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摘要：水润滑轴承具有无污染、损失小、结构简单、安全性高的特点。因此，立式混流泵水中的径向轴承多采用水润滑的非金属材料。从而简化了水泵结构，节省了维护成本，特别是对水环境起到了很好的保护作用。
关键词：水润滑;导轴承;非金属轴承
中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）09-0069-02
0 引言
立式混流泵的导轴承通常直接浸没在输送介质水中，如果采用油脂润滑则会有泄露的可能性，水源有被污染的风险。由于增加了密封和注油孔，结构也更加复杂，维护难度增大。油脂润滑轴承通常为贵金属材质，成本也更高。由此，通过输送介质水直接润滑的轴承可以更好的适应工作环境。水润滑轴承直接在水中使用，无需密封装置，结构简单;无需润滑油或润滑脂，消除了对水污染的危害。轴承在流水中使用，能有效控制轴承温升，故而使用寿命长，且安全可靠。
1 水润滑轴承结构
水润滑导轴承结构上相对简单，都是在套筒内侧开纵向水槽的形式。水槽的作用是为了让充足的水流过轴承表面并形成水膜，同时带走摩擦产生的热量。
水润滑轴承结构有半开槽型和全开槽型，也有整体模制型、板条型和筒型。半开槽型是指轴承上半部分开槽，下半部分不开槽，多用于斜式轴或卧式轴。全开槽型为水槽在轴承内均布，对于大型立式混流泵通常选用全开槽结构。整体模制型是非金属材料整体注塑成型;板条型和筒型是非金属材料部分成型再组装成整体，板条采用燕尾槽固定，筒型组装采用侧板固定，可用于更大的轴径，也可做成分瓣式。
2 润滑水量和轴承长度
2.1 供水量
根据试验得出的经验供水量：Q=0.25D
公式中，Q为供水量（单位L/min），D为轴径（单位mm）。
2.2 轴承长度
轴承长度通常取1-2倍的轴径，不同材质选取长度也不尽相同。轴承长度过小，轴承承载能力不足，影响轴承使用寿命，并导致轴系稳定性差。轴承长度过大，则由于轴承前端没有起到支撑作用，会与水接触产生不必要的剪切力而使得摩擦力更大。选择合适的长径比，对于提高轴承寿命和增加轴系稳定性至关重要。
3 常用导轴承材质及其特性
根据雷诺方程，轴承的负载能力与润滑液粘度成正比，与液膜厚度平方成反比。水是一种低粘度介质，其粘通常在油的5%以下。在其他条件相同时，为了获得相同的承载能力，水膜的厚度会更小。由于金属材料的弹性系数大、硬度高，很难形成水膜。而一些非金属材料与水的润滑性能有很好的匹配性。因此，水润滑轴承均以非金属材料作为摩擦副。
3.1 橡胶轴承
橡胶用于水泵导轴承，需要在大量的水润滑下工作。橡胶轴承能够经受漂浮在水中的固体颗粒的磨耗。如果这些颗粒落入金属轴套和橡胶轴承之间，则轴将其压入有弹性的橡胶材料中，而后顺着其旋转方向将其滚推到最近的水槽内，并被水冲走。由于金属轴套不是让固体粒子跟着自己移动，而是包容性地滚推它们，因此其磨损小，保持轴套表面的光滑，有助于减少橡胶轴承的磨损。
在水润滑的条件下具有很小的动摩擦系数（约0.005～0.01），摩擦功耗很小，轴套表面磨损也很小，使用寿命更长。由于橡胶的弹性，轴承对轴的偏斜和振动不敏感，可以在脏水中工作。但不允许在断水的情况下工作，一旦出现干摩擦轴承将很快被烧毁。橡胶轴承内阻尼较大，能够有效地防止或减缓振动、噪音和冲击。
缺点是导热性差、不耐油、起动力矩大、不可干运行。
