ACM高分子材料水潤滑推力軸承性能試驗研究

陳文戰

海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海201913

ACM高分子材料水潤滑推力軸承性能試驗研究

陳文戰

海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海201913

船舶水潤滑推力軸承以水代油作為潤滑介質，有助于提高軸承機械效率、減少滑油污染。在水潤滑推力軸承試驗臺上，開展ACM高分子材料推力軸承性能試驗研究，探討在不同試驗工況下推力瓦端面摩擦系數、溫度、水膜壓力隨軸承載荷、軸轉速的變化趨勢。研究表明：ACM推力瓦的摩擦系數為0.01～0.18，單位時間磨損量為0.383 μm/h；最高溫度為42℃，出現在靠近推力瓦外徑和出水邊的位置；最大水膜壓力為1.6 MPa，且水膜壓力隨軸轉速的升高而下降，隨軸向載荷的增加而升高。

水潤滑推力軸承；性能試驗；摩擦系數；溫度；水膜壓力；ACM高分子材料

0 引 言

船舶推力軸承通常是以油為工作介質，較易產生滑油泄漏和污染等問題。如果工作介質采用水，推力瓦采用非金屬材料，將有助于防止滑油污染，提高推力軸承的機械效率，減少摩擦、磨損與振動。

目前，國內已有一些學校或單位開展了推力軸承以及推力軸承試驗機的研究。向敬忠［1］利用光干涉法測量了可傾扇形瓦推力軸承的油膜厚度及軸瓦的變形，直接觀察了軸瓦的整個油膜厚度場及過載時油膜破裂的全過程；張艷芹等［2］針對大尺寸扇形靜壓推力軸承潤滑性能進行了數值分析；郅剛鎖和朱均［3］建立了油膜綜合可視化分析系統，進行了油膜數值計算結果的定性和定量分析；畢純輝、丁述勇等［4－5］研究了水輪發電機推力軸承油膜厚度的在線監測技術。

但是當前國內對油潤滑金屬材料推力軸承的研究較多，而對水潤滑推力軸承，尤其是高分子材料水潤滑推力軸承的研究卻較少。本文將在自行研制的水潤滑推力軸承模擬試驗裝置上，開展ACM高分子材料推力軸承性能試驗，探討推力瓦端面摩擦系數、溫度、水膜壓力等參數與推力軸承載荷和轉速等參數間的關系，為推力軸承材料篩選、軸承結構設計及優化提供參考。

1 水潤滑推力軸承試驗臺

1.1 水潤滑推力軸承試驗臺的組成

水潤滑推力軸承試驗臺由變頻電機、中間軸、軸承座、撓性聯軸器、轉矩轉速測量儀、試驗軸、推力軸承裝置、彈簧加載裝置以及數據采集與控制部分等組成，如圖1所示。

推力軸承裝置安裝在試驗臺的尾部。測速傳感器安裝在變頻電機中，變頻電機與變頻器組合用于調節試驗轉速。轉速轉矩儀一端通過中間軸與變頻電機輸出軸相連，另一端與試驗軸相連，用于測量轉速和摩擦力矩。工控計算機用于采集、存儲、處理推力軸承的轉速和摩擦力矩，以及水膜壓力、溫度等試驗參數。

1.2 推力軸承裝置

推力軸承裝置是水潤滑推力軸承試驗臺的重要組成部分，主要由水腔、軸向滑軌、推力瓦座、推力環、進水閥、出水閥以及熱電偶或壓力傳感器等組成。推力瓦座、推力瓦等與水腔組裝為一整體，在傳動螺桿的驅動下，可在滑軌上移動，如圖2所示。

推力瓦軸向載荷的施加通過旋轉傳動螺桿改變加載彈簧壓縮量實現。加載彈簧的標定通過采用液壓機加載裝置，確定彈簧比壓與壓縮量之間的關系實現。

2 試驗測試方法研究

水潤滑推力軸承的推力環內、外徑分別為40 mm和144 mm；推力瓦內、外徑分別為64 mm和144 mm。推力瓦為固定平臺斜面結構，斜面傾角為0.01°，平臺寬度為5 mm（外徑144 mm處），如圖3所示。

推力環材料為2Cr13，推力瓦為ACM高分子材料。ACM高分子材料為一種新型材料，其成份為合成樹脂+MoS2+PTFE+石墨+填料，具有良好的自潤滑功能，產自英國，其物理性能如表1所示。

表1 ACM高分子材料物理性能Tab.1 Material physical properties of ACM

ACM高分子材料水潤滑推力軸承性能試驗研究的主要內容包括推力瓦端面摩擦系數、溫度、水膜壓力以及磨損的測試與分析。

2.1 推力瓦摩擦系數和溫度測試

在測試推力瓦端面摩擦系數和溫度時，將推力環固定在試驗軸上，隨軸一起旋轉，同時，將推力瓦固定在推力瓦座上。

試驗用推力軸承共有6個瓦塊，在其中5個瓦塊中各埋設1個熱電偶，因此共有5個采集點。采集點1，2，3與軸心半徑R之間的距離均為55 mm，分別位于進水邊20°，8°和出水邊8°的位置。采集點4，5與軸心半徑R之間的距離分別為40 mm和64 mm，均位于出水邊8°的位置，如圖3所示。

