周梓榮,周杰
(1.東莞理工學(xué)院,廣東 東莞 523106;2.東莞理工學(xué)院 城市學(xué)院 廣東 東莞 523106)
軸承是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件。它的主要功能是支撐機械旋轉(zhuǎn)體,用以降低設(shè)備在傳動過程中的機械載荷摩擦系數(shù)。 按運動元件摩擦性質(zhì)的不同,軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩類。
大多數(shù)的軸承為了保證軸承工作平穩(wěn)、可靠,大都添加了潤滑油進行潤滑,目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損,防止燒粘;延長軸承的疲勞壽命;排出摩擦熱、或由外部傳來的熱;同時油膜還具有一定的吸振能力。 但是,添加了潤滑油一個最大的缺點是需要良好的密封性能,否則會產(chǎn)生泄漏,而有些有特殊要求設(shè)備不允許有潤滑油的泄漏,于是人們用其他的潤滑材料來替代潤滑油,發(fā)明了無油軸承,使其不僅具有含潤滑油軸承的優(yōu)點, 同時杜絕了因泄漏而引起的環(huán)境污染。
軸承的潤滑方式有三種,液體、氣體、固體。常用的軸承采用潤滑油進行潤滑,而無油軸承是運用其他潤滑方式進行潤滑的軸承。無油軸承主要包括氣體潤滑軸承、復(fù)合材料潤滑軸承、水潤滑軸承等。
(1)氣體潤滑軸承
氣體潤滑軸承是用氣體作潤滑劑的滑動軸承。 最常用的氣體潤滑劑為空氣,根據(jù)需要也可用氮、氬、氫、氦或二氧化碳等。 氣體潤滑軸承形成承載氣膜的機理與液體潤滑軸承相同。氣體潤滑軸承利用氣體的傳輸性(擴散性、粘性和熱傳導(dǎo)性)、吸附性和可壓縮性,使之在摩擦副之間,在流體動壓效應(yīng)、 靜壓效應(yīng)和擠壓效應(yīng)的作用下,形成一層完整氣膜,具有支承載荷、減少摩擦的功能。
氣體潤滑軸承一般分為氣體動壓軸承、氣體靜壓軸承和氣體擠壓軸承三種類型。實際軸承的潤滑狀態(tài)常常以動、靜壓,動、擠壓,靜、擠壓及動、靜、擠壓混合潤滑狀態(tài)形式存在。氣體潤滑軸承形成承載氣膜的機理與液體潤滑軸承相同。按承受載荷的方向不同, 又可分為氣體徑向軸承、氣體推力軸承和氣體徑向推力組合軸承。氣體動壓軸承是利用氣體在楔形空間產(chǎn)生的流體動壓力來支承載荷的。常在軸頸或軸瓦的表面做出淺螺紋槽,利用槽的泵唧作用提高承載能力。
(2)復(fù)合材料潤滑軸承
由于特殊生產(chǎn)工藝的要求,工礦企業(yè)的某些關(guān)鍵設(shè)備在極為惡劣的工況下運行。 由于設(shè)備重、環(huán)境溫度高,粉塵大或空氣中含酸性腐蝕氣體CO、SO2等, 對設(shè)備的潤滑帶來很多問題,摩擦磨損嚴(yán)重,目前大部分仍沿用傳統(tǒng)的油、脂潤滑,而事實上這些工礦條件已超出了油、脂潤滑的范圍,極易發(fā)生軸承及其它摩擦副的咬傷或咬死,引起嚴(yán)重的零件磨損和損壞,經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)備停運。 為了生產(chǎn)連續(xù)運行,除在原始設(shè)計上要求安裝多臺設(shè)備輪修外, 還須投入大量維修人員,嚴(yán)重地限制著生產(chǎn)率的提高,備品備件和能源消耗極大。汽車制造、水泥生產(chǎn)、石油化工等企業(yè)都提出了復(fù)雜工況條件下特種潤滑材料要求。
