水润滑陶瓷滑动轴承研究综述

1、水润滑陶瓷滑动轴承研究综述王蕴1 刘峰2 (1.白城师范学院机械电子工程系，吉林 白城 137000 2.天津大学机械工程学院,天津 300072)摘要：现行的滑动轴承多为油基滑动轴承，但是由于矿物油严重的污染问题，不符合工业界绿色制造的趋势。水作为一种资源丰富、低成本、无污染的润滑介质，可以和具有独特性能的陶瓷材料组成水润滑陶瓷滑动轴承，以独特的优势应用于工业界。本文通过对水润滑陶瓷滑动轴承研究情况的总结，首先介绍了水作为润滑剂的特性，其次分析了当用作水润滑轴承时不同陶瓷材料的摩擦磨损特性，最后重点讨论了水的改性、轴承润滑方式的选择、轴承设计方法、制造及试验等水润滑陶瓷滑动轴承关键技术，期望

2、上述研究工作促进水润滑陶瓷滑动轴承进一步发展。关键词：水润滑，轴承，绿色制造，润滑剂 中图分类号：TH133.31; TH117AN OVERVIEW OF WATER-LUBRICATED CERAMIC BEARINGSWANG Yun1 WANG Zhan Bin2 WEI Jian Hua2（1.Department of Mechanical & Electrical Engineering,BaiCheng Normal College, BaiCheng, JiLin 137000 China 2.School of Mechanical Engineering,Tian

3、jin University 300072 China ）The State Education Ministry Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology, Tianjin University, Tianjin, ChinaAbstract: Bearings are normally lubricated with oil-based lubricants, which are not considered environmentally-friendly in green manufacturing. Wa

4、ter, one of the abundant resources, can be used as a lubricant in industry. However, due to its physical and chemical properties, there are advantages and limitations in water-lubricated ceramic bearings. This paper reports a review of the published research works on water-lubricated bearings. We ha

5、ve compared water as a lubricant with others. We also have compared the wear mechanisms/behaviors and applications of these bearings made of different ceramic materials. Finally, we have highlighted the improvements of water, the selections of bearing materials and lubricating modes, the methods for

6、 new design of the water-lubricated bearings and the critical issues in manufacturing of these bearings, which are wished to be helpful for development of water-lubricated ceramic bearings. Keywords: Water-Lubricated, Bearings, Green Manufacturing, Lubricant1绪论近年来，液浮滑动轴承作为高精密主轴的关键技术受到广泛的关注。但是对于传统的滑动

7、轴承摩擦副，由于润滑油粘度较高，并且在高速回转时由于发热大，导致机床热稳定性变差，因此使得油润滑滑动轴承不适合应用于高精密技术领域。而理论上来讲，同种工况下如果高速轴承采用低粘度的水来润滑，摩擦副发热则会比较小；并且水本身所固有的清洁性和阻燃性能够满足现代社会对工程技术的安全性、环境友好性要求，它具备作为矿物油低成本的替代品的潜力。现在，水润滑滑动轴承逐渐成为当今精密加工行业的一大前沿研究课题1。传统的滑动轴承材料多为金属，但是其密度大、热导率与热膨胀系数大，如果用在精密主轴系统中，主轴性能会受到很大影响。同时由于水对于金属有锈蚀性，因此在水润滑条件下金属已不再适宜作为轴承材料。但是陶瓷材料可

8、以弥补水润滑的一些缺点，它具有耐磨损、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等优良特性，因此它可以适应水润滑的边界摩擦和干摩擦状态，同时也不易发生腐蚀2。因此水润滑陶瓷轴承具备实现高速高精度指标、广泛快速发展的潜力。2水作为润滑剂的特性矿物油是滑动轴承最为普遍的润滑剂，因此选用某品牌L-FD-22主轴润滑油与水进行性能对比。表1 水与润滑油性能比较特性油(L-FD-22)水20 ºC下比重7运动粘度(mm2/s)比热(kJ/kg·K)闪（沸）点(ºC )140100倾（熔）点(ºC )-120如表1所示，水与润滑油最大的不同在于粘度。水润滑主轴的承载能力、刚度都比较低

