水潤(rùn)滑艉軸承高分子內(nèi)襯材料摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究

李軍華，李良才，劉 宇

(1.海軍工程大學(xué)，武漢430033;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064;3.中國(guó)船級(jí)社江蘇分社，南京210000)

軸承材料對(duì)軸承的使用性能有重要的影響。近年來(lái)，除橡膠材料外，越來(lái)越多的高分子材料，如英國(guó)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(yīng)用到水潤(rùn)滑軸承中。但我國(guó)的船舶水潤(rùn)滑尾軸承材料在一定程度上還要依賴進(jìn)口［1-3］。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)橡膠以及橡膠的衍生物如丁睛橡膠等都做了大量研究，發(fā)現(xiàn)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(hào))，進(jìn)行材料性能實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上，開展這3種材料艉軸承樣件臺(tái)架試驗(yàn)，從中推薦用作實(shí)船水潤(rùn)滑尾軸承的內(nèi)襯材料。

1 高分子材料摩擦磨損試驗(yàn)

3種高分子材料屬性見表1。

表1 材料屬性

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)塊試樣:外徑50 mm、內(nèi)徑40 mm、厚度8 mm。對(duì)應(yīng)的摩擦副材料為錫青銅ZQSn10Zn2。試驗(yàn)在萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

材料試驗(yàn)包括干摩擦試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)。干摩擦試驗(yàn)的最低轉(zhuǎn)速n為30 r/min;磨損試驗(yàn)在干摩擦條件下進(jìn)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(yàn)載荷150 N，轉(zhuǎn)速300 r/min。

3種材料試樣分別在載荷100 N，轉(zhuǎn)速為40～500 r/min下干摩擦試驗(yàn)。干摩擦試驗(yàn)包括干摩擦系數(shù)-轉(zhuǎn)速與干摩擦系數(shù)-載荷兩部分。試驗(yàn)結(jié)果分別見圖1、2所示。

1.2 結(jié)果分析

1)在干摩擦試驗(yàn)中，在相同載荷下(100 N)，3種材料的干摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加;在相同轉(zhuǎn)速時(shí)，A型材料試樣的干摩擦系數(shù)最小，B和C型材料的干摩擦系數(shù)接近。這是因?yàn)樵诟赡Σ燎闆r下，潤(rùn)滑表面之間不存在液膜，轉(zhuǎn)速的提高并不能改善潤(rùn)滑效果，反而導(dǎo)致摩擦副產(chǎn)生大量的摩擦熱，材料的硬度和強(qiáng)度降低，摩擦系數(shù)上升。在這種情況下，只有材料的自潤(rùn)滑功能才能改善其潤(rùn)滑性能，降低摩擦系數(shù)。

2)在干摩擦試驗(yàn)中，在相同轉(zhuǎn)速(300 r/min)下，3種材料的干摩擦系數(shù)隨著載荷的提高而下降;當(dāng)載荷相同時(shí)，A型材料的干摩擦系數(shù)最小，B和C型材料的干摩擦系數(shù)接近。由此可見隨著載荷的增加，材料的變形加大，實(shí)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(shù)均變小。

為比較3種材料的耐磨性能，在載荷150 N，轉(zhuǎn)速300 r/min下，分別進(jìn)行3 h的磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，在3 h的磨損試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，A型材料的單位時(shí)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(yàn)結(jié)果

干摩擦實(shí)驗(yàn)、磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，A型材料的摩擦學(xué)性能較好。

2 高分子材料臺(tái)架摩擦性能試驗(yàn)

由于材料試樣與艉軸承實(shí)際結(jié)構(gòu)差別過(guò)大，為了使試驗(yàn)結(jié)果更能反映實(shí)船艉軸承工作性能。有必要進(jìn)行高分子材料臺(tái)架摩擦性能試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)所需的艉軸承樣件分別由3種高分子材料制成，其結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)分別見圖3和表3。

圖3 高分子材料軸承結(jié)構(gòu)示意

表3 軸承的基本參數(shù)

2.1 艉軸承試驗(yàn)臺(tái)架

水潤(rùn)滑艉軸承試驗(yàn)在尾軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，見圖4。試驗(yàn)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(yàn)機(jī)

變頻電機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，采用液壓系統(tǒng)在軸承的中間施加徑向荷載。艉軸承潤(rùn)滑介質(zhì)為清水，水溫與流量根據(jù)試驗(yàn)大綱規(guī)定要求控制。摩擦力矩與試驗(yàn)轉(zhuǎn)速應(yīng)用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀進(jìn)行測(cè)量，并用計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，通過(guò)摩擦力矩、軸承半徑和載荷求得摩擦力與摩擦系數(shù)。

2.2 速度特性試驗(yàn)

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(shí)，測(cè)試軸旋轉(zhuǎn)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(shí)的摩擦系數(shù)。

圖5～7為摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 A型材料軸承f-v曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)比壓相同?？傮w上看，在相同的比壓下，3小后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。在0.5～2.0 m/s速度范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)隨著速度的升高急劇下降。這是因?yàn)榈退傧?，軸承與軸之間尚未完全被水膜分隔開，部分區(qū)域直接接觸，處于半干摩擦或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑狀況較差，摩擦系數(shù)較大;在2～4 m/s速度范圍內(nèi)，隨著速度的升高摩擦系數(shù)緩慢下降，這是由于速度的提高，潤(rùn)滑狀態(tài)得到逐步改善，水膜厚度加大，但此時(shí)水膜厚度還不足以形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，仍處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，因此摩擦系數(shù)減小的幅度也不大;當(dāng)速度高于4 m/s時(shí)，動(dòng)壓潤(rùn)滑形成，軸與軸承脫離接觸，軸承的摩擦系數(shù)主要受水膜內(nèi)摩擦決定。這時(shí)三者的水膜較厚，摩擦系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。但是在低壓(0.1 MPa)、高速(7 m/s以上)下，出現(xiàn)摩擦系數(shù)明顯上升趨勢(shì)，這是由于水膜厚度的增加，流體內(nèi)摩擦增強(qiáng)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(shù)總體上是隨著比壓的升高而減小。

在0～2 m/s速度范圍內(nèi)，當(dāng)線速度相同時(shí)，隨比壓的升高，摩擦系數(shù)下降的幅度較大。

在2～10 m/s速度范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)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(shù)在減小。

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

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，A型材料性能較好。

3 結(jié)論

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

2)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，3種材料的尾軸承摩擦系數(shù)均隨著速度的上升而下降，但當(dāng)速度高于7 m/s時(shí)則略有上升。在轉(zhuǎn)速相同時(shí)，隨著比壓的提高摩擦系數(shù)減小。

3)A型材料試樣的單位時(shí)間磨損量分別為B型的33%，C型的20%，耐磨性能最好;臺(tái)架試驗(yàn)的摩擦系數(shù)也低于B、C型材料，可推薦進(jìn)行實(shí)船考核試驗(yàn)。

［1］梁 強(qiáng).船用水潤(rùn)滑軸承數(shù)值計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，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(zhàn).水潤(rùn)滑軸承的摩擦磨損性能及潤(rùn)滑機(jī)理的研究［D］.重慶:重慶大學(xué).2003，4.

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

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

［7］李 杰.耐磨酚醛塑料摩擦學(xué)性能研究與應(yīng)用［D］.重慶:重慶大學(xué)，2008.

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