第1章 绪论
长期以来，机械传动装置特别是船舶推进系统中的各种摩擦副，往往由金属构件组成，用矿物油作为润滑介质，因此，耗费了大量矿物油和贵重金属等战略资源。为了防止油泄漏，需要对传动构件进行密封，这使得其结构相当复杂，很难降低或减少各种机械传动中不可避免的摩擦、磨损、振动、冲击、噪声和无功能耗［1］。另外，在传动系统中仍然存在可靠性差和寿命较短等问题，特别是存在密封泄漏油污染江河湖海水资源环境日趋严重的状况。
我国船舶航运行业有关部门的统计资料表明，一艘功率为880kW的船舶，其推进系统每年因艉轴密封泄漏润滑油在3t以上。航行在三峡库区及长江水域采用油润滑轴承系统的船舶共有几十万艘，如果每艘船每年平均泄漏润滑油按1.5t计，每年船舶推进系统泄漏润滑油则高达几十万吨。三峡水利工程库区流域是世界*大的内湖之一，由于水的流速陡然减慢，长江自我净化能力大大减弱，船舶推进系统艉轴泄漏的润滑油对三峡库区水环境造成了严重的污染。国内各种船舶共计几百万艘(不含海军舰艇)，国内内河航行的船只(除了少数进口的)基本上都采用油润滑，这些船只每年向江河湖海泄漏的润滑油高达几百万吨，给水资源造成了巨大污染，严重破坏了生态环境，并危及人类的生存条件。世界正面临前所未有的能源和资源危机，例如，已探明的石油可采储量只可开采43年，已探明的铜可采储量只可开采26年。美国政府以法律形式明确规定，禁止以油润滑推进系统的船舶在密西西比河等内陆河流中航行，否则一旦发现泄漏润滑油将处以2.5万美元以上的罚款。上海市人民政府也于1997年颁布禁止航行在上海港的船舶泄漏润滑油的有关规定，违者将处以2万元以上的罚款，甚至扣押违规船舶的处罚，以保护和净化水资源及环境［2，3］。因此，促使人们去研究开发无污染并具有减振、降噪、耐磨、可靠、高效、节能、高承载能力、长寿命等功效的新型轴承系统，并加以推广应用，以解决江河湖海环境严重污染问题，应该说这是船舶工业、内河航运的当务之急［4］。
水具有无污染、来源广泛、节省能源、安全性、难燃性等特性，是*具有发展潜力的润滑介质。因此，为了降低或减少各种摩擦副因运动而产生的摩擦、磨损、振动、冲击、噪声、无功能耗、可靠性差和寿命较短等问题，节省大量油料和贵重有色金属等战略资源，特别是为了净化和保护江河湖海水资源等人类赖以生存的环境，利用新型工程复合材料替代传统金属作为机械传动系统的摩擦副，用自然水替代矿物油作为机械传动系统的润滑介质，基于资源节约与环境友好的水润滑轴承、密封装置等非金属材料摩擦副的科学技术研究课题，引起人们的普遍关注，并已成为世界工业发达国家竞相研究的热点课题之一。
与油润滑技术相比，水润滑技术具有以下特点［5］：
（1） 水的黏度很低，通常在油的1/20以下，因此难以得到流体润滑，故负荷不能太大。但是，在流体润滑状态中，由于水的黏性阻力低，其摩擦系数比油润滑更小。
（2） 在流体润滑条件下，轴承负荷能力与黏度/润滑膜厚度成正比。因此，与油相比，*小水膜厚度变得很小。例如，400℃时相对于ISOVG68油，水的黏度约为其1/100，因而在同一条件下，水的润滑膜厚度等于油的1/10。
（3） 水的黏度低，且压黏效应、温黏效应都比油稳定，因此在给水压力高或水流速度快的情况下容易产生紊流。
（4） 在流体进行润滑时，固体表面与流体之间产生物理化学方面的作用很重要，但是，在水润滑的场合，很难得到具有有效润滑作用的表面吸附物。因此，轴承的材料应是与水的润滑很好匹配的材料。
（5） 轴承和轴颈都必须注意由水产生的腐蚀，特别是由于水中溶解各种盐而发生电离，必须注意电化腐蚀问题。
（6） 水的比热容大，对于摩擦发热的冷却效果比油好。