橡胶轴承及其金属壳由轴承厂家一体供货。
3.2 石墨轴承
石墨轴承有着自润滑、耐高温、耐腐蚀、质轻等特点。石墨材料本身就存在润滑性能，而与水和空气的接触使石墨工作面上吸附了水和氣体分子，增大了石墨互相滑动接触面间的距离，从而减弱了它们间的结合力，进一步增强其润滑性能。石墨轴承的静摩擦比同样情况下的金属轴承要小一些。普通石墨轴承在干运转情况下，动摩擦系数在0.08-0.3之间，湿运转情况下由于存在着边界润滑，所以动摩擦系数在0.01-0.1范围内。
为了提高石墨制品的机械强度和耐冲击韧性，常用一些耐磨性能好的易熔金属进行浸渍处理。浸锑石墨轴承允许的工作温度可达500℃，在大负荷和快速的情况下工作，其耐磨性能可提高2-3倍。
石墨轴承一般采用过盈装配安装。将金属壳体加热，再装入石墨轴承，待金属壳冷却后形成过盈配合。过盈量需考虑石墨轴承的许用应力。
石墨轴承及其金属壳由轴承厂家一体供货。
3.3 陶瓷轴承
陶瓷轴承具有金属轴承所无法比拟的优良性能，耐高温、高强度、超耐磨等特点。陶瓷轴承可在dn值超过300万的条件下运转;寿命长，全陶瓷轴承的疲劳寿命是全钢轴承的10-50倍，混合陶瓷轴承寿命也比全钢轴承寿命高3-5倍;陶瓷材料的磨擦系数低，所需润滑更少;耐磨蚀，陶瓷材料为惰性材料，故而更耐腐蚀和磨损;刚性大，陶瓷材料的弹性模量高，其刚性比普通钢轴承大15-20%;耐高温，全陶瓷轴承可在500℃以上温度环境下工作;与金属轴承相比陶瓷轴承的扭矩约减小1/3;无磁性不导电，陶瓷轴承可不受磁、电的损害。但陶瓷属于脆性材料，硬度高、易碎，给安装和加工增加了不少难度，且造价高。 由于陶瓷轴承耐磨性能特别强，与之相配套的轴套也需要很强的耐磨性，一般采用超硬合金或采用陶瓷制作而成。
陶瓷轴承及其金属壳以及轴套由轴承厂家一体供货。目前，陶瓷轴承多选用进口产品。
3.4 赛龙轴承
赛龙（Thordon）是加拿大赛龙轴承公司（THORDON BEARING INC.）专门研制生产的由热凝性樹脂制造的聚合物，它是一种非金属弹性轴承材料。赛龙SXL的干摩擦系数低于0.18。赛龙有很好的韧性，对于因轴线不正而产生的边缘载荷，赛龙轴承能够产生轻微变形以减小局部压力，从而防止轴承和轴的严重磨损。并且减少噪音和震动的产生，是金属轴承无法达到的。赛龙具有很高的抗冲击性能，吸收冲击负荷及回复原来形状的能力很强。它的抗冲击能力是尼龙的9倍，青铜的21倍。可以抵抗对于金属或塑料类材料来说会导致永久变形或破裂的冲击载荷。
赛龙轴承不可用于高温，当使用温度超过60℃时材料会水解。
赛龙材料可以进行机械加工。用户可以预先订购毛坯，根据轴和座孔的实际尺寸现场加工留有余量的赛龙毛坯，赛龙轴承的安装方式有三种：过盈冷冻安装、过盈压力安装和粘接安装。
3.5 AR1轴承
AR1是由美国Greene tweed公司生产的一种耐磨材料，AR工程材料广泛应用于有颗粒的研磨介质中，如海水、污水、雨水、化工废液等介质。
AR1工程材料具有以下的特点，杰出的抗磨损性能，较低的摩擦系数，尤其在有研磨颗粒的介质中具有更优越的抗磨损性，可以延长轴承的使用寿命和减少轴或轴套的损坏;在水中具有极低的膨胀率和吸水率（吸水率﹤0.1%），所以在设计轴承时可减小配合间隙。这样在轴承的表面就可以形成较高压力的液膜，从而产生流体静力支撑效应，保证运转的稳定性，降低泵的振动并增加效能;AR1材料耐干转的能力能达到3分钟。在出现间歇性干转情况下仍能保证泵的安全运行，降低了因为这类故障导致的停机风险;抗冲击和减振性，AR1材料优异的物理特性可以很好的缓冲设备振动和冲击。