9、，所以润滑形式的选择、结构设计及制造技术对水润滑轴承极为重要。同时，相同工况下水膜厚度会比较小，边界润滑或干摩擦情况可能会出现，因此轴承材料应具有较高的耐磨性。但水的低粘度带来的好处是，其摩擦功率要远小于油润滑形式时的摩擦功率，理论上水润滑主轴系统的发热量就较小，回转精度也较高。与油相比水具有更高的比热值，相同情况下摩擦副的温升也更小，因此当主轴转速很高时水润滑主轴具有更优良的热稳定性，这也是水润滑轴承最为突出的优点之一。水的溶点更高导致水润滑轴承不适宜用在冰点以下的环境。同时水的沸点较低，因此在循环润滑系统中应该设计温度控制环节以防止水蒸气产生。事实上由于高的比热值，当水作为轴承润滑剂时一般

10、工作温度远低于其沸点。另外，由于水没有闪点，并且水本身就是天然灭火剂，当采用水润滑轴承时工作安全性也要更高。3陶瓷材料的选择同传统金属轴承材料等相比，陶瓷轴承材料具有许多优良性能，主要有：陶瓷材料耐磨性好，因此在边界润滑甚至短时间干摩擦情况下依然能保持良好的工作状态；具有耐腐蚀、绝缘和耐高温的优良性能；陶瓷材料的高刚性使得陶瓷滑动轴承可减轻机械的振动，从而提高精度；陶瓷材料的高硬度、较高的抗压强度及很低的摩擦系数，使陶瓷滑动轴承具有更长的寿命；陶瓷材料的低热膨胀特性，使陶瓷滑动轴承能在温度变化大的环境中使用；作为多孔材料，陶瓷滑动轴承又具有一定的自润滑性。常用的工程陶瓷材料主要有Al2O3、Z

11、rO2、SiC和Si3N4，但是其在干摩擦及水润滑条件下的摩擦磨损机理又不尽相同。当干摩擦发生时，陶瓷摩擦副的摩擦性能较为关键；当轴承中水膜完整时，陶瓷摩擦副的流体摩擦作用会很明显。下面分别对这两部分进行研究。干摩擦: 干摩擦条件下增韧ZrO2（部分稳定氧化锆PSZ、氧化钇稳定的四方多晶氧化锆Y-TZP、氧化锆增韧氧化铝ZTA）磨损机理主要包括塑性变形及磨粒磨损，高速情况下发生脆性断裂。Al2O3同样会发生脆性剥落及磨粒磨损。非氧化物陶瓷方面，在不同的工况下，Si3N4磨损行为包括微裂纹、塑性变形、犁耕及粘着。Andersson和Holmberg对Si3N4相对钢和其本身进行盘销试验后发现，S

12、i3N4很容易发生摩擦层迁移现象3。SiC的磨损机理与Si3N4类似，但是其摩擦的副产物SiO2，如同固体润滑剂一样可以附着在SiC摩擦副表面，有效减少磨损量和降低摩擦系数，可能发生的反应4SiC + 2O2 SiO2 + CO2单从干摩擦性能来看，SiC更适宜作为轴承材料。水润滑：在水润滑条件下，氧化物陶瓷Al2O3和ZrO2受流体润滑作用影响更为明显。其中Al2O3经流体摩擦会产生Al(OH)3，可以提高其耐磨性。非氧化物陶瓷Si3N4和SiC不仅受流体摩擦作用，还会发生较明显的水合反应，产生效果的SiO26，明显改善磨损情况。Fischer和Chen总结在水润滑条件下非氧化物陶瓷可能发生

13、的反应如下7,8Si3N4 + 6H2O 3SiO2 + 4NH3SiC + O2 + H2O SiO2 + CO + H2SiC + 2H2O SiO2 + CH4SiO2 +2H2O Si(OH)4实际上，由于Si(OH)4具有较强的水解性，多数情况下会形成一层胶状SiO2反应层附着在摩擦副表面9,10，使表面如同抛光一样非常光滑，同时更利于完整水膜的形成，保证水润滑轴承的刚度及精度，因此硅基陶瓷轴承在水润滑条件下性能更好。但是Si3N4和SiC的摩擦磨损性能也有不同。Chen等人通过一系列盘销试验研究了Si3N4和SiC（同种材料组成摩擦副）在水润滑条件下的摩擦性能，在试验中Si3N4摩

