艦用水潤滑軸承材料國產(chǎn)化研究思考

涂 政

(海軍駐武漢461廠軍事代表室，湖北 武漢 430084)

0 引言

以油潤滑軸承為主的船舶推進(jìn)系統(tǒng)每年消耗大量的潤滑油，并且油泄漏污染水資源及環(huán)境日趨嚴(yán)重。這一問題，引起了各國政府的高度關(guān)注，少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)的國家投入巨額資金進(jìn)行系統(tǒng)研究其治理技術(shù)及裝備。美國政府以法律形式明確規(guī)定，禁止艉軸軸承以油潤滑的船只進(jìn)入其領(lǐng)海及內(nèi)河，以保護(hù)其水環(huán)境。長期以來，我國建造的船只基本上都采用油潤滑。若按每艘船平均每年泄漏潤滑油1.5 t計(jì)，每年泄漏潤滑油高達(dá)幾百萬噸，極其嚴(yán)重地污染了我國內(nèi)河及海域水環(huán)境，破壞了生態(tài)環(huán)境，危及到我們的生存條件。當(dāng)前，我國艦船用艉軸軸承以順應(yīng)保護(hù)環(huán)境的需要，逐步采用水潤滑軸承替代油潤滑軸承。但我國基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)相對(duì)落后，自行研制的水潤滑軸承往往因軸承材料還不能滿足艦船的使用要求，而大量采用從加拿大進(jìn)口的賽龍軸承(Thordon)或英國進(jìn)口的飛龍軸承(TENMAT)，因此研究我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水潤滑軸承材料有著十分重要的意義。

1 水潤滑軸承的特點(diǎn)

由于水具有無污染、來源廣泛、節(jié)省能源、安全等特性，是具有發(fā)展?jié)摿Φ墓ぷ鹘橘|(zhì)。因此，為了降低或減少各種摩擦副因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦、磨損、振動(dòng)、沖擊、噪聲、無功能耗、可靠性差和壽命較短等問題，節(jié)省大量油料和貴重有色金屬等戰(zhàn)略資源，凈化和保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境，利用水替代礦物油作為工作介質(zhì)的水潤滑軸承，成為高效節(jié)能與環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿，已引起人們的普遍關(guān)注。

水潤滑軸承用自然水作潤滑介質(zhì)，不需要特殊的軸承室，也不需要在強(qiáng)制潤滑條件的潤滑供給裝置。但水的粘度低，海水銹蝕作用較強(qiáng)，易引起絕大多數(shù)材料電化學(xué)腐蝕和高分子材料老化、氣蝕，使材料受到侵蝕等缺點(diǎn)。所以一般要求水潤滑軸承材料具有較高的硬度，耐磨性，耐腐蝕性，較好的表面水潤滑性和極小的吸水膨脹性等。

2 艦船用水潤滑軸承新型材料的特點(diǎn)比較

傳統(tǒng)的水潤滑軸承材料是鐵梨木。鐵梨木的木質(zhì)致密、堅(jiān)硬、相對(duì)密度大，具有自潤滑作用，曾廣泛用于船舶艉管軸承。其缺點(diǎn)是不適宜用于經(jīng)常航行在含泥沙較多水域，存在一定的水漲性，并且鐵梨木的資源日漸缺乏。為此，新型水潤滑軸承材料的開發(fā)研究主要集中在陶瓷、石墨材料、金屬材料、以橡膠為基體的高分子材料和復(fù)合聚合材料等。

2.1 陶瓷、石墨材料與金屬材料

陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、剛度高、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、比強(qiáng)度高和耐磨等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。但是陶瓷質(zhì)脆且抗振性能差，尤其是其對(duì)磨粒的嵌藏性能差，容易造成嚴(yán)重的磨粒磨損。另外，陶瓷硬度比一般金屬的硬度還高，往往容易造成艦船軸系的嚴(yán)重磨損。

石墨材料具有自潤滑性強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。但其應(yīng)用的范圍較窄，且在海水腐蝕條件下，石墨材料易引起偶件電極電位腐蝕，不宜在水面艦艇或潛艇上使用。

金屬材料耐磨性好，彈性系數(shù)大、硬度高，但對(duì)負(fù)荷的緩沖性差，難于形成水膜，不適用于流體潤滑條件。由于金屬易腐蝕，因此用作水下潤滑軸承的金屬大多是青銅、高強(qiáng)度黃銅和鋁青銅等傳統(tǒng)材料，至今未有突破。

