模拟海洋环境下新型水润滑尾轴承材料摩擦性能

模拟海洋环境下新型水润滑尾轴承材料摩擦性能
盛晨兴;吴祖旻;姜松;郭智威
【摘要】利用高密度聚乙烯与不同浓度愈创树脂混合制备系列新型水润滑尾轴承材料,在CBZ-1摩擦磨损试验机上考察其在模拟海洋环境下的摩擦性能,对比分析不同配比材料摩擦因数和磨损量以及磨损表面形貌的变化情况.结果表明,在高密度聚乙烯中加入适量的愈创树脂可很好地改善材料的自润滑性能,且随着愈创树脂含量的增加,材料的摩擦因数和磨损率先减小后增加,这是因为愈创树脂在摩擦过程中会因受热软化分泌出一定量的油脂,有助于摩擦副表面水膜的形成,从而提高材料的摩擦磨损性能;适量愈创树脂的加入可以有效降低材料的表面粗糙度,改善摩擦副的表面性能,从而提高材料的工作稳定性.%New materials of water lubricated bearing was prepared by polyethylene with different concentration of the guaiacum resin,and their friction and wear performances were investigated on the CBZ-1 friction and wear test machine under the simulated marine environment.The friction coefficient,wear mass loss and the surface morphology of the materials with different concentration of guaiacum resin were analyzed.The results show that the self-lubricating properties of the materials are perfectly improved by adding some guaitacum into polyethylene.With the increasing of the content of guaiacum resin,the friction coefficient and wear rate of the materials are first decreased and then increased,for the guaiacum resin can produce a certain amount of grease due to thermal softening during the friction process,which contributes to the formation of water film in the surface of friction pair and improves the friction and wear properties of the materials.The addition of
appropriate guaiacum resin can effectively reduce the surface roughness
of the materials and improve the surface performance of friction
pair,thereby improving the working stability of the materials.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2017(042)004
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】海洋环境;水润滑轴承;愈创树脂;摩擦性能
【作者】盛晨兴;吴祖旻;姜松;郭智威
【作者单位】武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室湖北武汉430063;国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所湖北武汉430063;武
汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室湖北武汉430063;国家水运安
全工程技术研究中心可靠性工程研究所湖北武汉430063;武汉理工大学船舶动力
工程技术交通行业重点实验室湖北武汉430063;国家水运安全工程技术研究中心
可靠性工程研究所湖北武汉430063;武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重
点实验室湖北武汉430063;国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所湖北武汉430063
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.1
近年来，水润滑尾轴承被广泛地运用于各种类型的船舶，其具有优秀的工作可靠性、耐磨性、耐腐蚀性以及良好的抗冲击性。

水作为尾轴承的润滑介质，不仅具有成本低、环保、安全、取之不尽用之不竭等优点，同时还可以有效解决船舶航行时的滑
油油污轨迹的问题。

水润滑尾轴承在降低船舶污染指标的同时，解决了油污轨迹暴露船舶行踪的问题，这对于军舰而言，具有十分重要的战略意义[1-3]。

根据相关研究，70%的船舶尾轴承与尾轴的失效是由于摩擦磨损造成的。

水润滑
尾轴承虽具有良好的润滑性能，但这是建立在供水充足并形成压力水膜层的基础上,而在船舶尾轴启停瞬间以及低速重载时，会因供水不足的问题而导致水润滑尾轴承与尾轴之间产生干摩擦情况，这将大大加速尾轴及尾轴承的磨损从而缩短其寿命[4]。

目前对尾轴承的研究多集中在橡胶尾轴承，研究方向还没有涉及材料的自润
滑性能，且试验研究多是在纯净水为润滑介质的条件下进行的，难以反映船舶在海洋中航行时轴承工作的性能[5-10]。

拥有自润滑性能的材料可以有效缓解尾轴承在供水不足的情况下出现的干摩擦和磨损，而在模拟的海洋环境下研究水润滑尾轴承的性能可为新型水润滑尾轴承材料的开发提供试验基础。

