水润滑摩擦副的研究现状似的

水润滑摩擦副的研究现状

摘要：长期以来，以油为润滑介质的各种摩擦副对环境的污染日趋严重，并消耗了大量的油料和贵重金属，提出了以水代替作为润滑介质，以非金属代替金属作为摩擦副材料的问题。尽管以水为润滑介质的非金属摩擦副在许多方创新材料惠及诸多领域面比用油更具有优越性，但也存在一些关键技术问题，本文介绍了水润滑轴承材料、磨损机理的研究现状及应用。

我国航行在江河湖海的各种船舶推进系统，普遍采用金属轴承，并以油作为润滑介质，其轴系密封不可避免地存在因润滑油泄漏而严重污染水环境的问题。以水为润滑介质的非金属摩擦副，不仪具有无污染、来源广泛、节省能源、安个性、难燃件等特点，还能降低和减少因摩擦副运动而产生的磨损、冲击等问题。重要的是，在很丝杠、丝母作为履行部件多场合都可以用它来代替油，是一种有着广阔发展前景的润滑介质。因而，研究水润滑轴承，对于提高机械效率，减少摩擦、磨损等问题有着重要的意义。

1、水润滑摩擦副的特点

传统观点将润滑状态分为：流体动压润滑、流体静压润滑、弹性流体动压润滑、边界润滑和干摩擦。水的粘度很低，通常为油的1／100～1／20，低粘度代表着其具有摩擦阻力小，摩擦系数低等优点，但同时也意味着水膜的承载能力要比油膜低得多，很难形成流体动压润滑。一般认为，只有在高速、低载的适宜条件下，才能形成流体润滑。而在启动和停机运行速度有所变化的情况下，轴承往往处于边界润滑和干摩擦状态，因此，要求水润滑材料能在边界润滑和干摩擦条件下安全运行，并具有低摩擦系数。

以水为润滑介质的优点，还在于它的比热容相当于油的两倍，温升不大，粘温特性甲稳，粘度较低，无功能耗较小，不能燃烧，使用安全。特别是在绝大多数地方是取之较为方便的资源，并没有污染问题。但水对金属的腐蚀也不可忽视。因此，必须寻找一种耐水体腐蚀，既有承载能力又有一定叫弹性的亲水材料，或者耐水体腐蚀、具有很好自润滑件的水润滑材料。目前研究较多的是橡胶、塑料、工程陶瓷和特种高分了复合材料等，这些材料与水都具有较好的匹配件。

2、水润滑摩擦副的关键技术问题及解决方法

水和油相比具有粘度低、润滑件差、导电件强等特点，给水润滑摩擦副的研究和应用带来了困难，主要存在如下关键问题：

(1)设计问题

水的粘度低、润滑件差，摩擦副上难以形成液体润滑，特别是边界润滑。为了避免产生干摩擦，必须根据水的特性，建立数学模型，研究其设计理论和方法。

第一，水与传统润滑油的区别较大，水润滑理论必然与传统油润滑理论的许多假设不符。第二，水与许多传统摩擦、磨损零件的亲和性关系和润滑油相比有较大差别。第三，水粘度较低(为油的1／130～1／20)，它与通常的零件材料不再满足Reynolds方程中的“贴于界面的油层速度与界面速度相同”等基本假设，必须重新推导基本方程。第四，粘压效应不再符合Barus、Cameron、和Roelands等方程，必须采用新的粘压关系式代入新的润滑基本方程才能获得水润滑的压力，而这种压力是和摩擦副的弹性变形有关的。必须同时考虑固体的弹性变形及水润滑的粘压效应，联合求解。第五，要采用三维弹塑性接触数字方法代替古典的Hertz理论求解其真实的接触力分布、流体动压、润滑膜厚度、固体表而的弹性变形及接触刚度。

(2)摩擦副材料问题

以水为润滑介质的摩擦副，其摩擦副材料应当满足以下至少一个情况：良好的自润滑性能，或者固体表而与水之间具有很好的亲和性。只有这样，才可能通过自身旋转运动形成流体动压润滑，并且在低转速和频繁起停等边界润滑和干摩擦状态下拥有较长的使用寿命。