14、擦对表现出更低的摩擦系数，摩擦表面质量更好，达到稳定状态所需的跑合时间也更短9，各种结果显示似乎Si3N4的摩擦性能更好。但是，另一些研究得出了不同的结论。在Maurin对Si3N4和SiC滑动轴承的研究中，水润滑条件下SiC轴承更容易形成光滑表面，而不需要重复的抛光加工11。Anderson测试了多种陶瓷材料（Al2O3、SiC、PSZ和Sialon陶瓷）制作的水润滑轴承，他发现SiC轴承临界载荷更高，摩擦副表面质量也优于其它轴承，更适于应用在需要长期运行，频繁启停车的工况下12。Wong等人通过对Al2O3、ZrO2、SiC和Si3N4的水润滑条件下的环盘摩擦试验（同种材料组成摩擦副）发现

15、，相同滑动速度下SiC的接触比压更大，这也意味着SiC轴承更大的适用范围13。实际上，摩擦副的摩擦性能会受到很多因素的影响，因此不同的研究会得出迥异的结论，对Si3N4和SiC轴承材料的选择还要根据具体情况试验后来确定。4水润滑陶瓷滑动轴承发展关键技术4.1 轴承润滑方式的选择动静压混合轴承在高速时（工作阶段）以动压为主，在低速时（启动、停车阶段）以静压为主。它综合了静压润滑在启动前就能形成承载润滑膜、轴承精度保持性好和动压润滑利用转子本身的旋转无需高的供液压力（供液压力的减小可使供液系统功耗相应降低）就可获得较大的承载能力和刚性、轴承抗振阻尼特性好等一系列优点。只要能够合理地解决好轴承结构设

16、计与参数选择的相互关系，就一定能够最大限度的发挥轴承的动静压综合性能。同时这种轴承的承载特性既高于动压轴承，也高于静压轴承，因此可以作为水润滑陶瓷滑动轴承润滑方式的首要选择。4.2 水润滑陶瓷滑动轴承的设计方法由于水润滑陶瓷轴承的特殊性，采用传统的经验公式进行设计计算显然已不再合适。现在的轴承设计往往采用数值计算的方法，根据具体的工况，采用不同的Reynolds方程建立模型14。需要指出，Reynolds方程一般用来计算层流模型，而由于水的低粘度，高速水润滑轴承中往往出现紊流的情况，这时也可以采用紊流时的广义雷诺方程15 (1)U 为摩擦副相对速度，h为润滑剂动力粘度，h为轴承间隙，p为润滑膜

17、压力，Kx 和Kz 由下式定义Rec代表雷诺数。但是需要指出，(1)式是基于壁面定律的假设，并且将液流处理为剪切流，因此计算结果与具体的实际情况往往存在一定的差距，这也有待于紊流计算理论的进一步深化。由于希望可以被应用于高精密加工领域，因此在水润滑陶瓷滑动轴承的设计计算中必须考虑到诸多因素，图1展示了在整体数值计算中需考虑的润滑膜性能参数与各影响因素间的关系。1963年Dowson和Hudson提出了滑动轴承计算的THD（热流体动力分析）模型16，而在60年代后TEHD（热弹性流体动力润滑分析）模型逐渐发展，使得理论计算结果更加符合实际情况。该模型应用在水润滑陶瓷滑动轴承计算中时，同时要考虑到

18、陶瓷轴承瓦体的热变性及弹性变形，解决方法一般是在广义Reynolds方程基础上，综合粘度-温度关系、密度-温度关系、能量平衡方程、连续性方程、热变性分析、压力变形分析、表面加工误差趋势预测等编制数值计算程序，从而得到轴承各种性能参数，用于轴承结构优化设计及轴承非线性动力学分析中。图1 计算中需考虑的润滑膜性能参数与各影响因素间关系在进行更可靠数值计算的同时，通过适宜的结构设计也可以使水润滑陶瓷轴承的性能得以有效提升。天津大学林彬等人在高速情况下，对水润滑条件下多种陶瓷轴承-主轴摩擦副运转情况进行了试验研究，针对陶瓷材料的特性，设计了水润滑陶瓷轴承全包容结构，有效改善了危险处的应力集中现象，最终

