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. 口城师范学院机械电子工程系，吉林口城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，期望上

2、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：thi3331:th117an overview of water-lubricated ceramic bearingswang yun1 wang zhan bin2 wei jian hua2(1. department of mechanical & electrical engineering,ba icheng normal college,baicheng, jilin 137000 china 2. school of mechanical engineering, tianj

3、in university 300072 china )the state education ministry key laboratory of advanced ceramics and machining technology, tianjinuniversity, tianjin. chinaabs tract: bearings are normally lubricated with oil-based lubricants, which are not considered environmental iy-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 arc advantages and limitations in water-lubricated ceramic bearings this paper reports a review of the published research works on water-lubricated bearings we have

5、 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 ne

6、w 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轴

7、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，因此使得汕润 滑滑动轴承不适合应用于高精密技术领域。而理论 上来讲，同种工况一 h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h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，主轴性能会受到很人影响。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

8、轴承材料。但是陶瓷材料可以弥补水润滑的 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以。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汕是滑动轴承最为普遍的润滑剂，因此选 用某品牌l-fd-22主轴润滑汕与水进行性能对比。表1水与润滑油性能比较特性油(l-fd-22)水2(rc下比重0.871.00运动粘度(mm2/s)24.20.66比热(kj/kg-k)2.114.18闪(沸)点cc)140100倾(熔)点cc)-120如表1所示，水与润滑油最大的不同在于粘度。

9、 水润滑主轴的承载能力、刚度都比较低，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。但水的低粘度带來的好处是， 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，冋转精度也 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

10、止水蒸气产 生。事实上山于高的比热值，当水作为轴承润滑剂 时一般工作温度远低于其沸点。另外，山于水没有 闪点，并口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耍更高。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，主耍有：陶瓷材料耐磨性好，因 此在边界润滑其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、绝缘和耐髙温的 优良性能；陶瓷材料的髙刚性使得陶瓷滑动轴承可 减轻机械的振动，从而提高粘度；陶瓷材料的高硕 度、钱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

11、川；作为多孔材料，陶瓷滑动轴承乂具有一定的自 润滑性。常用的丄程陶瓷材料主要有ai2o3、zro2、sic 和si3n4,但是其在干摩擦及水润滑条件卜的摩擦磨 损机理又不尽相同。当干摩擦发牛时，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川会很明显。下面分别对这两 部分迓行研究。干摩擦：干摩擦条件卜增韧zro2(部分稳定氧 化钳psz、氧化钮稳定的四方多晶氧化钳y-tzp、 氧化钳增韧氧化铝zta)磨损机理主要包括塑性变 形及磨粒磨损，高速情况下发牛脆性断裂。a12o3 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，sisni磨损行为包括微裂

12、纹、 塑性变形、犁耕及粘着。andersson和holmberg对 si3n4ffi对钢和貝木身迓行盘销试验后发现，si3n4 很容易发生摩擦层迁移现象。sic的磨损机理与 si?n4类似，但是其摩擦的副产物sio2,如同固体润 滑剂一样可以附看在sic摩擦副表面，有效减少磨 损量和降低摩擦系数，可能发牛的反应sic + 202 sio2 + c02单从干摩擦性能來看，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a12o3 和zro2受流体润滑作川影响更为明显。其中al2o3 经流体摩擦会产生al(0h)3,可以提髙其耐磨性。非氧化物陶瓷si3n4»sic不仅受流体

13、摩擦作用，还 会发牛较明显的水合反应，产牛效果的sio2l6j,明 显改善磨损情况。fischerfilchen总结在水润滑条件 下非氧化物陶瓷可能发牛的反应如下si3n4 + 6h2o 3sio2 + 4nh3sic + o2 + h20 sio2 + co + h2sic + 2h2o t sio2 + ch4sio2 +2h2o si（oh）4实际上，rtit-si（oh）4具有较强的水解性，多数 情况下会形成一层胶状sio2反应层附着衣摩擦副表 面伙叫 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s3

14、n4和sic的摩擦磨损性能也冇不同。chen等人通过一系列盘销试验研究了 sisn4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sisnq摩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，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 对和sic滑动轴承的研究中，水润滑条件卜sc 轴承更容易形成光滑表面，而不需要重复的抛光加 t（1，1o anderson测试了多种陶瓷材料（ai2o3、sic、 pszhsialon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丁-