愈创树脂为一种油性树脂，其在受热的情况下会分泌一定量的油脂进入摩擦副之间，辅助润滑水膜的形成，从而改善材料的摩擦磨损性能。

本文作者以高密度聚乙烯为基体，在其中加入一定量的愈创树脂，制成新型水润滑尾轴承材料。

同时模拟尾轴承与尾轴在海洋中的工作条件，对其摩擦磨损性能进行了试验研究，旨在为自润滑材料的研究以及改善水润滑轴承的摩擦磨损性能提供试验基础。

试验材料为以高密度聚乙烯为基体，加入一定量愈创树脂的新型水润滑尾轴承材料。

制备方法：将干燥后的愈创树脂按照一定比例(质量分数分别为0.5%、1%和3%)
加入到高密度聚乙烯(5000S)中，经过混合、熔料、挤出、水冷、风干后切粒制成颗粒混合物，然后将制成的颗粒通过注塑和机械加工得到3组不同愈创树脂含量
的试样。

同时制备1组不含愈创树脂的聚乙烯试样进行对比试验。

各试样的物理性能如表1所示。

其中，拉伸强度的测试依据GB/T 1040，检测时
拉伸速率为50 mm/min；弯曲强度的检测依据GB/T 9341，检测时弯曲速率为2 mm/min，挠度为6 mm；简直梁缺口冲击强度测试依据GB/T 1043.2，检测条
件为5.5 J摆锤，该性能主要反映材料抗冲击能力；密度的检测方法为A法(浸渍法)。

表1显示，随着愈创树脂含量的增加，试样的弯曲强度以及冲击韧性有所下降，但其拉伸强度有所提高。

综合来看，新型材料的物理性能符合要求。

采用一定含量的氯化钠溶液来模拟船舶尾轴承与尾轴的工作环境，根据相关资料，入海口处海水表面的平均氯化钠质量分数约为1.714%，海洋海水的平均氯化钠质量分数为3.5%[11]。

因此，试验分别配制了质量分数分别为1.714%、3.5%的氯
化钠溶液。

同时，为了更好地研究氯化钠含量对材料摩擦磨损性能的影响，试验还配制了一组较高质量分数的氯化钠溶液，即质量分数5%的氯化钠溶液。

同时，调节室内温度为20～22 ℃以模拟海洋上大气温度；使用水介质温控系统保持模拟液温度为3.8 ℃左右以模拟海水温度；向空气中喷洒质量分数为3.5%的氯化钠溶液
以模拟海洋大气环境[12]。

试验使用的CBZ-1摩擦磨损试验机如图1所示[13]。

该试验机由主机旋转系统、
控制与采集系统以及水介质温控系统3部分组成。

试验机的最大加载为500 N，
最低转速为50 r/min，最高转速为1 800 r/min，且在转速低于300 r/min，会
使用辅助小电机，以保证试验数据的精度。

试验时，试件浸泡在氯化钠溶液中，铜制摩擦体在变频电机的带动下与试件进行摩擦试验。

试验过程中，水介质温控系统控制海洋模拟液的温度，控制与采集系统实时采集材料摩擦因数、转矩等试验数据。

为了验证材料在低速重载时的摩擦磨损性能，试验转速设计为试验机最低的50
r/min。

根据美国军标，试验最大载荷为93 N，考虑到试验过程中，载荷会有一
定量的波动，试验载荷设计为88 N，每个试验材料将进行135 min的摩擦试验，控制与采集系统每隔1 s采集一次试验数据。

