具備溫度感知的船用智能水潤滑尾軸承設計及性能驗證

薛恩馳 郭智威 袁成清

1.武漢理工大學交通物流工程學院，武漢，4300632.國家水運安全工程技術研究中心可靠性工程研究所，武漢，430063

0 引言

隨著全球價值鏈的產生，各國資源與生產鏈正在世界范圍內優化配置，“一國制造”逐漸被“世界制造”取代，貨物貿易的龐大海洋運輸需求日益提高[1]。然而，中國近海海域受季風影響，海洋環境呈現鮮明的季節特征，冬春兩季海表溫度不穩定性增強，極易發生如赤潮、海洋熱浪等生態災難[2]。此外，全球變暖使得北極冰層逐漸融化，北極航道通航條件日趨成熟，大大促進了極地船舶的需求與發展[3]。復雜多變的海洋環境與日益增長的極端環境工作需求對船舶的可靠性要求日益提高。

水潤滑尾軸承是船舶推進系統的重要組成部分，其故障往往導致整個推進系統的崩潰。雖然水潤滑軸承的壽命一般可達十年以上，但每年依然有許多船舶事故是因其失效引起的[4]。由于水的黏度遠小于汽輪機油的黏度，軸承內形成的水潤滑膜厚度較小，承載能力較差。此外，極端的海洋環境與苛刻的工況是造成事故的重要原因，例如，極地環境的低溫與冰載荷[5]、生物附著[6]、泥沙顆粒侵入[4]、水潤滑軸承承受的交變應力與振動[7]等。這些因素會極大地影響水潤滑軸承的水膜形成，造成邊界潤滑甚至干摩擦，從而導致材料表面附著力增大，進一步惡化材料間潤滑，最終影響水潤滑軸承的摩擦因數，縮短軸承有效工作壽命，甚至造成軸承的碳化與失效[8-9]。

苛刻工況下水潤滑軸承表面可靠性問題也難以解決，提高水潤滑軸承散熱與潤滑性能是目前的主要方法。如設置表面紋理和縱向凹槽以促進水膜形成[8]，混入添加劑(如微膠囊[10]、聚乙烯蠟[11])以提高材料潤滑性能等。水潤滑軸承壽命評估是另一種有效方法。如通過軸承磨損數據擬合其有效壽命[12]，建立軸承疲勞壽命與載荷的關系等[13]。雖然這些方法可以進一步提高水潤滑軸承性能，但針對不同的海洋極端環境，仍然缺少足夠的軸承試驗和實船數據驗證[14]。

為了解決苛刻工況下軸承可靠性問題，在其運行時實時監測是一個有效的解決方法。但是目前的監測手段往往需要較大的外置傳感器，監測往往需要停機。目前對于傳統軸承，可將不同傳感組件集成至軸承內部從而對其進行實時監測與性能評價，這種軸承被稱為智能軸承。目前傳統智能軸承已經逐漸成熟，部分產品已投入使用，如SKF公司的智能軸承、舍弗勒集團的FAG-Variosense軸承等[15]。但是，由于水潤滑軸承的工作環境完全被水覆蓋，傳統的外掛式傳感器無法在水下正常工作，所以關于智能水潤滑軸承的相關研究較少。

本文在船用智能水潤滑尾軸承設計的基礎上,使用摩擦磨損試驗機模擬水潤滑軸承實際工作環境，在試驗工況下對智能水潤滑軸承試樣進行實時溫度監測，以綜合分析溫升速度、溫升量等數據反映軸承表面性能與提高其可靠性的能力。

1 智能水潤滑軸承設計概述

由于水潤滑軸承的工作環境被水覆蓋，將傳感器嵌入軸承內部幾乎是唯一可行的辦法。但是，水潤滑軸承對可靠性要求極高，如何在不降低水潤滑軸承摩擦性能與可靠性的前提下嵌入溫度傳感器是一個挑戰。先在軸承表面或側面開孔，將各類傳感器嵌入后填補孔洞是一個選擇。但是，使用實體填充物易在填充物與孔洞交接處形成裂紋，水流進裂紋后形成的液壓將會進一步擴大裂紋并最終導致失效[16]。使用增材制造是另一種更為可靠的填補方法，但是該工藝容易導致殘余應力、應力集中和分層等問題，暫時仍然無法制造高可靠性材料[17]。所以，在水潤滑軸承成形過程中直接將傳感器嵌入是目前唯一可行的方法，并已經在部分研究中使用[18]。如圖1所示，水潤滑軸承一般采用澆鑄或熱壓的方式成形，因此在成形過程中，將溫度傳感器嵌入水潤滑軸承材料中，可實現在不影響材料機械與摩擦性能前提下的傳感器嵌入。

圖1 溫度監測裝置的嵌入

為了保證水潤滑軸承的可靠性，選擇合適的傳感器布置點是智能水潤滑軸承設計的關鍵步驟。過大或過多的傳感器會增加生產工藝的復雜度，加大制造誤差，降低軸承質量。由于傳感器監測范圍有限，因此最易發生磨損的位置會成為最佳監測點。由于軸系尾端螺旋槳的懸臂作用，尾端往往承受較大的載荷，也更容易磨損，如圖2所示，因此它成為了最優的監測點。

