改性尼龍水潤滑軸承摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究*

疏 舒 何 濤 羊 慧 黃敏莉 歐陽武

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 湖北武漢 430205；2.江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司 江蘇靖江 214500；3.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 湖北武漢 430063)

作為艦艇推進(jìn)系統(tǒng)的重要功能保障部件，水潤滑艉軸承摩擦學(xué)性能直接影響航行安全性。由于螺旋槳的懸臂作用以及軸系安裝對中不良，艉軸承的實(shí)際承載面積遠(yuǎn)小于名義承載面積，產(chǎn)生了嚴(yán)重的邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致局部比壓過高、摩擦力變化較大、潤滑狀態(tài)惡化。尤其是當(dāng)艉軸承在低速、重載、主機(jī)頻繁啟停、正反轉(zhuǎn)交替的特殊工況下，軸承很難在短時(shí)間內(nèi)建立潤滑水膜，軸承潤滑性能變差，摩擦、磨損嚴(yán)重，振鳴音加大[1]。此外，水的黏度很低，承載能力較弱，在惡劣的工況下不易形成有效的流體動(dòng)壓潤滑[2]，磨損、噪聲及承載能力低已經(jīng)成為困擾艉軸承研制技術(shù)的主要問題。

自20世紀(jì)50年代開始，國外的軍用艦艇開始大量使用水潤滑橡膠軸承，但有關(guān)的研究和測試結(jié)果表明，低速情況下水潤滑橡膠軸承水膜不易建立，容易產(chǎn)生摩擦噪聲[3-6]，嚴(yán)重影響艦艇隱身性能。姚世衛(wèi)等[7]通過實(shí)驗(yàn)測試證實(shí)，橡膠軸承出現(xiàn)噪聲與軸承載荷和轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系，特別是在低速重載荷的情況下易出現(xiàn)噪聲，軸承負(fù)載的均勻性對其振動(dòng)噪聲有很大影響。何琳等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子改性丁腈基橡塑復(fù)合材料作為水潤滑軸承材料，具有較高的硬度和優(yōu)良的摩擦性能，能夠滿足艦用水潤滑軸承低噪聲設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，美、英等發(fā)達(dá)國家艦艇水潤滑軸承材料逐步向腈基類合成橡膠或其他高分子化合物轉(zhuǎn)變[9-10]，這類水潤滑軸承材料與丁腈橡膠材料相比在摩擦磨損和摩擦振動(dòng)等方面的性能優(yōu)劣，尚未形成定論。盛晨興等[11]研究了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁腈橡膠(NBR)3種常用的水潤滑艉軸承材料的摩擦磨損性能，結(jié)果表明，低轉(zhuǎn)速工況下UHMWPE與PTFE的水潤滑性能近似，略高于NBR；高轉(zhuǎn)速工況下UHMWPE的水潤滑性能高于PTFE和NBR，但NBR的工作穩(wěn)定性優(yōu)于UHMWPE和PTFE。WANG和YIN[12]研究了混雜碳纖維對UHMWPE復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)混雜碳纖維填料改變了復(fù)合材料的磨損表面形貌和磨損機(jī)制，可以有效提高復(fù)合材料的耐磨性。崔旨桃等[13]將尼龍66添加到UHMWPE基體中得到共混材料，試驗(yàn)表明水潤滑條件下材料表面可形成微凸織構(gòu)，降低摩擦因數(shù)并減輕磨損。李云凱等[14]通過正交試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)在線速度1.29 m/s、載荷0.95 MPa的工況條件及完全水潤滑條件下，PA66的摩擦磨損性能達(dá)到最優(yōu)，適用于高速輕載工況下的水潤滑軸承軸瓦材料。

針對水潤滑艉軸承異常噪聲突出的問題，本文作者對新型尼龍(Polyamide，簡稱PA)材料開展摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究，并與丁腈橡膠、賽龍材料進(jìn)行性能對比；同時(shí)對PA材料制備的軸承樣機(jī)在不同比壓、轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了振動(dòng)噪聲研究，為新型靜音水潤滑艉軸承設(shè)計(jì)提供參考。

1 水潤滑PA材料摩擦學(xué)性能測試

1.1 試驗(yàn)對象及試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)材料為改性PA材料、丁腈橡膠和賽龍SXL共3種。其中，改性PA材料是以尼龍材料為基體，通過添加增強(qiáng)、增韌、減摩、親水等基團(tuán)或顆粒進(jìn)行改性，通過離心澆鑄成型。該材料的密度為1.500 g/cm3，壓縮強(qiáng)度為34.6 MPa，線性熱膨脹系數(shù)(-30～100 ℃)為3.26×10-5K-1，洛氏硬度為121HRR，表面粗糙度為0.8 μm。