（7） 从水的沸点来看，水润滑轴承不能用于水温100℃以上的环境，反之，也不能用于冰点以下的低温环境。
另外，由于油润滑系统需要配备密封装置，而水润滑系统则不需要，所以水润滑系统可能具有更低的设备成本和运转成本。
近年来，水润滑轴承的逐步推广应用改变了长期以来机械传动系统中往往是以金属构件组成摩擦副的传统观念，不仅节省了大量油料和贵重有色金属，而且简化了轴系结构，避免因使用油润滑金属轴承而泄漏污染水环境的状况。因而水润滑橡胶合金轴承的深入研究，对水润滑轴承的推广应用具有重要的实用意义，对丰富非金属摩擦副的润滑具有重要的理论意义。
1.1 水润滑轴承的发展历史与研究现状
1.1.1 水润滑轴承的发展历史
水润滑轴承的历史可以追溯到19世纪40年代，在使用蒸汽轮机驱动的螺旋桨作为船的推进系统时，就有了采用黄铜和白色金属材料的水润滑轴承［6］。由于金属价格昂贵和磨损较快，Penn采用了以铁梨木为材料的水润滑轴承，明显地提高了在海水中使用的船舶艉轴轴承的耐磨性，但在污染的水质中使用，与黄铜及白色金属轴承相比，铁梨木水润滑轴承对轴颈的磨损更加严重。
20世纪初期，矿山工程师Sherwood在水泵中的轴承损坏、无法找到新轴承的紧急情况下，使用了临时用软管材料制成的水润滑轴承，令人惊讶的是，这个轴承不但能正常工作，而且磨损比金属轴承小得多，这个轴承以及后来的Sherwood轴承应当是水润滑橡胶轴承的雏形。1932年，Busse和Denton［7］正式发表了关于水润滑橡胶轴承的论文。他们在不同载荷和速度下对一些较小的柱状轴承进行了一些测试，发现橡胶轴承用到当时的英国快艇上，*大速率可以达到4330in/min(1321m/min)。1937年，Fogg和Hunwicks［8］也进行了大量类似Busse和Denton的试验，他们使用了更大的孔和更小的间隙。1963年，Schneider和Smith［9］报告了美国海军应用水润滑轴承的过程，并展示了大量摩擦系数测试结果图，讨论了支承轴承腔橡胶密封圈的自我调整效果，给出了不同的磨损测试结果，还讨论了影响船外螺旋桨轴承寿命的因素，包括载荷、摩擦移动速率，速率时间关系，轴颈和轴承的表面粗糙度，磨蚀类型和磨蚀量的大小，并规定了载荷、轴颈和轴承材料的形式。
1.1.2 水润滑轴承的研究现状
目前从事水润滑轴承研究工作的主要有美国、俄罗斯、英国、中国等，而真正形成生产能力的专业厂家，仅有美国的B.F.Goodrich公司、General Propeller公司、Duramax Marine LLC公司以及中国重庆奔腾科技发展有限公司等为数不多的几家公司。产品总体特性为：承载能力为0.25～1.86MPa、工作速度为0.25～35m/s、摩擦系数为0.01～0.18、使用寿命为9000多小时等，多用于船舶艉轴、水轮机、水泵以及农业机械和矿山机械等。
多年来，世界各国在水润滑橡胶轴承的研究应用方面做了大量工作，早在20世纪40年代，美国的船舶就有使用水润滑橡胶轴承的记载，在军用舰艇中艉轴橡胶轴承使用较多，它不仅用于海洋船舶，也广泛用于内河船舶；从20世纪80年代末期开始，苏联一直对采用水作为润滑液的流体静力轴承和流体动力轴承的特性和材料进行深入研究，英国、德国和日本等也在水润滑轴承方面进行了研究和应用。英国的海沃德-泰勒公司在无填料泵结构中采用了水润滑滑动轴承，其轴材料为马氏体不锈钢或在碳钢表面镀铬，而轴瓦材料为石棉填充酚醛树脂，使用效果较好［10］。德国的Vickers公司和Michell公司在深井泵和潜水泵中采用水润滑橡胶轴承，即以橡胶材料作为轴瓦［11］。加拿大的汤姆逊-戈尔登有限公司在船舶艉轴的支承中采用了水润滑系统，在不锈钢轴承上复合一层聚合材料作为轴瓦［12］。日本在离心泵和船用离心泵中广泛采用了水润滑轴承；在大型内燃机油轮用锅炉给水泵中采用了自给式的水润滑轴承，其轴瓦材料为渗碳合金［13］。东芝公司还在汽轮发电机和水轮发电机上开发了泵用水润滑轴承等［14］。