2.2 改性橡膠材料

以橡膠為基體的高分子材料，繼承了基體的高彈性和良好的吸振性能，而且加工工藝性能好，有著良好的摩擦磨損、抗磨粒磨損和疲勞磨損等性能，尤其是以丁腈橡膠為基本的材料，其吸振性能、化學(xué)穩(wěn)定性能好，非常適合于用作水潤滑軸承材料，并且橡膠軸承對(duì)泥沙不敏感，緩沖抑振等優(yōu)點(diǎn)使其在工作條件越惡劣越能顯示出優(yōu)越性。但橡膠軸承的承載能力不高，導(dǎo)熱性較差，同時(shí)易于產(chǎn)生低速噪聲的缺點(diǎn)，因此橡膠改性是水潤滑軸承的主要發(fā)展方向。

當(dāng)前，有研究在軸承基體材料中，加入填充劑、促進(jìn)劑，利用納米技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化，或由丙烯酸脂與不飽合化合物共聚形成的一種新型特種丙烯酸脂橡膠，以提高橡膠的物理性能，延長使用壽命。但目前仍處于研究階段，尚未大范圍應(yīng)用于工程實(shí)踐。

2.3 復(fù)合聚合材料

復(fù)合增強(qiáng)聚合材料是目前比較受推崇的水潤滑軸承材料，可取代銅合金，典型代表是加拿大的賽龍(Thordon)或英國的飛龍(TENMAT)。

賽龍材料是合成樹脂和合成橡膠技術(shù)的混合物，由3次元交叉結(jié)晶熱凝性樹脂制造而成的聚合物，屬于一種非金屬的高分子化合材料。賽龍軸承在污水、腐蝕性環(huán)境中工作，有良好的抗震性，較高的耐磨損性，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

飛龍材料是一系列編織酚醛樹脂纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料，具有良好的抗磨損性能、機(jī)械強(qiáng)度高、工作溫度范圍廣、摩擦系數(shù)低、無滑動(dòng)粘附現(xiàn)象、低水脹和熱脹性等優(yōu)點(diǎn)。

目前，賽龍和飛龍兩型軸承已廣泛用于船舶、水電站、核電站、各種泵類、礦山機(jī)械等領(lǐng)域。在船舶方面，全世界已有超過近萬艘船舶安裝了這兩型軸承，以其耐磨、抗腐蝕、高承載力、不怕油水混合和對(duì)泥沙雜質(zhì)不敏感等一系列特點(diǎn)而明顯優(yōu)于其他傳統(tǒng)水潤滑軸承。

3 國內(nèi)研制艦船用水潤滑軸承材料的思考

水是一種低粘度液體，在20℃時(shí)水的絕對(duì)粘度約為透平油粘度的1/65。而潤滑液膜的承載能力與粘度成正比，與膜厚的平方成反比。因此在其他條件都相同的情況下，為獲得相同的承載能力，則水膜的厚度僅為油膜厚度的1/8。但水膜不易形成，不能產(chǎn)生流體潤滑效果，造成水潤滑軸承承載能力比較低，而且很有可能在非流體摩擦工況下工作，容易產(chǎn)生軸瓦與軸頸的直接接觸而發(fā)生摩擦磨損。因此，水潤滑軸承材料的性能是決定其工作性能和使用壽命的一個(gè)重要因素，研究和應(yīng)用新材料是水潤滑軸承發(fā)展的一個(gè)重要方向。尋找開發(fā)研制立足國內(nèi)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水潤滑材料，系統(tǒng)考慮各種因素對(duì)水潤滑軸承的影響，是確保水潤滑軸承安全可靠運(yùn)行的重要途徑。

通過近幾年實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，感到針對(duì)以水作為工作介質(zhì)的水潤滑軸承研制和應(yīng)用急需在以下方向取得突破:

(1)水潤滑軸承在含泥沙水質(zhì)、高比壓、邊界潤滑和干摩擦等工況條件下的摩擦磨損特性與潤滑機(jī)理及減摩方法研究。

(2)適用于含沙水質(zhì)、邊界潤滑、干摩擦和高比壓等工況下的水潤滑軸承材料配方、結(jié)構(gòu)研究，包括:改性橡膠、酚醛基復(fù)合材料、新型尼龍、特殊聚胺脂等水潤滑材料。

(3)水潤滑軸承材料的先進(jìn)制造、成型及加工的關(guān)鍵技術(shù)研究。

(4)適用于任何工況條件的各種大中型水面艦艇、水下潛艇的水潤滑軸承、水潤滑動(dòng)密封軸承系列產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)有研究。

節(jié)約能源，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的主題之一，關(guān)系到國家的長遠(yuǎn)利益。新型水潤滑軸承的逐步推廣應(yīng)用，將改變長期以來機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念，不僅節(jié)省大量油料和貴重有色金屬，而且簡化了軸系結(jié)構(gòu)，避免因油泄漏污染水環(huán)境，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將十分可觀。相信在不久的將來，水潤滑軸承的研究與應(yīng)用會(huì)得到長足的發(fā)展。