極地運行環境對水潤滑軸承材料摩擦學性能影響研究

2022-10-18 12:06:30徐起秀郭智威袁成清

艦船科學技術 2022年18期

徐起秀，王裕，郭智威，袁成清

(武漢理工大學國家水運安全工程技術研究中心可靠性工程研究所，湖北武漢 430063)

0 引言

近年來，受經濟全球化的影響航運業發生了巨大的改變，尤其是北極航線的開通使其航線航程比傳統路徑縮短了三分之一，除此之外，北極航線還具有較為重要的戰略價值。全球氣候變暖使得北極水域作為連接中歐的最短航運通道成為可能，據美國統計局數據顯示，北冰洋中部的海冰將在夏天融化，表面海水溫度將常年維持在-1.5℃-0℃。隨著全球對北極地區探索熱情的逐步增高，對適用于極地航行船舶的需求也日益增加。

隨著時代的進步，節能減排與綠色環保的呼聲日益高漲，船舶軸系涉及的摩擦學問題逐漸得到深入研究。由于石油資源的不斷減少與近年來對環境的保護重視，傳統油潤滑軸承在船舶工業領域逐漸被水潤滑軸承取代以減少或消除其對環境造成的污染。不僅如此，南北極作為地球最后一片凈土，防止該地區海洋環境污染是航路船舶義不容辭的責任和義務，因此大多選擇環保型的水潤滑軸承作為極地航道船舶尾軸承。船舶水潤滑尾軸承的工作條件較為惡劣，既要承受來自螺旋槳轉動時的不均勻負荷及產生的振動，又要承受尾軸和螺旋槳自身具備的重量，同時水域質量（泥沙濃度、顆粒大小等）、水域溫度和天氣變化等環境因素對水潤滑尾軸承的正常運行也有很大影響。

為探究船舶水潤滑軸承材料在極地地區運行環境的摩擦磨損性能，本文選取聚氨酯、賽龍和超高分子量聚乙烯3種典型船舶水潤滑軸承材料進行對比研究。超高分子量聚乙烯由于其硬度高、親水性好、自潤滑性好、摩擦系數小以及在水潤滑環境下具備優異的耐磨性能，使其成為潛在制作船舶尾軸承的良好材料。賽龍軸承材料是由三次元交叉結晶熱凝性樹脂制造的聚合物，具備機械強度高、抗腐蝕性能好和耐磨損特性強等優點。聚氨酯彈性體材料是一種高性能“人造橡膠”，其彈性性能介于塑料和橡膠之間，具有耐油、耐磨、耐低溫、耐老化、彈性強等優點，逐漸成為水潤滑軸承領域的熱門材料。目前對水潤滑軸承材料的研究大多局限于常規海域航行的船舶，很少有關于極地運行環境下對水潤滑軸承材料的摩擦學性能的研究。本文以極地運行船舶的水潤滑軸承為研究對象，探究水潤滑軸承材料在極地運行環境下的摩擦磨損，為極地工況下水潤滑軸承材料的選型試驗參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗銷試樣為PU，SR和UHMWPE，其規格均為6 mm × 20 mm，如圖1（a）所示。目前船舶尾軸承軸套采用錫青銅QSn7-0.2較多，因而銷試樣的摩擦副選用錫青銅盤QSn7-0.2以更好地還原運行工況，試樣加工為圓盤狀，其外觀如圖1（b）所示，成分組成如表1所示。以美國海軍水潤滑軸承標準MIL-DTL-17901C中的測試要求為依據，在進行摩擦試驗之前，使用拋光機對錫青銅盤和銷試樣的表面依次用240目、600目和1 000目砂紙進行拋光處理至表面粗糙度為0.8±0.05 μm。銷試樣位于離圓盤中心偏心11 mm處，試樣尺寸及摩擦副示意圖如圖2所示，摩擦副外徑為30 mm，內孔為9 mm，厚度為8 mm。

1.2 試驗裝置

圖1 試驗試樣Fig. 1 Test samples

表1 QSn7-0.2 錫青銅盤主要成分的質量分數Tab. 1 Mass fraction of main element of QSn7-0.2disc (wt%).

