高分子材料軸承在遠洋漁船上的應用研究

萬會發(fā)，張海波，邵 峰，陳勇剛(.浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 360；.浙江舟山定海區(qū)漁船檢驗站，浙江 舟山 36000)

高分子材料軸承在遠洋漁船上的應用研究

萬會發(fā)1，張海波1，邵 峰2，陳勇剛2
(1.浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316021；2.浙江舟山定海區(qū)漁船檢驗站，浙江 舟山 316000)

文章闡述了高分子材料軸承在漁船上應用的意義，對比了幾種軸承材料的耐磨性能，介紹了高分子材料軸承在漁船上應用的優(yōu)勢，解決了高分子材料軸承在漁船上設計、安裝中需要注意的問題，并對高分子材料軸承的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析和綜述。

高分子材料軸承；遠洋漁船；水潤滑；設計安裝

隨著環(huán)境污染和能源危機問題的日益嚴重,以及可持續(xù)發(fā)展的需要,為了減少貴重金屬的消耗和滑油對水域的污染, 高分子材料軸承以其獨特的性能，得到越來越廣泛的應用，開展高分子材料艉軸承研究對于提高艉軸承的潤滑性能,延長使用壽命,減振降噪,以及實現(xiàn)“綠色航運”具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 材料及方法

1.1高分子材料軸承的主要性能

高分子材料軸承是以不同單體共聚的高分子為基礎，采用合成的稀土金屬化合物及多種改性添加劑改性,通過特殊的合成工藝制造而成的均質(zhì)聚合物。其承壓性、抗沖擊性、摩擦磨損特性優(yōu)良、自潤滑性能良好，且質(zhì)量輕、耐酸、耐堿、防腐。

高分子材料軸承的力學性能：密度，1.16 g/cm3；壓縮強度，133 MPa；壓縮模量，3 580 MPa；沖擊強度(無缺口)，90 kJ/m2；邵氏硬度(HD)，≥65；線漲系數(shù)，5.81×10-5℃-1；吸水率，0.20%(24 h)；吸水率，2.95%(672 h)；摩擦系數(shù)(水潤滑)，0.09；磨痕寬度(水潤滑)，2.20 mm；磨損率(水潤滑)，0.54×10-6mm3/(N·m)。

1.2水潤滑軸承材料性能比較

在目前的遠洋漁船中常用的軸承減摩材料主要有以下幾種：①碳石墨；②銅合金，包括鉛銅合金、鉛青銅、錫青銅、磷青銅、鋁青銅等；③鐵梨木；④橡膠制品；⑤尼龍制品；⑥高分子材料。

由于水是一種低黏度液體,在50 ℃時水的絕對黏度約為透平油黏度的1/65。而潤滑液膜的承載能力與黏度成正比,與膜厚的平方成反比。因此在其他條件都相同的情況下,為獲得相等的承載能力,則水膜的厚度僅為油膜厚度的1/8。這表明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)生軸瓦和軸頸配用材料間的相互接觸。因此,水潤滑軸承材料的耐磨性能是決定其工作性能和使用壽命的一個主要因素。因此，我們把上述6類軸承襯里材料的耐磨性做一個比較，如圖1所示。

圖1 水潤滑條件下各種軸承材料磨損對比圖

通過對比可以發(fā)現(xiàn)在同樣的水潤滑條件下，高分子材料軸承的磨損程度比其它材料要小得多，而且本身潤滑劑是水，即使萬一泄露，也不會對海洋造成污染，所以高分子材料軸承在遠洋漁船上應用前景廣闊。自2010年起，我所在舟山范圍內(nèi)設計了70條左右的遠洋魷魚釣船及金槍魚釣船，其中80%左右的船采用高分子材料軸承，通過這5年來我所持續(xù)的調(diào)查，從船東反饋的情況來看，軸承實況良好，艉軸承正常使用壽命可達5年以上，而舵軸承使用年限預計可以達到10年，得到船東的一致贊譽。