復(fù)合材料潤滑軸承采用的復(fù)合材料是一種新型的抗極壓固體潤滑材料,由金屬底材與嵌入底材的孔或槽中的固體潤滑劑膏體構(gòu)成。在摩擦過程中金屬底材承擔(dān)了絕大部分負(fù)荷。 經(jīng)摩擦,孔或槽中的固體潤滑劑向摩擦面轉(zhuǎn)移或反轉(zhuǎn)移,在摩擦面上形成潤滑良好、牢固附著并均勻覆蓋的固體轉(zhuǎn)移膜,大幅度降低了摩擦磨損。 隨摩擦的進行, 嵌入的固體潤滑劑不斷提供于摩擦面,保證了長期運行時對摩擦副的良好潤滑。 近年來,我國對鑲嵌式自潤滑復(fù)合材料進行了較深入研究, 在材料配方和制備工藝上突出自身特色,材料性能已達到了國際先進水平,為企業(yè)解決了特殊工況下的潤滑問題,并帶來了明顯的經(jīng)濟和社會效益。
(3)水潤滑軸承
自20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)石油資源危機和近年來人們對環(huán)境保護的重視,油壓傳動技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn), 水潤滑軸承開始逐步推廣應(yīng)用。水潤滑軸承以水為潤滑和工作介質(zhì),不僅節(jié)約大量的油料,還可以避免以油為潤滑介質(zhì)的傳統(tǒng)軸承對環(huán)境的污染。同時水具有無污染、來源廣泛、安全性和難燃性等優(yōu)點, 是一種理想的潤滑介質(zhì),而且還能降低摩擦副的摩擦、磨損、振動、噪聲、無功能耗等關(guān)鍵問題。 因而水潤滑軸承的研究對于提高機械效率和保護環(huán)境等都有著重要的理論研究和應(yīng)用價值,已經(jīng)成為各國關(guān)注的一個熱點。
氣體軸承可用于紡織機械、電纜機械、儀表機床、陀螺儀、高速離心分離機、牙鉆、低溫運轉(zhuǎn)的制冷機、 氫膨脹機和高溫運轉(zhuǎn)的氣體循環(huán)器等。日本已成功研制出2.0×l05rpm 的氣體潤滑主軸,并且將此主軸實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)[1]。 采用氣體潤滑軸承的氦透平膨脹機的轉(zhuǎn)速已達5.6×l05rpm。 Airesearrh 公司和美國 MTI 公司,通過在透平交流發(fā)電機和透平壓縮機上采用氙、氦混合氣體潤滑的軸承,獲得了工作狀態(tài)下極高轉(zhuǎn)速和較長的工作壽命,七十年代,國外在高速牙鉆上成功應(yīng)用氣體潤滑軸承,其轉(zhuǎn)速高達5.0×l05rpm,實現(xiàn)了治療效率高,最大限度地減少患者痛苦的目標(biāo),美國Moore 公司通過采用氣體潤滑軸承作為支承的核心部件,使得生產(chǎn)的鉆石車床主軸徑向回轉(zhuǎn)精度達到了 0.075μm, 軸向更是達到了0.05μm。 德國FAG 軸承公司生產(chǎn)的采用氣體潤滑軸承或者氣浮導(dǎo)軌作為主要部件的大型測量儀器和工作臺,在各方面的使用性能均得到了極大的提高,并且己投入批量化生產(chǎn)。 現(xiàn)代大型計算機正飛速發(fā)展,磁頭拾取信息的精確度和速度是影響計算機讀寫速度以及存儲容量的關(guān)鍵因素之一。借助氣體潤滑技術(shù)最新式的磁頭通過在設(shè)計上采用氣浮形式,使得磁頭的工作性能有了極大的提高,氣膜間隙國外已達0.1~0.2μm。美日等國已經(jīng)將這種新式的氣浮式軸承投入了批量化生產(chǎn)。 1968 年我國成功研制出陀螺馬達動壓氣體軸承, 這是我國第一代氣體潤滑軸承產(chǎn)品。該產(chǎn)品成功地在主機上獲得應(yīng)用,標(biāo)志著我國氣體潤滑軸承技術(shù)的逐漸成熟。 