水潤滑艉軸承高分子內襯材料摩擦學性能試驗研究

李軍華，李良才，劉 宇

(1.海軍工程大學，武漢430033;2.中國艦船研究設計中心，武漢430064;3.中國船級社江蘇分社，南京210000)

軸承材料對軸承的使用性能有重要的影響。近年來，除橡膠材料外，越來越多的高分子材料，如英國的ACM、飛龍、加拿大的賽龍、日本的陶瓷等，還有其它等添加劑材料如氧化聚乙烯等被應用到水潤滑軸承中。但我國的船舶水潤滑尾軸承材料在一定程度上還要依賴進口［1-3］。

國內外很多學者對橡膠以及橡膠的衍生物如丁睛橡膠等都做了大量研究，發現橡膠在減振降噪方面有很好的效果［4-7］。

本文挑選了3種具有良好摩擦性能的高分子材料(A、B、C型號)，進行材料性能實驗，并在此基礎上，開展這3種材料艉軸承樣件臺架試驗，從中推薦用作實船水潤滑尾軸承的內襯材料。

1 高分子材料摩擦磨損試驗

3種高分子材料屬性見表1。

表1 材料屬性

1.1 試驗內容

試驗采用標準環塊試樣:外徑50 mm、內徑40 mm、厚度8 mm。對應的摩擦副材料為錫青銅ZQSn10Zn2。試驗在萬能磨損試驗機上進行。

材料試驗包括干摩擦試驗、磨損試驗。干摩擦試驗的最低轉速n為30 r/min;磨損試驗在干摩擦條件下進行，以模擬船舶艉軸承的惡劣工況，即船舶在啟停瞬間或低速、重載下水膜難以形成的特殊工況。試驗載荷150 N，轉速300 r/min。

3種材料試樣分別在載荷100 N，轉速為40～500 r/min下干摩擦試驗。干摩擦試驗包括干摩擦系數-轉速與干摩擦系數-載荷兩部分。試驗結果分別見圖1、2所示。

1.2 結果分析

1)在干摩擦試驗中，在相同載荷下(100 N)，3種材料的干摩擦系數隨著轉速的提高而增加;在相同轉速時，A型材料試樣的干摩擦系數最小，B和C型材料的干摩擦系數接近。這是因為在干摩擦情況下，潤滑表面之間不存在液膜，轉速的提高并不能改善潤滑效果，反而導致摩擦副產生大量的摩擦熱，材料的硬度和強度降低，摩擦系數上升。在這種情況下，只有材料的自潤滑功能才能改善其潤滑性能，降低摩擦系數。

2)在干摩擦試驗中，在相同轉速(300 r/min)下，3種材料的干摩擦系數隨著載荷的提高而下降;當載荷相同時，A型材料的干摩擦系數最小，B和C型材料的干摩擦系數接近。由此可見隨著載荷的增加，材料的變形加大，實際接觸面積增加，平均接觸壓力下降，使得摩擦力和摩擦系數均變小。

為比較3種材料的耐磨性能，在載荷150 N，轉速300 r/min下，分別進行3 h的磨損試驗，試驗結果見表2。

由表2可知，在3 h的磨損試驗時間內，A型材料的單位時間磨損量分別為B型的33%，C型的20%，耐磨性能最好。

表2 耐磨試驗結果

干摩擦實驗、磨損試驗結果表明，A型材料的摩擦學性能較好。

2 高分子材料臺架摩擦性能試驗

由于材料試樣與艉軸承實際結構差別過大，為了使試驗結果更能反映實船艉軸承工作性能。有必要進行高分子材料臺架摩擦性能試驗。臺架試驗所需的艉軸承樣件分別由3種高分子材料制成，其結構及主要參數分別見圖3和表3。

圖3 高分子材料軸承結構示意

表3 軸承的基本參數

2.1 艉軸承試驗臺架

水潤滑艉軸承試驗在尾軸試驗機上進行，見圖4。試驗軸材料為45鋼，其中與尾軸承接觸的軸頸部分鑲有ZQSn10Zn2襯套。

圖4 船舶艉軸承試驗機

變頻電機帶動試驗軸轉動，采用液壓系統在軸承的中間施加徑向荷載。艉軸承潤滑介質為清水，水溫與流量根據試驗大綱規定要求控制。摩擦力矩與試驗轉速應用轉矩轉速儀進行測量，并用計算機中進行處理，通過摩擦力矩、軸承半徑和載荷求得摩擦力與摩擦系數。