考慮到在運行過程中推力瓦端面不可避免地會發生磨損，因此，將熱電偶端部距推力瓦端面的距離定為1.5 mm。標定時，先將熱電偶在推力瓦中安裝好，然后浸入水中，測量瓦塊的溫度，同時，用水銀溫度計測量水溫，以確定兩者的對應關系［6］。

試驗轉速為60～1 000 r/min，軸向載荷為1～4 kN。測試前，向水腔中注水，用溫度計測量入水口的溫度以作為水腔的環境溫度。

圖3 推力瓦塊及熱電偶布置示意圖Fig.3 Dimension of the thrust pad and arrangement of thermocouples

2.2 推力瓦端面水膜壓力測試

在測試推力瓦端面水膜壓力時，推力瓦和推力環的安裝方式與測量摩擦系數、溫度時相反，即將推力瓦固定在試驗軸上隨軸旋轉，而將推力環固定在推力瓦座上，并在推力環端面上沿徑向3個不同的半徑位置（R=48，56，64 mm）埋設水膜壓力傳感器，傳感器端部與推力環端面間的距離為1 mm；孔徑為2 mm，如圖4所示。這種安裝方式可測出推力瓦沿某一半徑圓周上的水膜壓力分布狀況［7］。

試驗轉速為：60～800 r/min，軸向載荷為1.5～3.5 kN，其余試驗要求與上節相同。

圖4 推力環端面水膜壓力采集點布置圖Fig.4 Arrangement of the confluence points for water film pressure on thrust ring

2.3 推力瓦磨損測試

進行推力瓦磨損試驗是為了評價ACM材料的耐磨性。磨損試驗的軸向負荷W=1.5 kN，轉速n=500 r/min，試驗時間t=64 h。試驗結束后，在推力瓦中徑處（104 mm）測量平臺和斜面中點的磨損量。

3 試驗結果與分析

3.1 推力瓦端面摩擦系數的測量與分析

由圖5可見，當軸向載荷W=1.5，2.5，3.5 kN，軸轉速n=50～100 r/min時，由于摩擦副處于干摩擦、半干摩擦或邊界摩擦狀態，此時水膜尚未建立，推力瓦與推力環之間存在局部接觸，摩擦溫度逐漸升高，因此摩擦系數明顯上升；當軸轉速n=100～120 r/min時，水膜開始建立，推力瓦與推力環之間的接觸減少，因此摩擦系數急劇下降；隨著軸轉速的繼續增大，水膜形成更加充分，摩擦系數持續下降；當轉速n超過300 r/min后，環與瓦完全被水膜隔開，因此摩擦系數變化不大［8-9］。

在各種工況試驗中，推力軸承的摩擦系數變化范圍為0.01～0.18。

圖5 摩擦系數f—轉速n變化趨勢Fig.5 Variation of friction coefficient f with bearing speed n

3.2 推力瓦端面溫度的測量與分析

測量推力軸承推力瓦的端面溫度主要是為了分析在穩態工況下，轉速、軸向載荷與推力瓦端面溫度之間的關系。每一個試驗工況穩定30 min后，記錄一次推力瓦溫度值。

1）溫度—速度特性

在軸向載荷分別為W=1.5，2.5，3.5 kN時，從低速到高速逐漸改變轉速n的大小，測量各采集點的最高溫度。溫度與轉速的變化狀況如圖6所示。

圖6 推力瓦溫度T—轉速n變化趨勢圖Fig.6 Variation of temperature T with bearing speed n

由圖6可見，當軸向載荷不變，軸轉速n≤200 r/min時，隨著轉速的升高，推力瓦溫度上升較快，原因是此時的摩擦系數較大，熱流密度較高；當n＞200 r/min時，隨著轉速的提高，局部水膜開始建立，摩擦系數有所下降，但摩擦發熱也有所增加，綜合作用結果仍表現為推力瓦溫度隨轉速的提高而持續上升。當n＞900 r/min時，水膜完全建立，此時的摩擦形式主要為液體（水）內摩擦，摩擦系數變化較小，因而溫度波動不大，基本保持恒定。