隨后,我國展開在透平膨脹機、精密儀器、高速主軸、高速空氣壓鉆、 及空間技術(shù)領(lǐng)域使用氣體潤滑軸承的研究,使得氣體潤滑軸承技術(shù)的研究獲得了迅猛發(fā)展。1982 年成立的摩擦學(xué)術(shù)學(xué)會下屬的“氣體潤滑”專業(yè)委員會更是對于我國氣體潤滑軸承技術(shù)的發(fā)展具有重要的促進意義。該專業(yè)委員會致力培訓(xùn)和組織國內(nèi)學(xué)者、加強行業(yè)技術(shù)交流、促進課題協(xié)作。 它在該領(lǐng)域所做的大量工作,使氣體潤滑這項新技術(shù)在我國得以飛速地發(fā)展。
復(fù)合材料軸承可用于在紡織機械、食品機械等行業(yè)。李安國發(fā)明的一種無油潤滑高轉(zhuǎn)速復(fù)合軸承材料[2],它是在碳結(jié)鋼制的圓柱形筒體之內(nèi)壁燒結(jié)一層0.5 mm~1.0 mm 厚的高石墨減磨材料而成的。 用該材料制成的軸承耐磨性能好,機械強度大,轉(zhuǎn)速可提高到3500 r/min,同時成本低廉,制作工藝簡單。 趙長江等發(fā)明的一種軸承由鋅合金基體和固體潤滑材料[3]所構(gòu)成。 它采用鑄造鋅合金為基體,在其作相對摩擦運動的表面鑲嵌適量的固體潤滑材料而制成的新型的自潤滑軸承,采用熔化后鑄造的方式加工而成。 該鋅合金自潤滑軸承,材料造價低,生產(chǎn)工藝簡單,由于鋅合金的鑄造性能良好,便于加工成不同結(jié)構(gòu)形狀的軸承零件,廣泛用于各種工程機械中。 九臺市軸瓦廠王順珍等發(fā)明的耐高溫自潤滑軸承[4],是在基體的內(nèi)壁上開有固定槽,基體的內(nèi)壁上附著有碳纖維復(fù)合材料層,碳纖維復(fù)合材料層的碳纖維復(fù)合材料充滿固定槽。該發(fā)明具有摩擦系數(shù)小,磨耗小、無噪音,自潤滑性能強,耐磨等優(yōu)點,而且對軸無磨損,使用過程中不會出現(xiàn)卡軸、抱軸現(xiàn)象,工作常溫達 500℃,瞬時可達 1000 ℃,運行平穩(wěn)。 金卓仁和夏永紅等設(shè)計了梯度自潤滑軸承[5,6]。 濟南大學(xué)李學(xué)閔等公開了一種耐高溫的以氟塑料為基體樹脂的自潤滑復(fù)合材料滑動軸承[7,8]。黃根寶發(fā)明機器制造用的尼龍自潤滑軸承材料[9]。 中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所閻逢元等發(fā)明一種自潤滑納米復(fù)合材料[10]。 它由可熔性聚酰亞胺 100 份(重量,下同)、無機納米 1~25 份、偶聯(lián)劑 0.1~2.0 份和碳纖維 5~30 份組成。該材料適用于真空、輻射、高溫等特殊環(huán)境,可在航空航天、機械化工、汽車家電等領(lǐng)域的自潤滑軸承等部件上使用。張靜霞發(fā)明一種自潤滑澆鑄油尼龍軸承,它適用于一般滑動軸承[11]。
從上世紀(jì)四十年代末期開始,蘇聯(lián)一直對采用水作為潤滑液的流體靜力軸承和流體動力軸承的特性和材料進行深入的研究。 英國、德國和日本以及其他許多國家五、六十年代也在水潤滑軸承的研究方面做了大量的工作。 英國的海沃德-泰勒公司在無填料泵結(jié)構(gòu)中采用了水潤滑滑動軸承,其軸材料為馬氏體不銹鋼或在碳鋼表面鍍鉻。 而軸瓦材料為石棉填充酚醛樹脂,使用效果較好。 德國的維克斯 (Vickers) 和米契爾(Michell)公司則在深井泵中和潛水泵中采用水潤滑橡膠軸承,即以橡膠材料作軸瓦。 