水懸浮軸承性能及關(guān)鍵技術(shù)
2020-06-16 水懸浮軸承習(xí)慣上被稱(chēng)為水潤(rùn)滑軸承。水潤(rùn)滑軸承是液體潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承(摩擦副)的兩種經(jīng)典型式之一。與油潤(rùn)滑軸承相比,水潤(rùn)滑摩擦副具有以下特點(diǎn):
●成本低-用水替代油作潤(rùn)滑介質(zhì),使用成本低。
●環(huán)保衛(wèi)生-對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康沒(méi)有任何危害,有利于環(huán)境保護(hù)。
●安全性好-水不會(huì)燃燒,也能維持更長(zhǎng)時(shí)間的工作穩(wěn)定性。
●易維護(hù)保養(yǎng)-水本身就具有清潔功能,所以水作介質(zhì)的摩擦副系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)非常方便。
水懸浮軸承材料一是自然水或水基液,二是非金屬類(lèi)材料,也使用少量的金屬材料,具有節(jié)能、減排、減振、降噪、安全、可靠、耐磨、高效、長(zhǎng)壽命和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于船舶、海洋、機(jī)械、礦山、冶金及工等重要裝備或領(lǐng)域傳動(dòng)系統(tǒng)。水潤(rùn)滑塑料或橡膠軸承在船舶行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用,水或水基液潤(rùn)滑陶瓷軸承、靜壓水潤(rùn)滑導(dǎo)軌軸承等也逐漸開(kāi)始應(yīng)用。
水潤(rùn)滑軸承襯套常用材料有金屬材料、鐵梨木、夾布膠木、膠合層板、工程塑料、陶瓷、橡膠以及橡膠合金等。不同材質(zhì)的水潤(rùn)滑軸承性能相差很大。
1.金屬材料
金屬材質(zhì)的顯著優(yōu)點(diǎn)是承載能力大,缺點(diǎn)是不耐沖擊、減振效果差及易發(fā)生電蝕。
2.鐵梨木
鐵梨木木質(zhì)致密堅(jiān)硬,相對(duì)密度大。鐵梨木含有高比例的樹(shù)脂、樹(shù)脂精汁,極少量硬樹(shù)脂和苦性精汁。由于它遇水乳化而具有自潤(rùn)滑作用,因此廣泛用于船舶尾管軸承。缺點(diǎn)是不適用于含有泥沙較多的水域,且吸水后體積有所膨脹。鐵梨木是資源,屬于消耗品,由于資源漸乏,價(jià)格昂貴。
3.夾布膠木
夾布膠木的樹(shù)脂含量較高,抗磨性較好。艉軸承的鑲條式夾布膠木軸瓦的結(jié)構(gòu)與鐵梨木軸瓦相同,也不適宜含沙較多的水域。
4.膠合層板
膠合層板浸透過(guò)人造樹(shù)脂,用酚醛樹(shù)脂黏結(jié)劑,常用的木材為樺木。層狀木質(zhì)塑料與鋼或青銅形成摩擦副,水潤(rùn)滑時(shí)具有良好的耐磨性(油潤(rùn)滑也如此)。主要缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性較差,吸水易膨脹,即使是空氣中的濕氣(吸濕性)或滴水(吸水性)。材料泡脹會(huì)改變制成品的尺寸,影響軸承運(yùn)轉(zhuǎn)。
5.工程塑料
酚醛樹(shù)脂和氟化乙烯樹(shù)脂是用來(lái)制造水潤(rùn)滑軸承見(jiàn)的工程塑料。塑料對(duì)水的親和性好,具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能;塑料的高硬度能承受較大載荷。但它的缺點(diǎn)是吸水后膨脹較大,縮小了軸承間隙,不能自適應(yīng)軸系變形,易發(fā)生抱軸或燃軸現(xiàn)象。
6.陶瓷
陶瓷具有耐高溫、耐磨損和耐腐蝕的特性,對(duì)雜質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng),承載能力較大,正在被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。作為多孔質(zhì)材料,還具有一定的自潤(rùn)滑性,但缺點(diǎn)是耐沖擊性差。
7.橡膠以及橡膠合金
橡膠軸襯特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的緩沖和減震性能;親水性好,水中摩擦系數(shù)較低且耐磨;彈性模量較小,適應(yīng)軸系的傾斜或彎曲變形,可靠性較高。缺點(diǎn)是干摩擦系數(shù)較大,易燒結(jié)。
從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始,前蘇聯(lián)對(duì)用水作潤(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)行了深入研究。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本以及其他國(guó)家隨后也在水潤(rùn)滑軸承方面做了大量研究工作。
我國(guó)從20世紀(jì)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,在60年代初期開(kāi)始進(jìn)行理論探索和試驗(yàn)研究工作。如核泵水潤(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)滑軸承及潛水電泵上采用的水潤(rùn)滑塑料推力軸承等。但大都是從國(guó)外引進(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)而設(shè)計(jì)制造。
