滑动轴承常见摩擦状态分析
根据分析，滑动轴承的摩擦状态主要是轴瓦与轴颈之间的摩擦。根据摩擦副表面之间的润滑情况，摩擦状态分为以下几种。
1、干摩擦状态
液体摩擦滑动轴承。两相对运动表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦称为干摩擦。干摩将伴有大量的摩擦功损耗和严重的磨损，在滑动轴承中将导致剧烈温升，甚至烧坏轴瓦。所以，在滑动轴承中不允许出现干摩擦。
特点：摩擦表面无润滑剂，功率损失严重，磨损加剧，温度升高，轴瓦易破坏。
注意事项：应避免此种摩擦状态。
2、边界摩擦状态（非液体摩擦滑动轴承）
边界油膜的厚度通常小于1微米，不足以将两金属表面完全分隔开，当两金属表面相互运动时，金属表面相当多的微凸体仍将相互搓削，这种摩擦称为边界摩擦。边界摩擦时的摩擦规律，基本上与干摩擦相同，但摩擦系数明显减小，f≈0.1~0.3。边界摩擦虽不能完全避免金属表面的磨损，但可大大减轻磨损。
特点：摩擦表面间有润滑油存在，金属表面上形成了一层极薄的边界油膜。但尖峰线分仍直接接触。
注意事项：多数滑动轴承采用这种摩擦状态。
3、液体摩擦状态（液体摩擦滑动轴承）
当两摩擦面间有充足的润滑油，形成的油膜厚度大到足以将两个表面的微凸体完全分隔开时，相对运动时仅有流体内部的分子之间的摩擦，称之为液体摩擦，此时，形成的油膜是可以承受一定大小载荷的压力油膜，阻止了两摩擦表面的直接接触，所以摩擦系数极小（f≈0.001~0.01），显著地减少了摩擦和磨损。
特点：两摩擦表面完全被润滑油分隔开，形成了一定厚度的压力油膜。这种摩擦状态是润滑油分子之间的摩擦，摩擦系数极小。
注意事项：长期高速旋转的机器，轴承采用这种摩擦状态。
4、混合摩擦
在实际使用中，较多的摩擦状态处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦的混合状态，称为混合摩擦（或称为不完全流体摩擦）。
什么是水润滑推力轴承？其摩擦学性能有何特点？
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文 | 江岫白
编辑 | 江岫白
前言
核电厂冷却剂主泵是核安全一级设备，处于高温、高压及辐射工作环境下，对核电厂安全稳定运行至关重要，其国产化还存在诸多难点。
以非能动安全系统为主要特征的第三代核电机组主泵，其使用的是水润滑石墨轴承，服役时间要求大于60a，给轴承的设计和制造均带来了很大挑战。
轴承的长寿命是主泵需要突破的瓶颈问题之一，研究水润滑轴承的设计及制造技术对突破此瓶颈有重要意义。
随着核电产业及其相关技术的发展，对石墨轴承提出了服役性能和可靠性等方面的具体需求，特别是要提高寿命、降低磨损。
针对主泵水润滑轴承的研制，美国柯蒂斯怀特公司主泵制造厂建立了全尺寸主泵试验台，但仅启停了8次石墨轴承就出现了磨损、裂纹等问题下。
水润滑石墨轴承的研制涉及机械设计、材料学、热物理学及摩擦学等多个学科，是一项系统工程，随着工作的不断深入，其摩擦学性能的研究又需要与结构和材料特性等耦合。
本文在前期进行了针对机械密封二次利用的问题，从机械密封的运行状态入手，对机械密封的结构设计进行了研究。
针对机械密封浸渍石墨在N2o4环境下磨损量较大的现象，以宏观试验与微观检测相结合的方法探索其产生的机理，并对其制备工艺提出了改进措施。
由以上分析可见，已有大量研究者针对主泉水润滑石墨轴承进行了相关的研究，但其中大多数的研究工作只是偏重于轴承的性能分析或是试验研究中的一个方面。
本文从主泵轴承的性能分析和试验两方面入手，较为系统地对水润潜推力轴承的摩擦学性能进行了研究。
水润滑推力轴承的基本结构形式
主泵的推力轴承工作在高温高压、有放射性介质的环境中，本文研究的主泵为水润滑轴承，由于水的黏度较低，同等承载能力下水膜厚度仅为油膜厚度的1/8，轴承主要工作在微小间隙及边界润滑条件下。
推力轴承采用的是平衡支撑结构，轴承瓦块的形状为扇形，如图1所示。