圖2 試樣尺寸及摩擦副示意圖Fig. 2 Test samples and schematic of sliding wear testing.

圖3為低溫腔室內部結構原理圖，盤14和銷15分別固定在旋轉軸13和固定軸4的前端，試驗流體通過軸上的流道5注入試驗腔室。低溫設備（FP89-HL，USA）通過增壓將循環冷卻介質酒精泵至銅管22中，通過銅管中冷卻液的循環對低溫腔室6進行冷卻，使試驗腔室內液體溫度達到試驗溫度。數字溫度傳感器18安裝在低溫腔中，并對腔室溫度進行實時監測，銅盤固定在旋轉軸上，試驗的旋轉軸通過伺服電機11驅動，通過驅動控制器控制旋轉速度，銷通過銷夾具固定在推力軸上，推力軸由推力彈簧推動并使銷與銅盤進行對磨試驗。輪輻式壓力傳感器1用以監測試驗壓力，扭矩傳感器9（測量誤差：±5%）用以測量試驗扭矩。每次試驗過后收集樣品并清潔和干燥試驗腔室。

1.3 試驗設計

由于海水中成分復雜，同時受泥沙等不確定因素的影響，所以采用蒸餾水代替海水。進行3組對比試驗，分別研究PU，SR和UHMWPE等3種材料在20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑3種工況下銷盤摩擦副的摩擦學性能并對其影響機理進行分析。

摩擦磨損試驗均在定載荷、定轉速下進行。參照美國海軍水潤滑軸承 MIL-DTL-17901C 測試標準，試驗比壓選用0.5 MPa（對應壓力為14.14 N），轉速設定為250 r/min（對應滑動速度為0.288 m/s）。試驗過程中，每次試驗均使用一組全新的水潤滑材料試樣和QSn7-0.2銅盤試樣，同時為保證試樣磨損數據的可靠性，每組試驗進行2 h不停機試驗，且所有試驗均進行2次重復性試驗。在磨損試驗中，每隔5 min對摩擦系數進行一次采集，每次試驗最終得到24組試驗數據。同時，使用掃描電子顯微鏡（VEGA3 TESCAN）來檢查測試后磨損表面的微觀結構，用精度為0.1 mg的電子天平測量3種材料磨損后的失重。

圖3 試驗設備Fig. 3 Test equipment

試驗過程中通過傳感器動態檢測扭矩、載荷，由式 (1) 計算材料摩擦因數：

式中：為摩擦系數；為扭矩，N·m；為半徑，m；為載荷，N。

2 結果與討論

2.1 摩擦系數分析

圖4為在比壓0.5 MPa，轉速250 r/min條件下，PU，SR和UHMWPE等3種材料在不同工況下的平均摩擦系數。其中20W代表20℃水潤滑；0W代表0℃水潤滑；-1.5W代表-1.5℃水潤滑。不同材料在不同工況下表現出了明顯區別。其中UHMWPE的摩擦系數均低于PU和SR，在常溫水潤滑工況下，UHMWPE、SR與PU的平均摩擦系數分別為0.13，0.36及0.28。這是由于UHMWPE材料彈性小，硬度大，其在與錫青銅盤對磨時摩擦表面擠壓變形相對較低，導致對磨副的真實接觸區域減少，且UHMWPE材料有良好的自潤滑能力，故減摩性能較優。在不同溫度工況下進行對比時，3種材料在低溫水潤滑工況下摩擦系數均有所下降，其中SR，PU與UHMWPE分別平均下降了28.5%，15.5%和14.5%。SR的下降幅度最大，說明SR在低溫水潤滑工況下表現出較好的減摩性能。由于水介質的潤滑和冷卻作用，摩擦磨損過程中的摩擦力和摩擦熱顯著減少，有效降低了磨損表面的界面溫度，一定程度上減少了塑料聚合物材料表面與摩擦界面的熱變形與熱裂紋。分析可知，低溫水潤滑條件下，其溫度較低，將更迅速地帶走摩擦材料表面所產生的熱量，一方面溫度的降低使得對磨副之間相對高速運動產生的局部黏著概率降低，改善了材料間的黏著磨損；另一方面常溫水潤滑工況下，摩擦界面間由于產熱使得溫度較高，一定程度上使潤滑水膜部分揮發，而低溫水潤滑工況下，摩擦界面間溫度相對較低，降低了潤滑水膜的揮發概率從而提高了其摩擦性能。雖然-1.5℃水潤滑的摩擦系數較0℃水潤滑工況下變化不明顯，但仍存在一定降低，進一步論證了低溫對材料摩擦性能的提升作用。