AR1材料硬度高，对于与之相对应的轴套有更高的要求。AR1轴承采用过盈安装，直接压入金属壳内。可采购毛坯现场加工，也可采购成品轴承。
3.6 几种轴承性能对比（表1）
4 结束语
在立式混流泵中，套筒式的导轴承只用来承受转子径向力。由于临界转速的原因往往在一个轴系中需要设置多个导轴承，这些轴承都设置在泵体内部，在运行状态下无法进行直接检查。此种情况下，要特别关注润滑介质的温度、含固量等条件。尤其要关注泵内部拍气，否则会导致一部分轴承得不到润滑而快速磨损。大部分的立式混流泵均用来输送常温的清洁淡水、海水和雨污水。润滑方式也有外接水润滑和自润滑两种。轴承的选用要结合介质、润滑方式、经济性等条件综合考虑决定。
参考文献：
[1]荀振宇，徐鹏，张少凯，刘宇.水槽结构对水润滑尾轴承润滑性能的影响研究[J].江苏船舶，2010，27（3）：23-25.
[2]余江波，王家序，彭晋民.长径比对水润滑塑料合金轴承摩擦系数的影响[J].润滑与密封，2002（3）：23-28.
[3]杨成仁，苏逢荃，王优强.水润滑橡胶轴承发展与研究简介[J].青岛建筑工程学院学报，1997，18（4）：44-48.
[4]王新荣，张霞，满连善，张永生.水润滑轴承的工作原理及结构设计研究[J].佳木斯大学学报，2008（26）：600-602.
[5]王立新，汤福生.碳-石墨轴承的性能及其应用与发展[J].炭素技术，2001（2）：33-35.
作者简介：乔法彬（1980-），男，山东临邑人，研究方向为卧式多级离心泵在高温高压给水系统中的应用、立式混流泵在电厂循环水系统中的应用;董旭光（1982-），男，甘肃通渭人，研究方向为立式混流泵和长轴泵的结构优化及其在给排水系统中的应用。
关键词：水润滑;导轴承;非金属轴承
中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）09-0069-02
0 引言
立式混流泵的导轴承通常直接浸没在输送介质水中，如果采用油脂润滑则会有泄露的可能性，水源有被污染的风险。由于增加了密封和注油孔，结构也更加复杂，维护难度增大。油脂润滑轴承通常为贵金属材质，成本也更高。由此，通过输送介质水直接润滑的轴承可以更好的适应工作环境。水润滑轴承直接在水中使用，无需密封装置，结构简单;无需润滑油或润滑脂，消除了对水污染的危害。轴承在流水中使用，能有效控制轴承温升，故而使用寿命长，且安全可靠。
1 水润滑轴承结构
水润滑导轴承结构上相对简单，都是在套筒内侧开纵向水槽的形式。水槽的作用是为了让充足的水流过轴承表面并形成水膜，同时带走摩擦产生的热量。
水润滑轴承结构有半开槽型和全开槽型，也有整体模制型、板条型和筒型。半开槽型是指轴承上半部分开槽，下半部分不开槽，多用于斜式轴或卧式轴。全开槽型为水槽在轴承内均布，对于大型立式混流泵通常选用全开槽结构。整体模制型是非金属材料整体注塑成型;板条型和筒型是非金属材料部分成型再组装成整体，板条采用燕尾槽固定，筒型组装采用侧板固定，可用于更大的轴径，也可做成分瓣式。
2 润滑水量和轴承长度
2.1 供水量
根据试验得出的经验供水量：Q=0.25D
公式中，Q为供水量（单位L/min），D为轴径（单位mm）。
2.2 轴承长度
