水润滑轴承介绍
水润滑轴承，是一种以水作为润滑介质的特殊轴承。它涵盖了滚动轴承和滑动轴承这两种类型，不过在通常的语境下，我们所提到的水润滑轴承大多是指动压滑动轴承。接下来，我们将重点针对水润滑滑动轴承，详细阐述其特点、结构、材料的发展历程以及应用情况。
一、水润滑轴承的主要用途
水润滑轴承的应用极为广泛。在高速且轻载的工况下，它主要被应用于水泵、船尾管以及水轮发动机主轴等设备中。当处于低速且重载的工作条件时，堤坝、水闸、水轮发电机导叶和阀门等是其主要应用领域。而对于中低速且承受中等载荷的情况，水处理机械、输送设备、船用舵等则会使用水润滑轴承。除此之外，还有许多其他的应用场景。例如，美国在高速机床主轴、航天飞机等设备中采用了水润滑陶瓷静压轴承，而且在水泵、液压元件和船舶尾轴等方面也都有它的身影。
二、选用水润滑轴承的原因
传统的油润滑轴承（如锡青铜滑动轴承）存在诸多问题。这类轴承需要设计复杂的密封结构来防止润滑油泄漏，但在实际使用过程中，润滑油流失和泄漏的现象仍然难以避免。据相关部门估算，每年船用轴承泄露的润滑油量高达几百万吨，这对人类生存环境造成了极为严重的影响。基于此，各个国家纷纷出台了相关规定。我国现行标准规定船舶艉轴密封的泄漏允许量为2 - 3滴/分钟，美国政府更是以法律形式明确禁止艉轴轴承使用油润滑的船舶在密西西比河等内陆河流航行。正是由于这些原因，水润滑轴承自20世纪70、80年代开始逐渐得到推广和应用。
三、水润滑轴承的特点
（一）润滑状态特点
根据Stribeck曲线，润滑状态可分为边界润滑、混合润滑和流体润滑三种类型。水润滑轴承以水为润滑介质，水的黏度很低，仅为油黏度的1/100 - 1/120。这种低黏度特性使得水作为润滑剂具有摩擦阻力小、摩擦因数低的优势。然而，水膜的承载能力相较于油膜要低得多，这就导致水润滑轴承很难形成流体动压润滑。一般情况下，只有在高速、轻载这种适宜的条件下，水润滑轴承才能够形成流体润滑。在启动、停机以及运行速度发生变化时，轴承往往会处于边界润滑和干摩擦状态。
（二）水润滑轴承的优缺点
1. 优点
▶ 使用成本低：水作为润滑介质，来源广泛且成本低廉，与油润滑轴承相比，无需频繁更换昂贵的润滑油，同时减少了因润滑油泄漏导致的清理和损失成本。
▶ 环境友好：水是一种无污染、无毒的物质，即使有少量泄漏，也不会对周围环境造成危害，符合现代工业对环保的要求。
▶ 易维护保养：水润滑轴承结构相对简单，其润滑系统不需要复杂的油过滤和回收装置，日常检查和简单清洁操作即可保证其正常运行，降低了维护人员的工作难度和工作量。
2. 缺点
▶ 不耐高温：水的沸点较低，在高温环境下，水会迅速汽化，导致润滑失效，进而使轴承因缺乏有效润滑而损坏，所以水润滑轴承无法应用于高温环境中的机械设备。
▶ 易腐蚀和老化：水（尤其是海水）具有较强的锈蚀作用，海水中的盐分和杂质会加速金属材料的腐蚀。纯水的导电性比普通润滑油高得多，会引起绝大多数金属材料的电化学腐蚀，同时也会导致高分子材料老化，从而影响轴承材料的性能和使用寿命。
▶ 易产生气蚀：水的汽化压力较高，在压力变化较大的区域容易产生气蚀现象。气蚀发生时，水中形成的大量气泡在破裂时会产生强大冲击力，对轴承材料造成侵蚀，使材料表面出现损坏，严重影响轴承正常运行。因此，水润滑轴承材料的选择至关重要。
四、水润滑轴承的润滑原理
水润滑轴承的润滑原理基于流体动压效应。当轴开始旋转时，由于轴与轴承之间存在一定的间隙，水在轴的带动下被带入到两者之间的楔形间隙中。随着轴的转速不断提高，被带入楔形间隙的水受到越来越大的挤压，从而产生压力。根据流体力学原理，在楔形间隙的狭窄端，水的压力会迅速升高，形成一个高压水膜。这个高压水膜能够将轴与轴承的摩擦表面有效隔开，避免两者直接接触，从而大大降低了摩擦因数，减少了磨损。在理想的流体动压润滑状态下，轴与轴承之间的摩擦力主要是水膜内部的粘性摩擦力，这是一种相对较小的力。然而，如前文所述，由于水的黏度较低，水膜的承载能力有限，在一些复杂工况下，如启动、停机或速度变化时，可能无法维持稳定的流体动压润滑，进而出现边界润滑或干摩擦的情况。因此，水润滑轴承的设计和材料选择需要充分考虑这些因素，以确保在各种工况下都能尽可能地减少磨损和摩擦。
五、水润滑轴承结构
水润滑轴承是通过流体动压来形成水膜的。具体来说，是依靠轴与轴承之间的高速相对运动，将摩擦表面间的水带入楔形间隙内，从而形成高压水膜。这个高压水膜能够将两个摩擦表面隔开，有效减少轴承的摩擦磨损。在水润滑轴承的结构设计中，轴承衬套的结构设计是重点和难点。目前，普遍采用的轴套设计方式是在轴套内侧挖出偶数条等距的轴向沟槽。在板条结构形式方面，目前普遍采用的有凹面型、平面型和凸面型这3种，此外，螺旋形槽结构也受到了广泛关注。
六、水润滑轴承材料
水润滑轴承材料的性能直接决定着轴承的工作性能和使用寿命，而且这种材料一直在不断发展。目前使用的材料包括铁梨木、桦木层压板、夹布胶木（酚醛胶木）等木质材料，青铜、巴氏合金等金属材料，氮化硅、氧化锆等陶瓷复合材料，还有石墨制品以及工程塑料（包括改性橡胶和高分子材料等）。从实际应用情况来看，非金属材料在水润滑轴承中的应用前景更为广阔。
相对体积磨耗比较 (mm3)
七、水润滑轴承的发展
水润滑轴承虽然具有结构简单、易加工、在高速工况下发热量小、清洁无污染等优点，但同时也存在承载能力低、摩擦磨损机理复杂、干摩擦和边界摩擦严重等缺陷，还有很多方面有待进一步探索。在理论方面，需要进一步完善滑动轴承的边界润滑和流体润滑理论，填补非金属材料在轴承工业中的系统理论空白；建立基于各类材质的高、低摩擦副水润滑理论；开展基于表面工程的水润滑摩擦学机理研究等。在应用方面，水润滑轴承能够改变一些在恶劣环境中工作的机械机构（如泵、风机等），使这些机械结构在设计、制造、安装和维修方面更加简单，同时提高其使用寿命和生产效率，节约贵重有色金属材料，经济效益显著。随着应用研究的不断进步，相信水润滑轴承的研究与应用将会取得长足的发展。