加拿大的湯姆遜-戈爾登有限公司在船舶尾軸的支承中采用了水潤滑系統(tǒng),在不銹鋼軸承上復(fù)合一層聚合材料作軸瓦。日本在離心泵和船用離心泵中廣泛采用了水潤滑軸承;在大型內(nèi)燃機油輪用輔鍋爐給水泵中,采用了自給式的水潤滑軸承,軸瓦材料為滲碳合金。東芝公司還在汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機上開發(fā)了泵用水潤滑軸承等[12]。 中國從五十年代中期開始在船用離心泵和軸流泵中采用水潤滑軸承,六十年代初期開始進行這方面的理論探索和試驗研究工作。例如二機部第一設(shè)計院設(shè)計的核泵水潤滑軸承;江都三站大型立式軸流泵上采用的酚醛塑料水潤滑軸承;潛水電泵上采用的水潤滑塑料推力軸承等。目前國內(nèi)應(yīng)用的水潤滑軸承相對仍較少。沈陽滑動軸承研究所與西安交通大學(xué)潤滑理論及軸承研究所曾對泵上應(yīng)用的水潤滑橡膠軸承進行過研究與應(yīng)用。 重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室和重慶奔騰科技發(fā)展公司合作研究了170 多種規(guī)格的BTG 水潤滑復(fù)合橡膠軸承和塑料軸承,金屬表面覆蓋陶瓷制造水潤滑摩擦副材料目前已成功開發(fā)。華中理工大學(xué)開發(fā)的斜盤式柱塞泵中采用了陶瓷材料的滑靴和斜盤,并應(yīng)用于水潤滑。
對新型氣體潤滑軸承的研究和開發(fā),主要包括以下幾個方面:
(1)為擴大氣體潤滑軸承的使用范圍,以提高軸承剛度及承載力為主要目標(biāo),今后,將向研制高剛度氣體潤滑軸承方向發(fā)展。
(2)為適應(yīng)高新技術(shù)和尖端技術(shù)的需要,向髙精度、高性能的氣體潤滑軸承方向發(fā)展。
(3)在設(shè)計和工藝方面,通過對氣體潤滑軸承的制造工藝、工作可靠性、實用性等方面的研究,研制和開發(fā)能夠批量化生產(chǎn)的軸承,且軸承性能要具有結(jié)構(gòu)簡便,制造容易,在相關(guān)設(shè)備上工作可靠的特點。
對水潤滑軸承的研究涉及機械設(shè)計、 摩擦學(xué)、材料科學(xué)、表面工程、流體力學(xué)、潤滑與密封等多學(xué)科,是具有綜合性的科學(xué)研究項目,目前水潤滑軸承的研究主要在以下幾個方面:
(1)基于各種類型材質(zhì)高、低摩擦副水潤滑理論的建立;
(2) 具有自潤滑性能并與水有良好親和性的水潤滑軸承材料研究;
(3)基于表面工程的水潤滑摩擦學(xué)機理研究;(4)理論的驗證對實驗檢測手段要求特別高;對復(fù)合材料軸承,由于軸承工作的工況例如溫度、載荷性質(zhì)、載荷種類等非常復(fù)雜,尺寸規(guī)格眾多,如何根據(jù)不同情況選擇并設(shè)計合適的材料是個復(fù)雜的問題。 發(fā)展高溫、重載、低速、含襯及腐蝕性等復(fù)雜工況下的自潤滑軸承材料是當(dāng)務(wù)之急。
從無油軸承的研究及發(fā)展看出,無油軸承作為一個新的研究課題, 仍存在大量問題需要研究。對要求嚴(yán)格、無泄漏污染的食品機械、紡織器械等設(shè)備行業(yè),用無潤滑油作介質(zhì)的環(huán)保型軸承的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化研究具有普遍而重要的意義。相信在不久的將來,無油軸承的研究與應(yīng)用會得到長足的發(fā)展。
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