19、其承载能力达到3吨以上，同时体现出很好的刚性，大大提高了使用的安全性和可靠性17。因此，由于水润滑陶瓷轴承的特殊性，优化的结构设计不仅可以促进摩擦化学反应的进行，改善表面质量，还可以使其动静压效应得以最佳搭配，改善陶瓷材料高脆性的缺陷，提升主轴系统性能。 水润滑陶瓷轴承的制造与试验不可否认，陶瓷材料的难加工性是其一大缺点，同时由于水润滑轴承要求轴承间隙较小，对于这种精密级部件的制造将更加困难。近年来，随着金刚石、立方氮化硼加工工具的发展，磨削成为精密陶瓷滑动轴承部件制造的主要方法，同时其精度可达到微纳米级，但是高效高精密的加工方法仍有待于进一步的研究。在实验方面，水润滑陶瓷滑动轴承与普通滑动轴

20、承的试验方式、仪器大体相同，主要包括跑合时间、表面质量以及承载能力、摩擦功率等工作参数的测试。但是在试验中，需要特别注意对水质及水温的控制。同时由于陶瓷材料的特殊性，应该在轴承制造之前增加对陶瓷材料的性能试验，以选择最佳的轴承材料。4.5 其他为使水润滑轴承更好的用在通用机械领域，可以考虑对水作适当的改性，方法是添加水基防锈添加剂，形成新的水基润滑剂。并且水基润滑剂应保持水原有的优良特性。同时，在设计过程中要保证添加剂具有良好的水解稳定性。最后，该水溶性添加剂应在很宽的工作环境范围内具有较好的溶解度，防止其结晶而对摩擦副表面造成损伤或引起水路堵塞。另外，由于水的低粘度，相同工况下形成水膜厚度一

21、般比较小，因此水润滑摩擦副的运动趋近于为机械摩擦。在这种情况下，摩擦副的表面微观形貌对于运动的摩擦磨损性能与稳定性影响较大。在实际工作中，可以考虑采用主动设计的方法，选择在陶瓷轴承摩擦副表面构造某种规则的表面几何形状（如微坑、波纹等），通过构建接触模型，在微观尺度进行理论研究与论证后，再进行实际加工，从而可以使得将部分模糊的摩擦过程纳入可控的状态，利于提高轴承的工作性能。5结论基于水和陶瓷材料的优良特性，水润滑陶瓷滑动轴承不仅可以应用于通用机械中，并且具备实现高速高精度指标的潜力，因此受到广泛的关注。文中对水、陶瓷材料应用于滑动轴承时的特性做了总结，并对这种新型轴承的改进、设计、制造等方面进行

22、了相关研究。在未来的工作中，水润滑陶瓷滑动轴承的摩擦磨损机理、理论设计、精密制造等方面都有待于更深的研究，期望提升其性能，使其广泛应用于通用机械和精密制造领域。参考文献1 王贵林，李圣怡，粟时平，基于超精密应用的多孔质水基静压轴承研究A，2001年“面向21世纪的生产工程”学术会议暨企业生产工程与产品创新专题研讨会论文集 C,2001:348-352Wang Guilin, Li Shengyi, Su Shiping, A study on porous water hydrostatic bearing for ultraprecision applicationA, In: Sympos

23、ium of production engineering and product innovation for enterprise C. Guangzhou, 2001:348-352 2 陆卫娟，林彬，程学艳，水润滑陶瓷滑动轴承的研究与发展 J，轴承，2005(3): 37-38Lu Weijuan, Lin Bin, Cheng Xueyan, Study and advance on ceramic sliding bearing with water lubrication J, Bearing, 2005(3):37-383 Andersson, P., Holmberg, K.

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25、awa, A., Konno, D., Takagi, K., A study of ceramic bearing for vertical pumps J, JSME Int. J. II,1990, 33(1):41476 Andersson, P., Nikkila, A., Lintula, P., Wear characteristicsof water-lubricated SiC journal bearings intermittent motion J, Wear, 1994, 179(12):57627 Fischer, T.E., Mullins, W.M., Chem

26、ical aspects of ceramictribology J, J. Phys. Chem., 1992, 96:569057018 Chen, M., Kato, K., Adachi, K., Friction and wear ofself-mated SiC and Si3N4 sliding in water J, Wear, 2001,250(112):2462559 Sasaki, S., The effects of water on friction and wear ofceramics J, J. Jap. Soc. Luburication Eng., 1988

27、, 33(8):62062810 Xu, J., Kato, K., Hirayama, T., The transition of wear mode during the running-in process of silicon nitride sliding in water J, Wear, 1997, 205(12):556311 Maurin-Perrier, P.H., Farjaudon, J.P., Cartier, M., Frictionand wear behavior of lubricated ceramic journal bearings J, Wear of Materials Int. Con. Wear of Mater., 199