2）溫度—負荷特性

當軸轉速 n＝400，700，1 000 r/min時，從小到大逐漸改變軸向載荷W，測量各采集點的溫度。溫度與轉速的變化狀況見圖7。

由圖7可見，當n不變，W≤3 kN時，隨著軸向載荷W的增大，摩擦系數、水膜壓力和熱流密度也隨之增大，推力瓦的溫度持續升高。

圖7 推力瓦溫度T—載荷W變化趨勢Fig.7 Variation of temperature T with bearing load W

溫度—速度特性和溫度—負荷特性試驗結果表明，采集點4的溫度最高，為42℃；采集點2的溫度最低，為22℃。溫度的高低主要與采集點的分布位置有關，即與采集點處的水膜壓力和線速度有關。采集點4由于靠近推力瓦的外徑和出水邊，水膜壓力和線速度較高，導致摩擦熱較大，因此溫度最高，而采集點2則相反［10-11］。

在上述試驗工況下，推力瓦的最高溫度（42℃）遠低于其材料許用溫度（140℃）。

3.3 推力瓦端面水膜壓力的測量與分析

測量推力軸承端面水膜壓力主要是為了分析穩態工況下，轉速與軸向載荷、水膜壓力間的關系。通過不同工況下水膜壓力的測量，可以更全面、更深入地了解推力軸承端面水膜壓力的形成機理，分析水膜壓力的影響因素，揭示端面水膜壓力與摩擦狀態間的關系。

在軸向載荷W=1.5，2.5，3.5 kN條件下，從低到高逐漸改變轉速。每個試驗工況穩定運行10 min后，每個采集點記錄一次水膜壓力值。測試結果如圖8所示。

圖8 最大水膜壓力—采集點、n和W的變化趨勢Fig.8 Variation of water film pressure pmaxwith bearing speed n and load W on the confluence points

由圖8可看出，各采集點的水膜壓力隨軸轉速的升高而下降，隨軸向載荷的增加而升高。

水膜壓力與水膜厚度密切相關。當軸向載荷不變，軸轉速n=50～100 r/min時，隨著轉速的提高，水膜厚度增加，水膜壓力下降較快；當軸轉速n＞100 r/min時，水膜壓力下降較為平緩。

在上述試驗工況下，推力瓦的最大水膜壓力為1.6 MPa，遠小于其材料的抗壓強度（350 MPa）。

3.4 推力瓦磨損測量與分析

推力瓦的各瓦塊平臺與斜面處的磨損量測量結果如表2所示。

表2 推力軸承各瓦塊磨損量Tab.2 Abrasion loss of the thrust pads

耐磨試驗結果表明：

1）各瓦塊的平臺與斜面的磨損量不均勻，最大相差0.041 mm，這與安裝誤差、偏心、受力不均勻等有關。

2）瓦塊平臺的平均磨損量為0.023 mm，單位時間磨損量為0.383 μm/h，略大于斜面（平均磨損量為0.020 mm，單位時間磨損量為 0.333 μm/h）。平臺與斜面磨損量的不同與瓦塊結構有關。因平臺處于瓦塊的出水邊，水膜壓力、溫度比較高，工作時，平臺與推力環的接觸機會高于斜面與推力環，因此平臺磨損量較大。

4 結 論

1）在各種試驗工況下，ACM推力瓦的摩擦系數為 0.01～0.18，單位時間磨損量為 0.383 μm/h。推力瓦的最高溫度為42℃，遠低于其材料許用溫度（140℃）；最大水膜壓力為1.6 MPa，遠小于其材料的抗壓強度（350 MPa）。說明該材料具有良好的工作性能。

2）推力瓦溫度主要與采集點處的水膜壓力和線速度有關。靠近推力瓦外徑和出水邊處，水膜壓力和線速度較高，導致摩擦熱較大，因此溫度最高；靠近推力瓦內徑和進水邊處的結果則相反。

3）推力瓦水膜壓力主要與轉速、載荷有關，其隨著轉速的升高而下降，隨著軸向載荷的增加而升高。

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Test Study on the Performance of Water-Lubricated ACM Polymers Thrust Bearing

CHEN Wen-zhan

Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd，Shanghai 201913，China

Ship water-lubricated thrust bearing takes water instead of oil as its lubrication medium，leads to a more efficient performance with relatively low level of friction，abrasion，vibration and oil pollution.Based on our simulation test platform for water lubrication thrust bearing，the testing research of perfor?mance on ACM polymers thrust bearing was carried out.Together with the transformation of the bearing load and the shaft speed under different experimental conditions，changing trends of the friction coeffi?cient，water film pressure and temperature on the thrust pad were discussed.The results show that the fric?tion coefficient is varying between 0.01 and 0.18；abrasion in unit time is 0.383 μm/h；maximum tempera?ture locating in the area of circumferential direction and outlet of the thrust pad is 42℃；maximum water film pressure is 1.6 MPa；and the water film pressure decreases with the speed rises and increases with the bearing load increases.

water-lubricated thrust bearing；performance testing；friction coefficient；temperature；wa?ter-film pressure；ACM polymer

U664.2

A

1673－3185（2012）03－79－05

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.03.015

2011－11－14

陳文戰（1969－），男，工程師。研究方向：船舶工程。

陳文戰。

［責任編輯：喻 菁］