根据Reynolds方程，轴承负荷能力与粘度／(润滑膜厚度)2成正比，水的粘度通常在油的1／20以下，与油相比，最小膜厚变得很小，而金

属材料的特性是弹性系数大、硬度高，理论水膜厚度小于金属表而微观不平度，不可能形成润滑水膜，更不可能进行流体润滑。同时，水，尤其是海水对金属的腐蚀也不可忽视，所以传统的金属摩擦副不能用在水中。于是，用非金属替代金属作为摩擦副材料就成了水润滑摩擦副技术的关键。高分了材料如橡胶、塑料和工程陶瓷等与水的润滑作用都具有较好的匹配件，可用作水润滑摩擦副的材料。

(3)腐蚀问题

由于水，尤其是海水具有较强的锈蚀作用，而且水的导电件比普通润滑油高数亿甚至数百亿倍，它能引起绝大多数金属材料的电化学腐蚀和大多数高分了材料的化学老化。因此，在水润滑摩擦副系统中，陶瓷材料的抗腐蚀和抗老化能力就显得比较突山。高分了材料可以通过添加一些助剂、改变配方，使耐腐蚀件得到较大程度的提高；金属材料则需要采用表而涂覆等方法使耐腐蚀件得到改善。

(4)磨损问题

很多材料在水中润滑困难，摩擦副的固体表面常处于直接接触状态，很容易受到磨损。材料的磨损主要表现为四种形式：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和弄安全是1种投入腐蚀磨损。水的腐蚀作用可在较低的接触应力下去除腐蚀广东土壤污染缘由多样表面，从而使新鲜表面更容易受到腐蚀，这两个过程的相互作用就形成了腐蚀磨损。上述四种形式的磨损在水中都比油大。在水中，尤其在含泥沙水质中，磨粒比在油中更容易到达摩擦表面，而且两摩擦表面的间隙更小，磨粒磨损的速率更大。在某些情况下，采用较大的间隙可以冲走磨粒，但承载能力会极低。

3、润滑机制研究现状：

对于水润滑轴承的压力分布和水膜厚度计算，目前很难得到解析解。因此在建立了基本方程组后一般是求其数值解。而求解数值解的算法

是整个计算过程的关键，以下简要介绍各种算法的特点。

(1)顺解法：

在润滑力学中，通常的求解顺序是：将给定的h代入需诺方程求山p。当有变形情况时，还j要根据求得的p由弹性变形方程重新计算h，如次

反复计算，使p趋于定值。这种解法称为顺解范或称直接迭代法。这种解法简便直观，然而在轴承材料弹性较大的摩擦副中，由于压力对膜厚微小变化的敏感性，易造成数值计算过程的不稳定

(2)逆解法

既然压力对膜厚微小变化极为敏感，那么就不难理解，若能通过需诺方程求山给定p下的值，这种算法将有良好的数值计算稳定件，这就

称作逆解法。将逆解法成功用于计算水润滑轴中的研究还比较少，重庆大学在这方而曾作过很多有益的尝试。

(3)多重格法

在润滑理论中，当用有限差分法或有限元素法等数值方法解各种偏微分方程时，总是首先将求解区域划分，然后将偏微分方程离散，导出一组线性或非线性的代数方程组，再直接或迭代解出该方程组。在上述过程中，选择合适的格是比较困难的。使用稀疏的格得到的解误差太大，而且对非线性问题常常得不到收敛解。使用稠密的格则Reeve说会导致代数方程组过大，计算时间过长。使用多重格法就可以有效地克服上述困难。

关于以水为润滑介质的非金属摩擦鬲0的研究，我国起步较晚，与西方发达国家相比有很大差距。在理论方而，需要进一步完善滑动轴承的

边界润滑和流体润滑理论；揭叫j各种材质的水润滑摩擦副在边界润滑和干摩擦下的摩擦学机理及其减少摩擦的方法研究；寻找进一步提高水润滑摩擦副承载能力的方法。在应用方而，水润滑摩擦副将改变某些在会污染环境的机械机构，如各种船舶推进系统等，使其在设计、制造、安装和维修上趋于简单耐压爆破实验机特点：化，不但节约了贵金属，而且提

高了使用寿命和生产效率，其经济效益和社会效益将会十分可观。相信在不久的将来，水润滑摩擦副的研究与应用会得到长足的发展。