2.2 速度特性試驗

在軸承比壓分別為p=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa，冷卻水流速為30 L/min時，測試軸旋轉線速度為v=1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 m/s時的摩擦系數。

圖5～7為摩擦系數試驗結果。

圖5 A型材料軸承f-v曲線

2.3 試驗結果分析

1)比壓相同。總體上看，在相同的比壓下，3小后趨于平穩的趨勢。在0.5～2.0 m/s速度范圍內，摩擦系數隨著速度的升高急劇下降。這是因為低速下，軸承與軸之間尚未完全被水膜分隔開，部分區域直接接觸，處于半干摩擦或邊界潤滑狀態，潤滑狀況較差，摩擦系數較大;在2～4 m/s速度范圍內，隨著速度的升高摩擦系數緩慢下降，這是由于速度的提高，潤滑狀態得到逐步改善，水膜厚度加大，但此時水膜厚度還不足以形成流體動壓潤滑，仍處于混合潤滑狀態，因此摩擦系數減小的幅度也不大;當速度高于4 m/s時，動壓潤滑形成，軸與軸承脫離接觸，軸承的摩擦系數主要受水膜內摩擦決定。這時三者的水膜較厚，摩擦系數基本趨于穩定。但是在低壓(0.1 MPa)、高速(7 m/s以上)下，出現摩擦系數明顯上升趨勢，這是由于水膜厚度的增加，流體內摩擦增強的緣故。

2)線速度相同。在相同的線速度下，3種軸承的摩擦系數總體上是隨著比壓的升高而減小。

在0～2 m/s速度范圍內，當線速度相同時，隨比壓的升高，摩擦系數下降的幅度較大。

在2～10 m/s速度范圍內，摩擦系數下降的幅度較小。在相同線速度下，隨著比壓的升高，水膜變薄，壓力流阻力和剪切流阻力增大，其變化幅度滯后于載荷的增大幅度，摩擦系數在減小。

3)在低比壓(0.1 MPa和0.2 MPa)，相同轉速下，A型材料軸承的摩擦系數較小，B和C型材料軸承的摩擦系數較大。

臺架試驗結果表明，A型材料性能較好。

3 結論

1)試樣干摩擦試驗時，3種材料的摩擦系數隨著速度的上升而增大，隨著比壓的提高而減小。

2)臺架試驗時，3種材料的尾軸承摩擦系數均隨著速度的上升而下降，但當速度高于7 m/s時則略有上升。在轉速相同時，隨著比壓的提高摩擦系數減小。

3)A型材料試樣的單位時間磨損量分別為B型的33%，C型的20%，耐磨性能最好;臺架試驗的摩擦系數也低于B、C型材料，可推薦進行實船考核試驗。

［1］梁 強.船用水潤滑軸承數值計算及結構優化［D］.武漢:武漢理工大學，2009.

［2］SHYU SHIUH-HWA，JENG YEAU-REN.An efficient general fluid-film lubrication model for plane slider bearings.［J］.Tribology Transaction，2002，45(2):161-168.

［3］DASS，GUHA SK，CHATTOPADHYAY A K.On the steady-state performance of misaligned hydrodynamic journal bearings lubricated with micropolar fluids.［J］.Tribology International，2002，35(4):211-217.

［4］陳 戰.水潤滑軸承的摩擦磨損性能及潤滑機理的研究［D］.重慶:重慶大學.2003，4.

［5］俞仲茜，廖曼青，顧海麟，等.高分子材料的水潤滑摩擦磨損特性［J］.潤滑與密封，1980(4):14-21.

［6］王優強，李鴻琦.水潤滑賽龍軸承及其潤滑性能綜述［J］.潤滑與密封，2003(1):101-104.

［7］李 杰.耐磨酚醛塑料摩擦學性能研究與應用［D］.重慶:重慶大學，2008.

［8］張文光，王家序，肖 科，等.玻纖增強改性酚醛樹脂復合材料在水潤滑軸承上的應用研究［J］.潤滑與密封，2007(9):116-118.