圖4 不同工況下的平均摩擦因數Fig. 4 Average friction coefficient under different condition

圖5為0℃水潤滑工況下，PU，SR和UHMWPE等3種材料在摩擦試驗過程中摩擦系數μ隨時間的變化曲線。可知，在0℃水潤滑工況下，3種材料的摩擦系數均隨著試驗的進行而增加，PU，SR和UHMWPE等3種材料中，UHMWPE材料的摩擦系數在0℃水潤滑工況下最低。其中PU材料的摩擦系數在初始時呈現急劇上升趨勢，說明在初始階段PU磨損較為嚴重，試樣表面逐漸粗糙，經過一段時間磨合后，PU的摩擦系數趨于穩定。SR材料和UHMWPE材料相對來說摩擦系數波動不大，但有少量上升的趨勢，上升的原因可能是隨著試驗的進行，UHMWPE材料和SR材料試樣磨損加劇，試樣表面變粗糙度上升，因此摩擦系數逐漸增大。

圖5 3種材料在0 ℃水潤滑工況下摩擦系數μ隨時間 t的變化曲線Fig. 5 Variation of friction coefficient against time of three kinds of materials under 0 ℃ water lubrication

綜合比較，3種材料中UHMWPE在20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑3種工況下的耐磨性能均最優；相比于常溫水潤滑工況，0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑均提高了PU，SR和UHMWPE等3種材料的摩擦性能。

2.2 磨損性能分析

為考察20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑3種不同工況對材料磨損性能的影響，在試驗前后用精度為0.1mg的電子天平對3種材料的質量進行測取并計算其失重量。圖6給出了不同材料在不同工況下的磨損量，其中在常溫水潤滑工況下，3種材料的磨損量分別為3.65，2.9和0.35mg?？芍?，3種工況下UHMWPE的磨損量均明顯低于其他2種材料，說明UHMWPE具有較強的抗磨損能力。由于UHMWPE的硬度最高，相對于其他2種材料其摩擦副表面的抗擠壓能力最優，摩擦副的摩擦力對其表面的切向分量也較小，故抗磨損性能較強。

圖6 不同工況下的磨損量Fig. 6 Wear mass under different condition

PU，SR和UHMWPE等3種材料在0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑工況下抗磨能力均比常溫水潤滑有所下降。在0℃水潤滑時，PU，SR和UHMWPE等3種材料的磨損量分別為3.3，2.15和0.27，相較于常溫水潤滑工況分別下降了10.8%，25.9%和22.9%。

分析可知，一方面隨著溫度降低，由于聚合物分子鏈的運動能力減弱，不易從基體剝離，因此PU，SR和UHMWPE等3種材料的磨損量均得到一定降低。另一方面，常溫水潤滑工況下對磨副間的溫度較高，一定程度上使潤滑水膜部分揮發，使接觸面形成邊界潤滑甚至干摩擦，摩擦環境不斷惡化，因此在0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑工況下，PU，SR和UHMWPE等3種材料的磨損率均較低。