考慮石油資源和環(huán)境保護(hù),對(duì)水及水基液代替礦物油用作機(jī)械傳動(dòng)工作介質(zhì)的興趣日益濃厚。我國(guó)成為海洋強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)使海洋工程裝備發(fā)展迅猛,對(duì)水潤(rùn)滑軸承產(chǎn)品提出了更旺盛、更迫切的需求,對(duì)水潤(rùn)滑軸承振動(dòng)、噪聲、可靠性、承載能力和壽命等性能提出了越來(lái)越苛刻的技術(shù)要求。
世界船舶制造市場(chǎng)格局如圖1所示,水潤(rùn)滑軸承的市場(chǎng)格局及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)分布見(jiàn)圖2、圖3。
在核電及高檔機(jī)床領(lǐng)域,水潤(rùn)滑軸承幾乎依靠進(jìn)口。這是因?yàn)楣I(yè)領(lǐng)域關(guān)注度不夠,研究力度和深度未能突破相關(guān)的核心技術(shù)及國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品質(zhì)量差距較大,自主產(chǎn)品沒(méi)有性價(jià)比優(yōu)勢(shì),不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
圖1 世界船舶制造市場(chǎng)格局

圖2 水潤(rùn)滑橡膠軸承市場(chǎng)占有情況

圖3 國(guó)內(nèi)水潤(rùn)滑市場(chǎng)分布格局
與技術(shù)水平相比,我國(guó)在多場(chǎng)多介質(zhì)耦合條件下水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑機(jī)理、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、材料改性、環(huán)境效應(yīng)分析和試驗(yàn)技術(shù)研究等基礎(chǔ)研究方面有較大差距,低噪聲、高可靠、長(zhǎng)壽命、大尺寸、高比壓、超潤(rùn)滑、高精度、高剛度、低能耗和智能化等高性能水潤(rùn)滑軸承創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造理論、方法和技術(shù)是我國(guó)水潤(rùn)滑軸承迫切需要解決的共性和關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題。
能量與運(yùn)動(dòng)是通過(guò)機(jī)械零部件之間的界面來(lái)傳遞。機(jī)械設(shè)備與零部件的宏觀工作性能(承載能力、效率、能耗和工作壽命,特殊與條件的適應(yīng)性與安全可靠性)與界面的機(jī)械、物理與化學(xué)形態(tài)直接相關(guān),而后者一般是微米或納米尺度的復(fù)雜現(xiàn)象。傳統(tǒng)的接觸力學(xué)不考慮可能存在的各類(lèi)潤(rùn)滑,傳統(tǒng)的潤(rùn)滑力學(xué)不考慮可能存在的表面接觸,它們都不能完整、準(zhǔn)確地描述工程中界面的實(shí)際狀況。
因此,全面綜合運(yùn)用界面力學(xué)、摩擦學(xué)、表面工程、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、*制造、可靠性工程、測(cè)試技術(shù)等多學(xué)科交叉融合,與協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù),是解決水潤(rùn)滑軸承及水潤(rùn)滑摩擦副問(wèn)題的重要手段。
需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要有:
●多場(chǎng)耦合條件下水潤(rùn)滑軸承系統(tǒng)動(dòng)態(tài)服役行為關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題;
●水潤(rùn)滑軸承的混合潤(rùn)滑機(jī)理;
●軸-水膜-軸承的非線性動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合特性;
●水潤(rùn)滑軸承及系統(tǒng)振動(dòng)噪聲機(jī)理分析及其控制策略;
●基于界面與系統(tǒng)科學(xué)的水潤(rùn)滑軸承可靠性設(shè)計(jì)理論和方法;
●水潤(rùn)滑軸承多學(xué)科交叉創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;
●多場(chǎng)耦合條件的水潤(rùn)滑軸承及傳動(dòng)綜合性能實(shí)驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)體系;
●水潤(rùn)滑軸承材料配方設(shè)計(jì)、制造與精密成型制造科學(xué)方法;
●水潤(rùn)滑軸承工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化;
●高速、加速度變化劇烈的情況下,水與固體界面滑移的深入分析與控制。
摘自《軸承技術(shù)路線圖》
佰聯(lián)軸承網(wǎng)專(zhuān)注軸承行業(yè)信息化服務(wù)20年,陪著很多優(yōu)秀的軸承企業(yè)一起成長(zhǎng),也見(jiàn)證了中國(guó)的軸承生產(chǎn)技術(shù)由低到高的發(fā)展過(guò)程。我們將堅(jiān)持本心,踏踏實(shí)實(shí)的做事,不折騰、不放棄,為中國(guó)軸承行業(yè)的良性發(fā)展盡綿薄之力。
2019.12.16