15、其它轴 承，更适丁应川在需要长期运行，频繁启停车的工 况 ff，21o wong等人通过对ai2o3、zro2> sic和sisnq 的水润滑条件卜的环盘摩擦试验（同种材料组成摩 擦副）发现，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”】。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si3n4ftsic轴承材 料的选择还要根据具体情况试验后來确定。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

16、能形成承载润滑膜、 轴承粘度保持性好和动压润滑利川转子木身的旋 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）就对获得4交大的承载能力和刚 性、轴承抗振阻尼特性好等一系列优点。只耍能够 合理地解决好轴承结构设计与参数选择的相互关 系，就一定能够最人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，因此町以作为水润滑陶瓷滑动轴 承润滑方式的首耍选择。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，采川传统的经 验公式进行设计计算显然己不再合适。现在的轴承 设计往往采川数值计算的方法，根据具体的工况， 釆用不同的reynolds

17、方程建立模型叫需要指出， reynolds方程一般用來计算层流模型，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 d （ h3 期）d （ h3 dp 1 dh + =-un. （1） dx k x dx j二比丿 2 dxu为摩擦副相对速度，为润滑剂动力粘度，h为轴承间隙，p为润滑膜压力,kx和心由下式定义心=12 + 0.0136（re°9,kz =12 + o.oo43（rec）098代表雷诺数。但是需要指出，（1）式是基于推面 定律的假设，并口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

18、计算理论的进一步深化。山于希望口 j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，而在60年代后tehd （热 帅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

19、力变形分析、表而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。润滑膜厚度润滑膜温度润滑膜压力摩攥副表面粗糙度图1计算屮需考虑的润滑膜性能参数与各影响因索间关系 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。天津人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，最终英承载能力达到3吨以上，同时体现出 很好的刚性，人大提高了使丿ij的安全性和可靠性 呵。|大|此

20、，山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。4.4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-大缺 点，同时山于水润滑轴承要求轴承间隙较小，对于 这种耕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，擁削成为精 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 轴承的试验方式、仪器人体相同，主要包括跑合时 间、表血质量以及承

21、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川在通川机械领域，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，在设计过程屮要保证 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西内具有较好的溶解 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 厚度一般比较小，因此水润滑摩擦副的运动趋近于

22、 为机械摩擦。在这种情况下，摩擦副的表而微观形 貌对于运动的摩擦磨损性能与稳定性影响佼大。在 实际工作中，对以考虑采用主动设计的方法，选择 在陶瓷轴承摩擦副表血构造某种规则的表血几何 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对控 的状态，利丁捉高轴承的工作性能。5. 结论基丁-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、制造等方而 进行了相关

23、研究。在未來的工作中，水润滑陶瓷滑 动轴承的摩擦磨损机理、理论设计、楮密制造等方 而都有待于更深的研究，期望提升其性能，使其广 泛应丿ij 丁通川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“血向21 iii：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 applicati

24、ona, in: symposium of production engineering and product innovation for enterprise c. guangzhou, 20()1:3483522 陆卫如林彬，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):37-383j andersson, p，

25、holmberg, k., limitations on the use of ceramics in unlubricated sliding applications due to transfer layer formation jj, wear, 1994, 175(1-2):1-84j andersson, p., blomberg, a., instability in the tribochemical wear of silicon carbide in unlubricated sliding contacts j, wear, 1994, 174(1-2):1-75j ai

26、yoshizawa, s., wakigawa, a., konno, d., takagi. k., astudy of ceramic bearing for vertical pumps j, jsme int.j. 11,1990, 33(1):41-476j andersson, p，nikkila, a., lintula, p，wear characteristics of water-lubricated sic journal bearings intermittentmotion j, wear, 1994, 179(1-2):57-627j fischer, t.e. m

27、ullins, w.m., chemical aspects of ceramic tribology j, j. phys. chem., 1992, 96:5690-57018j chen, m，kato, k., adachi, k，friction and wear of self-mated sic and signq sliding in water jj, wear, 200l 250(1-12):246-25519 sasaki, s., the effects of water on friction and wear of ceramics j, j jap soc lub

28、urication eng., 1988, 33(8):620-628110j 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(1-2):55-63iii maurin-perrier, p.h. faijaudon, j.p., cartier, m,frictionand wear behavior of lubricated ceramic journal beaiingsj, wear of materials in