圖2 動力軸彎曲變形

除了傳感器的布置位置外，傳感器的供電與信號傳輸也至關重要。水潤滑軸承的最佳監測點不僅被水環境覆蓋，還會因轉軸與軸承的不同心情況受到持續的沖擊，因此使用外接電源或傳感器幾乎是無法實現的，將監測設備嵌入水潤滑軸承內部幾乎是唯一的選擇。目前，已有很多相關研究制造了微型乃至納米級發電機以將壓力[19]、摩擦力[20]或熱能[21]轉換成電能，從而為微型低功耗芯片供電。基于此，將此類換能裝置、無線天線和溫度監測裝置結合，設計微型自供電監測裝置，并將其嵌入水潤滑軸承內部，是一種設計智能水潤滑軸承的有效方案，如圖3所示。

圖3 智能水潤滑軸承示意圖

2 試驗設置

由于水潤滑軸承的失效主要由船舶啟停時潤滑狀況惡劣導致的高溫引起，因此為驗證上述智能水潤滑軸承的可行性，本文在實船測試前采用水潤滑軸承試塊模擬船舶尾軸的水潤滑軸承與銅合金襯套的摩擦磨損情況，并在不同潤滑條件下對其內部溫度進行持續監測，初步建立軸承運行狀況與溫度的關系。

2.1 試樣的制備

本次試驗選用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作為智能水潤滑軸承試樣的原材料。與其他橡膠或聚合物相比，UHMWPE擁有出色的自潤滑性能、優異的耐磨性和抗疲勞性，以及較低的吸水率，在眾多水潤滑軸承相關研究中被選作原材料。

本次試驗選用170萬平均相對分子質量的UHMWPE來制作水潤滑軸承試樣。首先使用注射機在220℃下將UHMWPE顆粒加工成圓環試樣，其內徑為18 mm，外徑為30 mm，厚度為10 mm；隨后使用車床在距離圓環表面4 mm處開設4 mm深直徑為2 mm的圓孔；然后將K型熱電偶放入圓孔中，并使用圓柱型橡膠密封圓孔并固定熱電偶，如圖4所示。

圖4 智能水潤滑軸承試樣

2.2 摩擦試驗

由于尾軸套主要由銅合金材料制成，故試驗使用QSn7-0.2錫青銅盤與智能水潤滑軸承試驗對摩，銅盤內徑為16 mm，外徑為32 mm，厚度為10 mm。合金的主要成分如表1所示。摩擦副的實際接觸面積為452.39 mm2。在進行實際摩擦試驗之前將試驗試樣與銅盤表面拋光至0.4 μm。

表1 QSn7-0.2 錫青銅盤主要成分(質量分數)

為模擬實際工作條件下水潤滑軸承溫度的變化，使用CBZ-1摩擦磨損試驗機對智能水潤滑軸承試樣進行面接觸摩擦學測試。本試驗機模擬了船舶水潤滑軸承的實際工作情況，以此來保證水潤滑條件，如圖5所示。試驗前，用定位銷將試樣固定在試驗機底座上。試驗中，將銅盤與試樣表面接觸并滑動，其等效旋轉半徑為12 mm。LabVIEW系統自動記錄試驗轉速、摩擦副壓力和扭矩數據，采樣頻率為1 Hz。摩擦因數可通過下式計算：

圖5 摩擦磨損試驗機

μ=T/(rF)

(1)

式中，T為扭矩,N·m;r為等效旋轉半徑,m;F為載荷,N。

此外，在摩擦試驗中，使用便攜式測溫儀表記錄由熱電偶采集的試樣內部溫度信號，測量分辨力為0.01 ℃，精度為±0.1 ℃，采樣頻率為1 Hz。

為了探尋不同工況下試樣的溫度變化趨勢，分別在干摩擦、水潤滑情況下進行摩擦磨損試驗，轉速分別為150 r/min(11.304 m/min)和250 r/min(18.840 m/min)。法向固定載荷分別為0.5 MPa(225 N)和0.7MPa(315 N)。當溫度變化趨勢基本穩定后停止試驗，水潤滑條件下，每個試樣的摩擦試驗持續2 h，使用28±1 ℃的蒸餾水作為潤滑介質。干摩擦條件下，每個試樣的摩擦試驗持續1 h或至試樣失效，試驗時空氣溫度為29±1 ℃。

3 試驗結果

3.1 水潤滑試驗結果

圖6展示了水潤滑條件下4種不同工況下摩擦因數與溫度的變化情況。圖中藍色實線表示距試樣表面4 mm處的溫度變化情況，紅色虛線表示試樣表面的摩擦因數變化情況,淡紅色陰影表示摩擦因數的誤差線。溫度區間為26～34 ℃，由于水膜的形成，摩擦因數區間僅為0.06～0.18。溫度與摩擦因數在2 h中共采集7200組數據。