3 摩擦磨損機理分析

為進一步分析PU，SR和UHMWPE等3種材料的摩擦磨損機理，使用掃描電子顯微鏡對3種材料在20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑工況下磨損后的表面形貌進行掃描分析，結果如圖7所示。常溫水潤滑工況下，PU材料表面在摩擦磨損后的磨損比較嚴重，（見圖7（a）），磨損面有大量的磨粒剝落和撕裂破壞，這是由于PU材料硬度較低所致，其在摩擦過程中產生了大量摩擦熱，導致磨損表面發生了明顯的熱塑性變形，故摩擦面表層在剪切力的重復作用下產生裂紋、撕裂并有磨粒剝落現象。其主要磨損形成為黏著磨損和磨粒磨損。在0℃水潤滑工況下，PU材料磨損表面的磨損程度和常溫相比有明顯下降，可以看到磨損過程中材料表面的裂紋和撕裂的長度和寬度都有所降低，剝落的磨粒也大幅度減少，PU材料的黏著磨損和磨粒磨損均有所減弱，（見圖7（b））。在溫度更低的-1.5℃水潤滑工況下PU材料的黏著磨損和磨粒磨損進一步減弱，（見圖7（c））所示。原因則是在低溫水潤滑工況下材料表面所產生的熱量能被迅速帶走，溫度的降低使得對磨副相對高速切向運動產生的局部黏著概率降低，改善了材料間的黏著磨損。同時由于常溫水潤滑工況下材料摩擦表面磨粒剝落轉移現象嚴重，粘附于銅盤表面形成微凸起并在后續摩擦過程中充當磨粒，使材料表面磨粒磨損加劇，而在低溫工況下由于溫度較低，其僅在轉移過程中在對磨副表面形成一層轉移膜，使其具備更好的摩擦學性能。

圖7 3種材料在3種工況下磨損表面SEM圖像Fig. 7 SEM micrographs of three materials under three conditions

在20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑3種不同工況下，UHMWPE相對于PU和SR材料，其磨損表面磨痕較少，表面相對光滑，常溫水潤滑工況下，其磨損表面出現了部分垂直于滑動方向的貫通裂紋和少量剝落的疲勞顆粒（見圖7（d）），主要表現為少量磨粒磨損和黏著磨損，這是由于UHMWPE硬度相對較大，導致其磨損表面并未出現嚴重的塑性變形、拉伸和撕裂現象。同時在低溫水潤滑工況下，材料表面產生垂直滑動方向上的貫通犁溝減少，基本上沒有由于黏著磨損而產生的剝落現象（見圖7（e）～圖7（f）），這進一步表明低溫水潤滑有利于改善材料的摩擦磨損性能。

對于SR材料，在常溫水潤滑工況下可以明顯觀察到規則的圓形凹坑（見圖7（g）），造成這種現象的原因是軸承材料在摩擦過程中由于摩擦熱而導致粘結力下降，包裹在基體中的填料由于基體粘結力的下降而大量脫落，因此在基體表面產生大量的細小裂紋和孔洞，在循環載荷的作用下，賽龍軸承材料表面產生的循環應力超出了材料的強度，從而產生微小的裂紋并在循環應力的作用下不斷擴展，經過一段時間后發生斷裂形成

剝落凹坑，并且對磨副之間的高接觸壓力在其相互作用表面產生了局部材料剝落，這些凹坑和局部材料剝落（見圖7（g））構成了疲勞磨損。同時SR表面有許多不連續狀的裂縫，并且伴有嚴重的塑性變形和剝落跡象（見圖7（g）），表現為黏著磨損。更進一步說明了低溫水潤滑對材料的摩擦學性能的提升作用。在低溫水潤滑工況下，摩擦過程產生的摩擦熱減少，這種圓形凹坑數量和尺寸均有所下降，溫度的降低使得對磨副相對高速切向運動產生的局部黏著概率降低，改善了材料間的黏著磨損（見圖7（h）～圖7（i））。