橡膠材料在水潤滑軸承中的應用現狀及展望

張保生，楊 軍，，呂秀鳳，丁行武，王 虎，歐陽武，梁興鑫，譚高輝

（1.湖南弘輝科技有限公司，湖南 株洲 412007；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430000）

傳統的油潤滑軸承以金屬為襯套、以潤滑油為潤滑介質，不僅消耗了潤滑油和金屬資源，而且由于軸承密封技術的復雜性極易導致潤滑油泄漏，污染航行水域，特別是對于潛艇而言，一旦出現潤滑油泄漏將會暴露行蹤，喪失或降低戰斗能力。此外，油潤滑軸承還存在油密封系統復雜、能耗大等問題。

水潤滑軸承以水作為潤滑和冷卻介質，避免了油潤滑帶來的污染問題，同時具有輔助系統配置簡單和系統可靠性高等優勢，因此在船舶推進系統等領域得到了廣泛應用[1-5]。但若其結構（見圖1）和材料的設計選型不當則極易造成振動異常、摩擦噪聲大、局部磨損大等問題。王磊等[6]在水潤滑軸承的摩擦噪聲特征分析中指出，在軸承系統啟動、停車及低轉速運行時，軸承部位存在人耳可聽見的摩擦噪聲，部分時段軸承系統有明顯振感。振動和噪聲是水潤滑軸承亟需解決的關鍵問題。

圖1 水潤滑軸承典型結構示意

對于水潤滑軸承而言，液體潤滑是最佳的工作狀態。但是，由于水潤滑軸承存在啟動、停車和變換軸轉速等多種運轉工況，部分工況下水潤滑軸承無法形成液體潤滑，致使軸與軸承的對應部位會產生摩擦，甚至出現不同程度的磨損。為了保證軸承的正常工作和一定的使用壽命，耐磨材料的設計和選擇至關重要。從水潤滑軸承的發展歷程可知，用于制作水潤滑軸承的非金屬材料包括天然生長的鐵梨木，人工合成的橡膠、塑料或改性高分子材料，陶瓷等無機硬質材料，其性能特點如表1所示[7-8]。

表1 水潤滑軸承常用非金屬材料的性能特點

橡膠材料具有吸振降噪、抗沖擊性能優異、可設計性強等優點，同時不污染水域且來源豐富。本文主要介紹橡膠材料在水潤滑軸承中的作用機理、應用現狀及發展方向。

1 橡膠材料在水潤滑軸承中的作用機理

以水作為潤滑劑始于早期的船用推進器，技術人員在設計時采用水潤滑巴氏合金軸承，但效果極不理想，軸承的磨損率非常高。隨后技術人員發現了一種天然材料硬質鐵梨木，將鐵梨木按板條結構進行加工并組裝到軸套后進行測試，在水潤滑條件下鐵梨木軸承運轉得相當理想。由于硬質鐵梨木的減振效果優異，20世紀40—60年代鐵梨木在水潤滑軸承中得到了大量應用。隨著造船業的發展，軸承材料的需求量大幅增加，而樹木的成長需要固定的周期，因此造成鐵梨木難以滿足工業需求，且天然木質材料價格昂貴，極大地限制了軸承產品的發展[9]。同時，鐵梨木的自身性能也存在缺陷，如在長期使用過程中有水膨脹性，干摩擦時易出現開裂和扭曲等現象，無法滿足目前艦船服役要求，因此各國學者開展了橡膠等其他高分子材料的研究以期進行替代。

橡膠材料因其獨特的高彈性，在受到軸承自身質量、高低速加載等外力影響時可以自適應，起到承載和恢復彈性變形的作用。橡膠的彈性允許砂礫和污垢壓入其表面，從而保護軸承免受劃痕。調整配方中的填充體系可以使膠料的硬度處于一個較寬的范圍內，通過剛度自調節，實現橡膠材料剛度與軸承結構設計相匹配，減小或避免共振，從源頭上解決振動異常現象。另外，橡膠材料通過增加納米補強材料和合理設計硫化體系，可以實現高耐磨，滿足長壽命水潤滑軸承的需要。因此對橡膠材料的研究是開發高性能水潤滑軸承的重要方向。

2 橡膠材料在水潤滑軸承中的應用現狀

2.1 天然橡膠（NR）

NR具有較好的彈性和加工性能，廣泛應用于船舶減振等多個領域[10]。水潤滑軸承需要考慮橡膠與金屬外套的粘結，金屬外套通過簡單的噴砂、清洗、涂覆膠粘劑等處理后，即可實現與NR的一體硫化成型。

美國對NR在水潤滑軸承中的應用研究較早，并于20世紀40年代實現了水潤滑NR軸承在艦船上的廣泛應用。但由于NR分子鏈結構中存在大量的不飽和碳-碳雙鍵，長期使用過程中極易受到氧原子攻擊，吸氧量增加會引發氧化反應，導致分子鏈斷裂，致使橡膠材料老化變硬，從而失去減振能力。

為解決NR長期使用的老化問題，歐美等發達國家率先開展了合成橡膠材料在水潤滑軸承中的應用研究，并進行了橡膠材料的改性和新材料的應用推廣工作，其中丁腈橡膠（NBR）和聚氨酯（PU）材料表現出較為優異的效果。

2.2 NBR

NBR是由丁二烯與丙烯腈經乳液共聚而成的高分子彈性體，屬于非結晶性無定形聚合物。NBR因含有較強極性的側氰基，可與水結合產生氫鍵，有利于在橡膠表面形成水膜，非常適合作為水潤滑軸承材料。