使用电子天秤对试验前后的材料进行称量，计算材料的磨损量。

使用LI型激光干涉式表面轮廓测量仪对试验材料以及
铜盘表面形貌进行分析。

在不同盐水介质润滑下材料的摩擦因数随试验时间的变化情况如图2所示。

可知，
各材料的摩擦因数随着试验时间增加先缓慢上升最后保持稳定。

愈创树脂含量不同的材料摩擦因数也有着一定的区别，其中愈创树脂质量分数为0.5%的材料在不同盐水介质中的摩擦因数均为最低。

不同试验条件下各材料在稳定后的摩擦因数如表2所示。

可见，随着愈创树脂含量的增加，材料的摩擦因数先减小后增加。

当愈创树脂质量分数为0.5%时，材料的摩擦因数最小。

这是由于愈创树脂是一种油性树脂，在高密度聚乙烯中添加愈创树脂后，愈创树脂在摩擦过程中会因受热软化，分泌出一定量的油脂并产生流动倾向。

当油脂流入摩擦副表面时，有助于摩擦副表面水膜的形成，改善了材料的摩擦性能，降低了摩擦因数，起到一定的自润滑效果。

但是当愈创树脂质量分数增加到3%时材料的摩擦因数反而增加，这主要是由以下2个原因造成：(1)愈创树脂含量过高会导致造粒过程中高分子聚乙烯与愈创树脂混合不均匀，影响愈创树脂的自润滑性能的发挥；(2)愈创树脂含量过高导致材料的物理性能有所下降(见表1)，且材料表面粗糙度及颗粒变大，影响了材料的摩擦性能。

不同试验条件下各材料的磨损量如表3所示。

可见，各材料的磨损量随愈创树脂含量的变化情况与摩擦因数的变化情况较为接近，也是先减少后增加。

愈创树脂质量分数为0.5%的材料磨损量最小，这主要是由于磨损量与材料的摩擦因数关系很大，一般认为摩擦因数变小，磨损量也会随之变小。

除外愈创树脂含量过高会导致材料物理性能降低，进而致使材料在试验过程中更容易出现界面脱黏，也会加剧材料的磨损。

由表3还可看出，在盐水含量较高时，含有愈创树脂材料的磨损量均小于不含愈创树脂的高密度聚乙烯材料，这表明在盐水含量较高时，愈创树脂可以有效地提高高密度聚乙烯材料的耐腐蚀性。

试验材料选择中心进行表面形貌测量。

因为盐质量分数为5%的溶液更能反应材料在长时间工作后的表面状况，所以选择在质量分数为5%的氯化钠溶液中试验后的
各材料进行表面形貌分析。

图3为各材料在质量分数为5%的盐水中试验后的3D
表面形貌图。

由图3可见，不同愈创树脂含量的材料的表面形貌有着较大的区别。

其中，愈创
树脂质量分数为0.5%时，试验后材料表面的波谷较高，波峰较低，整体起伏较小，表面比较平整；愈创树脂质量分数为3.0%时，材料表面的波峰波谷较多，起伏较大，材料表面较为粗糙。

选取Sq、Sku、Sds3个参数对材料表面形貌进行分析。

这3个参数可以很好地表征材料的表面形貌，其中Sq为材料表面均方根偏差，其反应了材料表面轮廓偏离程度，其值越低表示材料表面高低起伏越低；Sku为陡峭度，其反应了材料表面高度分布的平缓程度，其值越低代表材料表面高度分布约平坦；Sds为表面峰顶密度，其反应了单位面积内材料波峰的个数，直接反应了材料的表面平整程度，其值越高表面平整度越好。

各材料的表面形貌参数如表4所示。

由表4可见，Sq与Sku随着愈创树脂含量的增加先减后增，Sq在愈创树脂质量
分数为0.5%时达到最低，Sku在愈创树脂质量分数为1.0%时达到最低，这是由
于愈创树脂具有一定的自润滑性能，促进了摩擦副之间水膜的形成，改善了水润滑尾轴承在低速重载情况下难以形成良好的水膜的状况，改善了摩擦副的工作环境，使得试验后材料的波峰和波谷较为平缓。

表3中含有愈创树脂的材料的Sds值基
本相同，而高密度聚乙烯材料的Sds值高于含有愈创树脂的材料，这是由于在愈
创树脂不能很好地和高密度聚乙烯混合，从而影响了材料的表面形貌，使得材料平整度降低，这对材料的摩擦性能有一定的影响。

(1) 在高密度聚乙烯中加入适量的愈创树脂可使材料拥有自润滑性能，随着愈创树脂含量的增加，材料的摩擦因数和磨损率先减小后增加。

这是因为愈创树脂在摩擦过程中会因受热软化，分泌出一定量的油脂并产生流动倾向，当油脂流入摩擦副表面时，有助于摩擦副表面水膜的形成，从而提高材料的摩擦磨损性能。

(2)试验后材料的表面形貌分析表明，在高密度聚乙烯中加入适量的愈创树脂可以
有效降低材料的表面粗糙度，改善摩擦副的表面性能，从而提高材料的工作稳定性。