我国对水润滑橡胶轴承的理论探索和试验研究工作及应用开始较晚。例如，原第二机械工业部第一设计院设计的核泵水润滑轴承［15］、江都三站大型立式轴流泵上采用的酚酐塑料水润滑轴承、潜水电泵上采用的水润滑塑料推力轴承等［16］，大多是从国外引进技术，通过模型试验，对比和评价试验等总结出经验参数而加工制造的。目前，国内研究水润滑橡胶轴承的科研单位及生产厂家仍较少，其中，沈阳滑动轴承研究所与西安交通大学润滑理论及轴承研究所组成的联合体在这方面做过一些有益的探索［17］，重庆大学机械传动国家重点实验室与重庆奔腾科技发展有限公司在水润滑橡胶合金轴承的研制、开发和推广应用上较为成功，已开发了600多种规格的BTG水润滑橡胶合金轴承系列产品，其制造成本和性能与国内外同类轴承相比具有非常明显的优势。
1.2 水润滑轴承的分类及特点
1.2.1 铁梨木轴承
铁梨木是一种产于美洲热带和亚热带地区的阔叶树种，其木质为淡黄色的白木质层，其木质含有约69.4%的木质部分、26%的树脂、2.8%的树脂精汁、1%的硬树脂和0.8%的苦性精汁。由于铁梨木木质层有组织紧密、坚硬、非直纹等特征，它是一种高密度、高硬度、抗腐性和抗磨性工程材料。
铁梨木含有的树脂遇水能形成乳状液体，形成自润滑膜，因此曾被广泛应用于船舶艉管轴承。其基本特性如表1-1所示。
表1-1 铁梨木的基本特性
含水量为16%的铁梨木的物理力学性能如表1-2所示。
表1-2 铁梨木的物理力学性能
铁梨木在水润滑状态下具有较低的摩擦系数。根据相关试验，当压力p=1.46～4.38MPa、滑动速度v=1.2m/s时，摩擦系数f=0.007；当p=10.9MPa、润滑水温为15～18℃时，f=0.003；当p=1MPa、v=9.05m/s、轴承进水温度27.20℃、出水温度44.70℃时，f=0.033。当润滑水温不超过50℃时，铁梨木能保持其抗磨性能；当润滑水温为60～70℃时，铁梨木的摩擦系数急剧升高。
铁梨木具有良好的抗磨性，主要是因为其存在黏液精汁。这种精汁遇水能够形成乳状液，并覆盖在铁梨木工作表面，使其具有一定的自润滑性能。相关研究表明，在水润滑状态下，铁梨木、铁桦树、柿树和铁树的摩擦系数主要取决于木材的硬度和木纹结构，而不是木材的化学成分。铁梨木具有较为特殊的木质结构和纹理，其横向切面的纹理与普通木材不同，表现出较低的摩擦系数。但铁梨木的纵向切面的摩擦系数高于横向切面的摩擦系数。
图1-1为铁梨木轴瓦的一种结构。套筒是由水平对接的两半部分组成，铁梨木块安装在燕尾槽内。这种结构的缺点是铁梨木块之间存在间隙，使轴瓦的支持面减少，降低了轴承的承载能力。其优点是冷却水和润滑水的通流量较大，散热效果和排沙性能较好。
图1-2为镶条结构轴瓦式铁梨木水润滑轴承。根据桨轴直径，铁梨木块的厚度一般为15～25mm，宽度为60～80mm。根据铁梨木的断裂强度，其*小厚度有所限制；铁梨木块越厚，其弹力压缩性越大，因此轴瓦艉部末端的边缘压力就会减少。
带铁梨木轴瓦的人字架和艉轴轴承，其径向间隙的大小可以按照公式D1=1.004D+1cm计算，其中D1为轴瓦镗孔的内径(cm)，D为桨轴复套的外径(cm)。计算出的磨损极限值如表1-3所示。
表1-3 镶条结构轴瓦式铁梨木轴承径向间隙和磨损极限
图1-2 镶条结构轴瓦式铁梨木水润滑轴承（单位：mm）
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