在RTEC公司設(shè)計(jì)制造的MFT-5000多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，在干摩擦和水潤滑條件下測試改性PA材料的摩擦因數(shù)和磨損率。測試采用銷-盤對摩方式，對摩副參數(shù)如下：銷的直徑為4 mm，材料為GCr15軸承鋼，樣品盤尺寸為φ50 mm×10 mm，改性PA試驗(yàn)樣品盤如圖1所示。

圖1 改性PA材料樣品盤Fig.1 Modified PA material sample tray

摩擦性能試驗(yàn)工況如下：干摩擦試驗(yàn)載荷分別為1.0和1.5 MPa，速度為0.25 m/s；水潤滑試驗(yàn)載荷、速度和干摩擦試驗(yàn)工況保持一致，供水流量為5 mL/min。磨損性能試驗(yàn)時(shí)，載荷為15 MPa，可加速材料磨損。試驗(yàn)后利用三維形貌儀測定試樣磨痕深度，從而測定磨損率。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1給出了水潤滑PA材料摩擦學(xué)性能測試結(jié)果?？梢钥闯?，2種載荷下改性PA材料的干摩擦因數(shù)和水潤滑摩擦因數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另2種材料。與丁腈橡膠和賽龍SXL相比，在1.0 MPa時(shí)，改性PA材料的干摩擦因數(shù)分別減小了91.28%、47.90%，水潤滑摩擦因數(shù)分別減小了88.42%、67.15%；在1.5 MPa時(shí)，水潤滑摩擦因數(shù)分別減小了89.66%、67.35%。

表1 水潤滑PA材料摩擦學(xué)性能測試結(jié)果(線速度0.25 m/s)Table 1 Tribological performance test results of water-lubricated PA material (linear speed 0.25 m/s)

從表1可知，改性PA材料的磨損率也遠(yuǎn)低于賽龍SXL材料，減小了63.16%。

2 水潤滑PA軸承臺架試驗(yàn)

在試樣測試的基礎(chǔ)上，在武漢理工大學(xué)SSB-100型船舶艉軸試驗(yàn)臺上進(jìn)行了改性PA材料軸承原理樣機(jī)摩擦學(xué)性能試驗(yàn)，為后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)臺架及樣機(jī)

武漢理工大學(xué)SSB-100型船舶艉軸試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)部分、試驗(yàn)部分、加載部分和測試部分組成。驅(qū)動(dòng)部分為變頻電機(jī)，為軸系轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力；試驗(yàn)部分由試驗(yàn)主軸和試驗(yàn)軸承組成，主軸由45鋼制成，其軸頸鑲有ZQSn10-2襯套，襯套長為175 mm，外徑為150 mm；軸承內(nèi)徑為150.6 mm，沿周向開設(shè)3個(gè)圓弧水槽，水槽分別布置在軸承兩側(cè)和頂部，水槽半徑為63.5 mm，軸瓦厚度約為19.55 mm。加載部分采用液壓加載原理，加載方式為中間徑向加載，以保證軸承比壓均勻。測試部分主要包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、壓力表等，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀用于測試試驗(yàn)軸的摩擦力矩和轉(zhuǎn)速，壓力表提供液壓加載油缸的載荷大小。測試軸承樣機(jī)如圖3所示，其中樣機(jī)軸瓦采用改性PA材料制成。

圖2 SSB-100型船舶艉軸試驗(yàn)機(jī)Fig.2 SSB-100 marine stern tester

圖3 試驗(yàn)軸承樣機(jī)Fig.3 Test bearing prototype：(a)test bearing cross section：(b)physical view of test bearing

2.2 摩擦因數(shù)測試

在摩擦特性試驗(yàn)中，比壓分別為0.275、0.5、0.7 MPa，在不同比壓下軸承摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖4所示。從整體趨勢來看，軸承摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大呈下降的趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸增加至100 r/min左右，下降趨勢逐漸減緩，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在轉(zhuǎn)速低于100 r/min時(shí)，同轉(zhuǎn)速下軸承比壓越小，摩擦因數(shù)也就越小。在低轉(zhuǎn)速工況下，軸承承受一定載荷時(shí)，不易形成水膜，轉(zhuǎn)軸和軸承之間的潤滑狀態(tài)較差，主要為干摩擦和邊界潤滑，造成摩擦因數(shù)較大；隨著轉(zhuǎn)速升高，水膜承載能力增強(qiáng)，潤滑區(qū)域增加，潤滑狀態(tài)改善，摩擦因數(shù)減小；在轉(zhuǎn)速高于100 r/min后，軸承和軸的接觸面處于彈流動(dòng)壓潤滑狀態(tài)，相對轉(zhuǎn)動(dòng)所需的摩擦力趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)的影響很小，因此摩擦因數(shù)變化趨于平緩。