轴承长度通常取1-2倍的轴径，不同材质选取长度也不尽相同。轴承长度过小，轴承承载能力不足，影响轴承使用寿命，并导致轴系稳定性差。轴承长度过大，则由于轴承前端没有起到支撑作用，会与水接触产生不必要的剪切力而使得摩擦力更大。选择合适的长径比，对于提高轴承寿命和增加轴系稳定性至关重要。
3 常用导轴承材质及其特性
根据雷诺方程，轴承的负载能力与润滑液粘度成正比，与液膜厚度平方成反比。水是一种低粘度介质，其粘通常在油的5%以下。在其他条件相同时，为了获得相同的承载能力，水膜的厚度会更小。由于金属材料的弹性系数大、硬度高，很难形成水膜。而一些非金属材料与水的润滑性能有很好的匹配性。因此，水润滑轴承均以非金属材料作为摩擦副。
3.1 橡胶轴承
橡胶用于水泵导轴承，需要在大量的水润滑下工作。橡胶轴承能够经受漂浮在水中的固体颗粒的磨耗。如果这些颗粒落入金属轴套和橡胶轴承之间，则轴将其压入有弹性的橡胶材料中，而后顺着其旋转方向将其滚推到最近的水槽内，并被水冲走。由于金属轴套不是让固体粒子跟着自己移动，而是包容性地滚推它们，因此其磨损小，保持轴套表面的光滑，有助于减少橡胶轴承的磨损。
在水润滑的条件下具有很小的动摩擦系数（约0.005～0.01），摩擦功耗很小，轴套表面磨损也很小，使用寿命更长。由于橡胶的弹性，轴承对轴的偏斜和振动不敏感，可以在脏水中工作。但不允许在断水的情况下工作，一旦出现干摩擦轴承将很快被烧毁。橡胶轴承内阻尼较大，能够有效地防止或减缓振动、噪音和冲击。
缺点是导热性差、不耐油、起动力矩大、不可干运行。
橡胶轴承及其金属壳由轴承厂家一体供货。
3.2 石墨轴承
石墨轴承有着自润滑、耐高温、耐腐蚀、质轻等特点。石墨材料本身就存在润滑性能，而与水和空气的接触使石墨工作面上吸附了水和氣体分子，增大了石墨互相滑动接触面间的距离，从而减弱了它们间的结合力，进一步增强其润滑性能。石墨轴承的静摩擦比同样情况下的金属轴承要小一些。普通石墨轴承在干运转情况下，动摩擦系数在0.08-0.3之间，湿运转情况下由于存在着边界润滑，所以动摩擦系数在0.01-0.1范围内。
为了提高石墨制品的机械强度和耐冲击韧性，常用一些耐磨性能好的易熔金属进行浸渍处理。浸锑石墨轴承允许的工作温度可达500℃，在大负荷和快速的情况下工作，其耐磨性能可提高2-3倍。
石墨轴承一般采用过盈装配安装。将金属壳体加热，再装入石墨轴承，待金属壳冷却后形成过盈配合。过盈量需考虑石墨轴承的许用应力。
石墨轴承及其金属壳由轴承厂家一体供货。
3.3 陶瓷轴承
陶瓷轴承具有金属轴承所无法比拟的优良性能，耐高温、高强度、超耐磨等特点。陶瓷轴承可在dn值超过300万的条件下运转;寿命长，全陶瓷轴承的疲劳寿命是全钢轴承的10-50倍，混合陶瓷轴承寿命也比全钢轴承寿命高3-5倍;陶瓷材料的磨擦系数低，所需润滑更少;耐磨蚀，陶瓷材料为惰性材料，故而更耐腐蚀和磨损;刚性大，陶瓷材料的弹性模量高，其刚性比普通钢轴承大15-20%;耐高温，全陶瓷轴承可在500℃以上温度环境下工作;与金属轴承相比陶瓷轴承的扭矩约减小1/3;无磁性不导电，陶瓷轴承可不受磁、电的损害。但陶瓷属于脆性材料，硬度高、易碎，给安装和加工增加了不少难度，且造价高。 由于陶瓷轴承耐磨性能特别强，与之相配套的轴套也需要很强的耐磨性，一般采用超硬合金或采用陶瓷制作而成。
陶瓷轴承及其金属壳以及轴套由轴承厂家一体供货。目前，陶瓷轴承多选用进口产品。
3.4 赛龙轴承