这种平衡支撑的形式依靠在推力轴瓦支点下面添加上下两层平衡块来实现，利用杠杆原理实现均载，如图1(a)所示，该种结构比较适合在长期运行、重载、频繁启停及轴线倾斜等情况下使用。
考虑到主泵轴承特殊的工作环境.国内外主泵水润滑轴承多采用石墨轴承，而国内现有碳石墨材料是否满足主泵的工况要求还需要进一步研究。
主泵所使用的推力轴承为水润滑轴承，所以轴承瓦块材料为不锈钢和石墨组合而成，推力瓦块的基体材料为具有一定强度的不锈钢，瓦块的表面采用的是具有自润滑性能且较为耐磨的硅化石墨，如图1(b)所示。
硅化石墨是在一般石墨材料的表面涂覆碳化硅层而构成的一种复合材料。
主泵的碳石墨轴承材料需满足三方面性能要求：(1)承载性能，具有较高的表面强度，并能承受一定的剪切力及弯矩。
(2)顺应性能，具有与金属基体相近的线膨胀系数和较大的导热系数，不发生脱落及受热爆裂。
(3)组织性能，具有小的孔隙率及较高的石墨化度。主泵的主要功能是驱动核岛内高放射性高温高压水循环，将堆芯核裂变的热能传递给蒸汽发生器以产生蒸汽，进而推动汽轮机发电。
主泵轴系由转子、叶轮、上飞轮、下飞轮、径向石墨轴承及推力石墨轴承等几部分组成(见图2)。
水润滑推力轴承的摩擦学性能仿真
以流体动压润滑理论为基础，结合流体润滑的形成机理、数学物理模型和基本方程计算轴承的润滑性能。
轴承润滑性能一般包括静、动态性能和稳定性等，本文重点考虑的是轴承的静态特性，分析的具体指标包括静态特性中的轴承最小润滑膜厚度hmin、温升、摩擦力矩和功P等。
推力轴承静态特性计算的基本方程包括雷诺方程、液膜厚度方程、润滑液黏温方程和液膜能量方程等，等温假设时不考虑能量方程和黏温方程。
本文的计算方程已经过长期主泵轴承设计的实例检验，并通过与试验数据的对照验证了本文计算方程的可适用性和有效性。
根据图3计算，得出润滑膜厚度为：
由式（1）可得最小润滑膜厚度hmin为：
在实际工程中，温度的变化会间接影响油膜的厚度，因此为保证理论计算的精确性，必须考虑润滑油膜的温度分布，对能量方程进行求解。
在分析流体润滑问题时，流体的动能和势能变化微小，可以忽略不计，流体的能量变化仅取决于温度。因此，在绝热条件下建立的润滑油膜能量方程为：
边界条件如下：
当液膜无自然破裂时，单块推力轴承瓦块的摩擦力矩和功耗为：
针对以可倾瓦和平衡梁为特征的主泵水润滑轴承，在基本模型之外补充了区域性流态模型、汽水两相模型和双间隙协调模型，形成的润滑模型基本支持对推力轴承膜厚和温升的估算。
如图4(a)所示，流体动力润滑模型的计算过程实际上是基本方程以及瓦块平衡的多重迭代过程。根据不同的需求，所采用的计算方案不同，主要表现在方程和迭代层数不同。本文中推力轴承的性能计算流程如图4(b)所示。
图中的流程包括三层迭代，分别是液膜压力场迭代、轴瓦承载力迭代以及瓦块平衡位置迭代。
根据主泵水润滑推力轴承的使用背景和工作特点，选取一组典型的轴承结构和工况参数，见表1。
如上节所述，在性能分析方面本文重点对推力轴承进行了摩擦学仿真分析，选取的摩擦学性能指标为最小润滑膜厚度hmin、温升、摩擦力矩和功耗，分析结果如图5和图6所示。
立式轴系中动压水润滑推力轴承的起飞转速是评价推力轴承及轴系性能的关键指标。
水润滑的动压润滑膜厚度值一般在几十至上百微米之间，起飞转速即可使推力轴承与推力盘之间形成动压润滑膜时的转子转速。
本文在前期研究的基础之上给出了基于起飞转速的水润滑推力轴承磨损预测模型，如图7所示。
由图7可以看出，在磨损预测模型中，首先需要通过润滑理论计算获得推力轴承的起飞时间，进而通过摩擦磨损试验，模拟得到代表轴承摩擦学性能的摩擦因数和磨损量等。
水润滑推力轴承摩擦学性能的试验研究
从推力轴承启动到达到稳定工作状态，整个瓦块与推力盘的润滑过程可分为边界润滑阶段、不连续流体动压润滑阶段和流体动压润滑阶段。
瓦块磨损的主要原因是在未达到起飞转速时与推力盘接触产生的干摩擦与边界摩擦，多次的启停会加剧瓦块的磨损，严重影响主泵推力轴承的寿命。
因此有必要对瓦块的磨损情况进行研究，受限于实验室场地，选用小试样试验进行研究。
所谓的小试样试验就是把所需研究的摩擦复制成尺寸较小的试样进行试验，其试验条件选择范围较宽，影响因素容易控制，在短时间内可进行多参数及较多次数的试验工作。
