(rùn)滑橡膠合金軸承振動(dòng)噪聲分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[8]Zhang S W and R Y He.Advances in the study on wear of metals by polymers[J].JMatS,2004,39(18):5625-32.

[9]秦紅玲，周新聰，閆志敏，等.尾軸承橡膠層厚度和硬度及其交互作用對(duì)摩擦性能的影響[J].兵工學(xué)報(bào)，2013，34 (3)：318-23.

[10]周廣武，王家序，李俊陽.低速重載條件下水潤(rùn)滑橡膠合金軸承摩擦噪聲研究[J].振動(dòng)與沖擊，2013，32(20)：14-17.

[11]何琳，楊雪，帥長(zhǎng)庚.艦用新型低噪聲水潤(rùn)滑軸承材料硬度與摩擦性能[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012，32(5)：181-84.

[12]張直明.滑動(dòng)軸承的液體動(dòng)力潤(rùn)滑理論[M].北京：高等教育出版社，1986.

[13]沈陽水泵研究所.葉片泵設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

E-mail:zsrao@sjtu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TH133.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.041

文章編號(hào)：1006-1355(2016)01-0192-08

收稿日期：2015-05-21

作者簡(jiǎn)介：范凱（1986-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榕灤O(jiān)造研究。

通訊作者：饒柱石（1962-），男，博士生導(dǎo)師。

Experimental Study on Friction Characteristics of Water-lubricated Composite-material Bearings

FANKai1,XIE Zhong-liang2,RAO Zhu-shi2,TANa2,YIN Zhong-wei2

(1.Military Representative Bureau in ShanghaiArea of NavalArmament Department, Shanghai 200000,China; 2.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China)

Abstract:Friction characteristics of water-lubricated composite-material bearings,including lubrication mechanism and performance parameters,were studied experimentally.The water lubricated bearings were made up of a new ultra-highmolecular polymer composite material PTFE.The friction properties under water lubrication condition were measured. Variations of friction coefficient with external load,rotating speed,water supply rate and radial clearance were presented. Research results show that the external load and the rotating speed have great influence on the friction characteristics. Meanwhile,there exists an optimum water supply rate and optimum radial clearance with the minimum friction coefficient and wearing as the target.Research conclusions have guiding significance for structure design and optimization of the newtype water-lubricated composite-materials bearings.

Key words:vibration and wave;water-lubricated bearings;friction coefficient;external load;water supply rate;radial clearance