赛龙（Thordon）是加拿大赛龙轴承公司（THORDON BEARING INC.）专门研制生产的由热凝性樹脂制造的聚合物，它是一种非金属弹性轴承材料。赛龙SXL的干摩擦系数低于0.18。赛龙有很好的韧性，对于因轴线不正而产生的边缘载荷，赛龙轴承能够产生轻微变形以减小局部压力，从而防止轴承和轴的严重磨损。并且减少噪音和震动的产生，是金属轴承无法达到的。赛龙具有很高的抗冲击性能，吸收冲击负荷及回复原来形状的能力很强。它的抗冲击能力是尼龙的9倍，青铜的21倍。可以抵抗对于金属或塑料类材料来说会导致永久变形或破裂的冲击载荷。
赛龙轴承不可用于高温，当使用温度超过60℃时材料会水解。
赛龙材料可以进行机械加工。用户可以预先订购毛坯，根据轴和座孔的实际尺寸现场加工留有余量的赛龙毛坯，赛龙轴承的安装方式有三种：过盈冷冻安装、过盈压力安装和粘接安装。
3.5 AR1轴承
AR1是由美国Greene tweed公司生产的一种耐磨材料，AR工程材料广泛应用于有颗粒的研磨介质中，如海水、污水、雨水、化工废液等介质。
AR1工程材料具有以下的特点，杰出的抗磨损性能，较低的摩擦系数，尤其在有研磨颗粒的介质中具有更优越的抗磨损性，可以延长轴承的使用寿命和减少轴或轴套的损坏;在水中具有极低的膨胀率和吸水率（吸水率﹤0.1%），所以在设计轴承时可减小配合间隙。这样在轴承的表面就可以形成较高压力的液膜，从而产生流体静力支撑效应，保证运转的稳定性，降低泵的振动并增加效能;AR1材料耐干转的能力能达到3分钟。在出现间歇性干转情况下仍能保证泵的安全运行，降低了因为这类故障导致的停机风险;抗冲击和减振性，AR1材料优异的物理特性可以很好的缓冲设备振动和冲击。
AR1材料硬度高，对于与之相对应的轴套有更高的要求。AR1轴承采用过盈安装，直接压入金属壳内。可采购毛坯现场加工，也可采购成品轴承。
3.6 几种轴承性能对比（表1）
4 结束语
在立式混流泵中，套筒式的导轴承只用来承受转子径向力。由于临界转速的原因往往在一个轴系中需要设置多个导轴承，这些轴承都设置在泵体内部，在运行状态下无法进行直接检查。此种情况下，要特别关注润滑介质的温度、含固量等条件。尤其要关注泵内部拍气，否则会导致一部分轴承得不到润滑而快速磨损。大部分的立式混流泵均用来输送常温的清洁淡水、海水和雨污水。润滑方式也有外接水润滑和自润滑两种。轴承的选用要结合介质、润滑方式、经济性等条件综合考虑决定。
参考文献：
[1]荀振宇，徐鹏，张少凯，刘宇.水槽结构对水润滑尾轴承润滑性能的影响研究[J].江苏船舶，2010，27（3）：23-25.
[2]余江波，王家序，彭晋民.长径比对水润滑塑料合金轴承摩擦系数的影响[J].润滑与密封，2002（3）：23-28.
[3]杨成仁，苏逢荃，王优强.水润滑橡胶轴承发展与研究简介[J].青岛建筑工程学院学报，1997，18（4）：44-48.
[4]王新荣，张霞，满连善，张永生.水润滑轴承的工作原理及结构设计研究[J].佳木斯大学学报，2008（26）：600-602.
[5]王立新，汤福生.碳-石墨轴承的性能及其应用与发展[J].炭素技术，2001（2）：33-35.
作者简介：乔法彬（1980-），男，山东临邑人，研究方向为卧式多级离心泵在高温高压给水系统中的应用、立式混流泵在电厂循环水系统中的应用;董旭光（1982-），男，甘肃通渭人，研究方向为立式混流泵和长轴泵的结构优化及其在给排水系统中的应用。