1.3高分子材料軸承的工作特點

通過以上的對比及對船東使用意見的咨詢反饋，我們得出高分子材料軸承應用在遠洋漁船上有以下優(yōu)點。

1)摩擦系數(shù)小。橡膠軸承在水潤滑條件下具有很小的摩擦系數(shù),摩擦功耗很小,因而軸頸表面磨損很小與加工良好的金屬軸承在油中的摩擦系數(shù)相近，性能非常優(yōu)越。

2)耐磨耐用耐腐蝕。由于潤滑劑是水，特制的表層橡膠材料柔軟而富有彈性,具有良好的包容性,使嵌入雜質(zhì)通過軸頸的回轉(zhuǎn)導入通水溝槽內(nèi)被潤滑水沖走。因此軸承表面摩擦很小,使得軸承壽命較長，而且可以在pH值2～11的化學液體中使用，多數(shù)有機溶劑和酸、堿、鹽以及海水、油等對其無影響。

3)機械強度大。由于橡膠材料彈性好,內(nèi)阻尼大,能夠承受較大的沖擊或穩(wěn)定載荷，在正常運轉(zhuǎn)條件下，其使用峰值承壓可以達到65 MPa，靜止峰值承壓可達81 MPa。

4)安全環(huán)保。因為高分子材料軸承采用水作為潤滑劑，萬一損壞泄漏不會對海洋造成污染。

2 高分子材料軸承的設計安裝要點

2.1高分子材料軸承的設計要點

以我所為舟山市金海遠洋漁業(yè)有限公司設計的“8.60 m型寬魷魚釣船”為例，該船在艉軸部及舵軸部均采用高分子材料軸承(圖2)。

圖2 高分子材料軸承軸系裝配圖

軸承具體參數(shù)如表1所示。

表1 軸承具體參數(shù) mm

按照加工經(jīng)驗，最低水溫t1設定5 ℃，加工溫度t2設定20 ℃，最高運轉(zhuǎn)溫度t3設定50 ℃。

2.1.1 軸承壁厚δ

軸承結(jié)構(gòu)采用圓筒形，軸承最小壁厚：

δ=0.0435D+6.35,

式中：D為軸的直徑，mm。

代入公式得：艉軸前部軸承壁厚δ1=0.043 5×280+6.35=18.530 mm；艉軸前部軸承壁厚δ2=0.043 5×290+6.35=18.965 mm；舵軸承壁厚δ3=0.043 5×210+6.35=15.485 mm。實船艉軸軸承壁厚δ1=δ2=30 mm，舵軸承壁厚δ3=20 mm，均滿足要求。

由此可知：艉軸前軸承軸殼外徑Dz1=280+30+30=340 mm；艉軸后軸承軸殼外徑Dz2=290+30+30=350 mm；舵軸承軸殼外徑Dz3=210+20+20=250 mm。

2.1.2 軸承外徑Dw

軸承外徑與軸承殼必須過盈配合：由于高分子材料冷縮性能比較大，而船用軸承工作環(huán)境溫度變化較大，為防止遇冷時軸承松動，過盈是必要的。過盈量計算如下：當溫差Δt=t2-t1=20-5=15 ℃時：

Cg=2.67×10-3Dz+0.13，

式中：Cg為軸承過盈量，mm;Dz為軸殼外徑，mm。

而軸承外徑Dw=Dz+Cg。

將各軸殼外徑代入公式得：艉軸前軸承外徑Dw1=340+2.67×10-3×340+0.13=341.04 mm；艉軸后軸承外徑Dw2=350+2.67×10-3×350+0.13=351.06 mm；舵軸承外徑Dw3=250+2.67×10-3×250+0.13=250.80 mm。所以在設計過程中必須留足上面的過盈余量。

2.1.3 軸承內(nèi)徑Dn

軸承運轉(zhuǎn)中需考慮多種因素，以防止抱軸現(xiàn)象發(fā)生，軸承內(nèi)徑由以下幾個因素確定。

1)過盈收縮量Cy與內(nèi)徑收縮百分比成以下關(guān)系。由圖3可知：艉軸前軸承過盈收縮量Cy1=Cg1×1.27=1.32 mm，艉軸后軸承過盈收縮量Cy2=Cg2×1.25=1.33 mm，舵軸承過盈收縮量Cw3=Cy3×1.21=0.96 mm。