從圖6中可以看出，摩擦試驗首先經過了約15 min的磨合期，磨合期內摩擦因數波動劇烈，但總體呈減小趨勢。磨合期后摩擦因數趨于穩定，在各種工況下皆穩定在0.8～0.9區間中。

(a)轉速n=150 r/min, 載荷p=0.5 MPa

溫度的上升總體呈對數函數趨勢。在試驗初期溫度上升劇烈，前5 min內溫升值分別為0.6 ℃，0.86 ℃，0.93 ℃和1.58 ℃。可以看出，轉速與載荷皆會影響溫升速度，大載荷與高速度會導致更快的升溫速度。隨著試驗的進行，試樣表面的高溫逐步向內部傳遞，溫度上升速度明顯減慢，試樣的發熱與散熱幾乎平衡，在試驗的最后30 min內，溫升值分別為0.23 ℃，0.2 ℃，0.23 ℃，0.2 ℃。在不同工況下，試驗末期的溫度上升速度幾乎相同,因此不同工況下試驗中的最終溫升分別為1.61 ℃，2.42 ℃，5.49 ℃和5.85 ℃。雖然高轉速與大載荷可以使得總的溫度上升值提高，但其影響主要在試驗初期，試驗末期溫升速度十分緩慢。

3.2 極端條件試驗結果

雖然水潤滑軸承的工作環境在水下，但在高載、低速或海洋生物等影響下依然會產生潤滑不良的極端情況，導致水潤滑軸承有效壽命縮短甚至軸承失效，因此可使用干摩擦試驗來模擬潤滑不良的極端情況，與水潤滑條件作對比。

圖7展示了干摩擦條件下4種不同工況下摩擦因數與溫度的變化情況。由于干摩擦時溫度與摩擦因數較大，溫度區間修改為20～80 ℃，摩擦因數區間修改為0.15～0.43。溫度與摩擦因數在1 h中共采集3600組數據。

從圖7可以看出，干摩擦下溫度上升趨勢與水潤滑下類似，但上升速度明顯加快，且磨合期存在的時間更短，僅約5 min。這是因為干摩擦使得磨粒的產生速度加快，從而更好地促進了轉移膜的形成。與水潤滑情況下相比，干摩擦條件下摩擦因數有顯著增大，在試樣未失效時穩定在0.12～0.18區間中。

(a)轉速n=150 r/min, 載荷p=0.5 MPa

在高速高載(n=250 r/min，p=0.7 MPa)的超載工況下，幾乎無法觀測到磨合期的存在，這可能是因磨損過大導致的。隨著試驗的進行，試樣溫度顯著升高，摩擦因數逐步增大。試驗中無法形成穩定的摩擦，材料振動劇烈，試驗誤差增大。隨著溫度的進一步升高，溫度上升速度變慢，但摩擦因數大幅增大，這是由于試樣表面開始液化，液化過程中材料大量吸熱導致的，此時距試樣表面4 mm處的溫度約為55 ℃。隨后，在約950 s時，溫度達到臨界溫度，試驗表面材料徹底液化，摩擦因數到達頂峰，此時試樣內溫度約為65 ℃。溫度達到臨界溫度后，溫度上升速度再次加快，摩擦因數開始出現小幅減小。最終因試樣失效而提前停止試驗，摩擦因數穩定在0.26，溫度穩定在72 ℃。在其他的相關試驗中[12，22]可以觀察到與本試驗相似的過程與結論。

3.3 試驗結果對比與分析

(a)試驗初期升溫速度

從上述數據可以看出，轉速與載荷對溫度的影響很小，但潤滑條件對溫度的影響顯著,不同潤滑狀態下的溫度數據有明顯分界。因此，表2整理了不同階段工況下試樣的溫度參考值。通過將實際溫度與參考值進行比較，可以了解船舶在實際航行各個階段的潤滑情況，并根據需要進行載荷與速度的調整，提高水潤滑軸承壽命。此外，當溫度超過參考值后，水潤滑軸承將面臨失效的風險，操作人員可根據需要進行工況調整甚至臨時停機，以避免災難性事故發生。

表2 不同階段溫度參考值

4 結論

(1)復雜的海洋環境時刻威脅著水潤滑軸承的可靠性，將微型自供電監測裝置嵌入水潤滑軸承內襯中，實時監測它的各項數據，進而輔助船舶尾軸系統在苛刻環境下的運行狀態監測與性能預測，是解決此問題的有效方法之一。

(2)軸承內部溫度會隨著外界軸承工況的不同產生較為明顯的差距。其中，轉速與載荷對其影響較小，潤滑條件對其影響顯著。

(3)常溫水潤滑試驗條件下，軸承試樣啟動時的軸承升溫速度為0.1～0.4 ℃/min，平穩運行時升溫速度為0～0.01 ℃/min，平穩運行時溫度為29～33 ℃。而在常溫干摩擦條件下，軸承試樣啟動時軸承溫升速度為0.6～1.4 ℃/min，平穩運行時升溫速度為0.03～0.25 ℃/min，平穩運行時溫度為36～45 ℃。不同潤滑狀態下的溫度數據有明顯分界。