采用pv相似准则确定小试样试验参数，也就是试验时pv与实际轴承工作时的pv大小一样。
如前文所述，主泵推力轴承的表面材料为石墨，石墨镶嵌于金属基中，主泵轴向力为其所受主要载荷，推力轴承比径向轴承受力大，推力轴承的工作面所承受的力要远大于径向工作面所承受的力。
试验销的材料为浸渍石墨，试验盘的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti。选择UMT-2摩擦磨损试验机进行试验。
根据该试验机的特点，销的直径和长度分别为6mm和15mm，试验盘的直径和厚度分别为30mm和5mmn，与实际工程产品均成比例。
主泵推力轴承选用实验室已有的6瓦可倾瓦轴承，轴承内径为367.28mm，外径为920.75mm。
由于推力面与径向面材料相同，所以在轴承材料的选型时应以推力面的工况参数作为参考。根据主泵及轴承的使用工况，设定试验的值为20MPa·m/s。试验机和试验样品如图8所示。
对摩擦性能的评价指标有摩擦因数和磨损量。f的测量是通过力传感器感受载荷力N和水平摩擦力F并转化成信号输出，计算公式如下：
体积磨损量是指一定条件下材料磨损的体积变化量。体积磨损量为：
根据主泵的使用要求选取浸渍石墨材料和不锈钢组成的摩擦副分别进行了干摩擦和边界润滑条件下的摩擦磨损试验，研究摩擦因数时的试验时间为10mim，研究体积磨损量时的测试时间为2h，试验结果如图9所示。
由图9（a）可以看出，干摩擦和边界润滑工况下的广值有较为明显的区别，干摩擦工况下的广值在0.20左右，而边界润滑时的值在0.10以下，两者差别并不悬殊的原因是石墨在干摩擦时候具有自润滑性。
由图9(b)可以看出，干摩擦和边界润滑工况下的磨损量值也有较为明显的区别，干摩擦工况下的磨损量均值为1.76，边界润滑时磨损量的均值为0.66。
半尺寸缩比试验台是一个模拟主泵水润滑推力轴承运行工况的综合测试试验台，其目的是进行水润滑推力轴承的性能试验，主要由轴承、转子、电机和电磁加载装置等组成。
在本文试验中，试验轴承的直径为实际轴承的一半，那么试验的转速就设定为实际工作转速的2倍。
如果再增加试验载荷，还可提供可靠性强化试验条件以支持轴承考核性试验，完全可为全尺寸轴承研制提供技术参考。
油润滑轴承试验主要针对高速下的静态特性，而启停工况是水润滑石墨轴承磨损的主要因素之一，本文开展的试验主要针对启停时的静态特性，使用图10所示的水润滑推力轴承试验系统。
进行轴承温度测试时，预先在石墨轴瓦侧面钻有直径3mm的小孔，温度传感器均预埋在石墨瓦块内部，并用环氧树脂密封。金属导热率比石墨小热量容易在石墨上积累。
在1号和2号推力轴承上布置温度传感器，取其均值作为推力轴承的温度立式轴系推力轴承的磨损一直是倍受关注的，对石墨推力轴承磨损测试时采用称重法，即试验前后对推力瓦块进行超声波清洗、烘干、称重，根据试验前后的重量差判断轴承的磨损情况。
利用台架试验对润滑膜厚度h、瓦面温度T及磨损质量进行了测试，测试结果如图11所示。
由图11(a)可以看出，h和T都随着试验转速的增大而增大，其中h增大明显而T增大不明显。
3000r/min时h和T分别为500r/min时的3.7倍和1.1倍。由图11(b)可以看出，磨损的质量仅为轴承瓦块质量的3%~4%。
可见，在本文的低速启动试验中所选的浸渍石墨材料表现出较为良好的抗磨性能，将其作为水润滑推力轴承的减摩层材料是合适的。
对平衡支撑条件下的推力轴承润滑性能进行分析，结果表明转速对推力轴承最小润滑膜厚度影响较大，对温升影响较小，说明平衡支撑下的推力轴承适用于更高转速的运行工况。并根据起飞转速建立了基于启停次数的轴承磨损预测模型。
通过缩比的半尺寸台架试验测试了石墨轴承的润滑膜厚度h、瓦面温度T及磨损质量。随着试验转速的增大，h增大明显而T增大不明显。
石墨推力轴瓦的磨损质量仅为轴承瓦块质量的3%~4%，说明石墨完全可以作为轴承的减摩层材料。
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