圖4 軸承摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速和載荷的變化曲線Fig.4 Variation curves of bearing friction coefficient with speed and load

由表2中不同比壓和轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)可知，各比壓下，相比低轉(zhuǎn)速，高速工況下的摩擦因數(shù)減幅高達(dá)95%以上，表明改性PA材料具有良好的親水性，由動(dòng)壓潤滑效應(yīng)形成的軸承水膜將顯著改善軸承潤滑狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于低于100 r/min的低速時(shí)，高載荷工況下軸承的摩擦因數(shù)要比低載荷工況下軸承的摩擦因數(shù)高。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于100～600 r/min的高速下，隨著載荷的變化，摩擦因數(shù)變化不明顯，表明改性PA軸承高轉(zhuǎn)速下具有良好的動(dòng)力學(xué)性能，能夠在一定外界擾動(dòng)下保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速增加，不同比壓下摩擦因數(shù)的差異也逐漸減小，可以看出轉(zhuǎn)速的增大會(huì)減小外界載荷對軸承運(yùn)行狀態(tài)的影響。這是由于改性PA材料的分子具有高結(jié)晶性和結(jié)構(gòu)規(guī)整性，本身具有良好的自潤滑性和耐磨性，其中改性所添加的顆粒具有增強(qiáng)、增韌、減摩、親水等性能，大大提高了改性PA材料的摩擦學(xué)性能。

表2 不同比壓和轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)Table 2 Friction coefficient under different specific pressure and rotating speed

2.3 摩擦振動(dòng)測試

軸承比壓保持不變，試驗(yàn)軸轉(zhuǎn)速從62 r/min 逐漸降低至10 r/min，測試軸承的振動(dòng)信號。

圖5所示為0.5 MPa工況下水平方向(X向)和豎直方向(Y向)的振動(dòng)信號。從各工況頻域信號的整體趨勢來看，PA材料的摩擦振動(dòng)能量均集中在0～400 Hz，與橡膠軸承中高頻摩擦振動(dòng)特性有較大區(qū)別[11]，豎直方向的振動(dòng)頻譜幅值均遠(yuǎn)高于水平方向，高轉(zhuǎn)速的振動(dòng)頻譜幅值均高于低轉(zhuǎn)速。0.275、0.7 MPa工況下的振動(dòng)信號規(guī)律與0.5 MPa基本一致。試驗(yàn)過程中各工況下均未發(fā)生異常振動(dòng)及噪聲，說明改性PA材料具有較好的摩擦振動(dòng)性能。

圖5 0.5 MPa下振動(dòng)測試結(jié)果Fig.5 Vibration test results at 0.5 MPa：(a)10 r/min，X-direction；(b)10 r/min，Y-direction：(c)62 r/min，X-direction；(d)62 r/min，Y-direction

3 結(jié)論

分別對新研的改性PA材料樣塊和軸承樣機(jī)進(jìn)行了摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究，獲得了不同工況下的測試對象摩擦學(xué)性能的變化數(shù)據(jù)，主要結(jié)論如下：

(1)改性PA材料干摩擦和水潤滑下的摩擦因數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于丁腈橡膠和賽龍SXL材料，驗(yàn)證了改性PA材料具有摩擦因數(shù)低、磨損小的特點(diǎn)。

(2)隨轉(zhuǎn)速增大，PA水潤滑軸承摩擦因數(shù)呈下降的趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至100 r/min左右時(shí)下降趨勢逐漸減緩，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；在轉(zhuǎn)速低于100 r/min時(shí)，同轉(zhuǎn)速下軸承比壓越小，摩擦因數(shù)也就越小。隨著轉(zhuǎn)速增加，不同比壓下PA水潤滑軸承摩擦因數(shù)的差異也逐漸減小。

(3)在測試工況下，改性PA材料水潤滑軸承未產(chǎn)生摩擦噪聲，其軸承振動(dòng)主要集中在0～400 Hz的低頻段，隨著比壓的變化，軸承振動(dòng)沒有明顯變化，未來改性PA材料艉軸承應(yīng)重點(diǎn)針對400 Hz以下進(jìn)一步開展減振降噪工作。