美國海軍與科研機構、企業聯合開展了高耐磨NBR材料的研究，同時結合鏡面工藝提高NBR硫化膠的表面光潔度，實現了低摩擦因數水潤滑軸承的開發，摩擦因數可低至0.001，為推進軸承系統的安靜運行提供了有力保障，NBR軸承在美國海軍艦船和潛艇上得到了大量應用。英國Icon Polymer公司與阿斯頓大學聯合開展了NBR材料的研究，通過加入聚四氟乙烯（PTFE）提高了NBR材料的摩擦和耐磨性能，并利用該材料進行了產品加工和實測驗證，結果表明添加PTFE的NBR軸承具有優異的干摩擦性能以及在污水環境中的耐磨性能。目前該公司推出的新型Silverline/Aqualine系列水潤滑NBR軸承在軍用艦船上得到了認可，同時也在民用船舶領域得到了廣泛應用。美國固特異公司通過添加石墨、PTFE、二硫化鈷等潤滑材料研制了高耐磨NBR材料。B.BHUSHAN[11]對膠料硬度與水潤滑軸承噪聲的相關性進行了研究，認為硬度是水潤滑橡膠軸承產生噪聲的一個重要因素，膠料硬度越小，軸承越容易產生噪聲。這主要是因為軟質NBR具有較小的遲滯性，更易發生粘滑，因此軸承容易產生噪聲，這對軸承設計具有一定的指導意義。

國內多家科研院所和企業也對NBR在軸承中的應用進行了研究。試驗結果表明：通過添加二硫化鉬、石墨等無機自潤滑材料，能夠明顯改善水潤滑軸承的摩擦性能，特別是在低轉速工況下；采用邵爾A型硬度為85度的NBR膠料制備的水潤滑軸承表現出較好的使用效果，其在臺架試驗中未出現異常噪聲及損壞現象。

湖南弘輝科技有限公司通過特殊配方設計開發了具有較好的物理性能和親水性能的NBR材料（如表2所示）。利用該材料研發了一種板條式NBR軸承，NBR材料具有較小的摩擦因數，在0.25 MPa的比壓下摩擦因數可低至0.017，臺架試驗后軸承產品狀態較好（見圖3），且未出現鳴音現象。

表2 NBR材料的性能

圖3 臺架試驗后水潤滑軸承的表面形態

2.3 橡膠合金材料

歐美及日本等發達國家率先開展了NBR的改性與橡膠合金在水潤滑軸承中的應用研究。美國Duramax Marine公司將NBR與一些特殊成分混合并與超高相對分子質量聚乙烯（UHMW-PE）復合，制備了一種易滑聚合物合金（SPA）材料，基于SPA材料生產的水潤滑軸承充分發揮了NBR與UHMW-PE的優點，具有極優的抗沖擊、耐磨、自潤滑性能及承載能力。產品測試結果表明，水潤滑軸承工作的比壓高達1.65 MPa，磨損量幾乎可以忽略，尤其適用于泥沙含量較高的沿海與內河航行環境。

此外，德國KTR、美國Morse、日本Mikasa與Kemel等公司也在NBR材料的功能改進、成型工藝等方面開展了深入研究，開發了各具特色的水潤滑橡膠軸承產品，其廣泛應用于船舶領域。

為提高水潤滑軸承的承載能力，彭晉民等[12]以NBR為基體，通過加入多種填充劑、促進劑等制備了耐摩擦磨損、耐磨粒磨損和耐疲勞性能良好的塑料合金材料；同時考察了納米氧化鋅用量對塑料合金性能的影響，試驗結果如表3所示。

表3 納米氧化鋅用量對塑料合金性能的影響

從表3可以看出：隨著納米氧化鋅用量的增大，塑料合金的密度、硬度和拉伸強度總體增大；當納米氧化鋅用量為2份時，塑料合金的滑動摩擦因數最小。

2.4 PU

PU由聚酯（或聚醚）與二異氰酸酯類化合物縮聚而成。該類聚合物由硬段和軟段組成，通過改變原料的組成和相對分子質量以及原料配比來調節材料的力學強度、彈性、模量以及耐疲勞和耐磨性能等。PU具有優異的力學強度和耐磨性能。加拿大賽龍公司利用PU的這一特性，將其應用于水潤滑軸承，通過與酚醛樹脂艉管軸承進行實船對比測試，證實PU材料具有優異的耐磨性能。

值得注意的是，PU材料的耐熱性差，滯后損失大，絕大多數PU的最高使用溫度不能超過80 ℃，因此在長時間、干摩擦等使用工況條件下應慎用或禁用PU軸承。這一現象也在實船運行中得到了證實，如在某電力推進軸承系統試驗平臺測試中發現PU軸承存在磨損嚴重和振動噪聲過大等問題。

3 展望及建議

目前我國水潤滑橡膠軸承的研究和應用規模與國外海洋強國相比仍有明顯差距，亟需解決以下問題。

（1）水膜的建立是實現橡膠軸承低摩擦的關鍵，因此需對水膜的建立及親水性橡膠材料進行深入研究。

（2）橡膠材料的耐磨性能對軸承的使用壽命至關重要，需從膠種選擇及配合體系入手，多維度地開展高耐磨NBR材料的研究。

（3）為滿足水潤滑軸承耐磨和減振等性能要求，一般需要將橡膠材料與金屬、特種塑料或復合材料進行結合，異質材料間的結合力尤為關鍵，需通過界面活化技術實現異質材料之間的高強度粘合，確保軸承產品的功能性和使用安全性。

（4）工作面的平整度和粗糙度對摩擦特性有較大影響，需從橡膠材料和工藝制造角度實現工作面的光潔平整。

（5）水潤滑軸承摩擦噪聲的產生與軸承結構、材料、加載特性及運行工況等因素有關，需對摩擦機理進行深入研究，從源頭上避免和降低噪聲。