圖3 軸承不同壁厚與殼體內(nèi)徑收縮百分比的關(guān)系圖

2)最小運轉(zhuǎn)間隙Cj=2.4×10-3D+0.32。由此公式可知艉軸前軸承運轉(zhuǎn)間隙Cj1=0.99 mm，后軸承運轉(zhuǎn)間隙Cj2=1.02 mm，舵軸承運轉(zhuǎn)間隙Cj3=0.82 mm。

3)預留水脹間隙Cs=0.01δ，δ為軸承壁厚。由此公式可知艉軸前軸承、后軸承水漲間隙Cs1=Cs2=0.30 mm，舵軸承水漲間隙Cs3=0.20 mm。

4)預留熱脹間隙Ct=2δαΔt。

式中：α為材料熱脹系數(shù)，α=8×10-5；Δt為使用最高溫度與加工溫度之差Δt=50-20=30 ℃。

艉軸前、后軸承熱脹間隙Ct1=Ct2=0.14 mm，舵軸承水漲間隙Ct3=0.10 mm。

5)軸承內(nèi)徑Dn=D+Cy+Cj+Ct+Cs。將上述計算數(shù)值代入公式得：艉軸前軸承內(nèi)徑Dn1= 280+1.32+0.99+0.30+0.14=212.75 mm；

艉軸后軸承內(nèi)徑Dn2= 290+1.33+1.02+0.30+0.14=292.79 mm；舵軸承軸承內(nèi)徑Dn3= 210+0.96+0.82+0.20+0.10=212.08 mm。

2.1.4 軸承長度L

依據(jù)《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范》(1998年)及《漁業(yè)船舶法定檢驗規(guī)則》(2000年)中“ 對海水潤滑的鐵梨木、合成橡膠或酚醛石墨基塑料后軸承和前軸承，其長度應分別不小于所要求的螺旋槳軸直徑的4倍和1.5倍”的規(guī)定及參考實船使用情況：艉軸前部軸承最小長度L1=1.5D=1.5×280=420 mm；艉軸后部軸承最小長度L2=4D=4×290=1 160 mm；舵軸承最小長度L3=1.8D=1.8×210=378 mm。

實船艉軸前部軸承長度L1=450 mm,后部軸承長度L2=1 200 mm，舵軸承長度L3=600 mm，均滿足要求。

2.2高分子材料軸承的安裝要點

1)高分子材料軸承切削性能良好，可像金屬材料一樣，采用車、銑、鏜等工藝，車削時，工件不宜夾得過緊，以防變形。

2)必須嚴格控制軸承游隙的過盈量，保證軸承與軸中心線平行且在同一水平面上，軸承長度不夠時，允許多節(jié)安裝。

3)高分子材料軸承一般采用海水進行潤滑，當用作艉軸承時必須加工流水槽，用作舵軸承時，可不必加工水槽。

4)安裝時，用干冰冷縮是最佳冷配方法，即軸承置于保溫筒內(nèi)，內(nèi)放干冰，保持1～2 h，取出時，先測量外徑，如合適則迅速將軸承推入軸承殼內(nèi)。

5)如遇軸線與軸座孔成不同柱度時，須先拉線，確定準確的偏心方法方位及偏心距，然后對軸承可用機床加工偏心，再安裝。

3 結(jié)束語

高分子材料軸承在遠洋漁船上的應用具有普遍而重要的意義，它將改變目前我國遠洋漁船長期采用鐵梨木和夾布膠木作為滑動軸承材料的歷史,并能提高使用壽命和生產(chǎn)效率,節(jié)約貴重有色金屬材料,其經(jīng)濟效益和社會效益將是十分可觀的。

In this paper,the significance is described of polymer materials bearing applied on the fishing vessel.Compared several kinds of bearing materials with their wear resistance,the advantages of polymer materials bearing are introduced on fishing vessels,which solves the design and installation issues of polymer material bearing that should be paid attention to.Analysis to current situation and reviews for status and development are given to polymer materials bearing research.

polymer materials bearing;ocean fishing vessel;water lubrication;design and installation

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.014

萬會發(fā)(1985-)，男，山東泰安人，助理工程師，大專，研究方向為節(jié)能減排。

2015-06-26