基于潤滑油浸潤的船舶主軸承摩擦副磨損狀態(tài)研究＊

李凱

(西安開放大學(xué)，陜西西安 710048)

1 引言

柴油機(jī)是船舶動(dòng)力推進(jìn)的重要裝置，柴油機(jī)主軸承肩負(fù)著傳輸動(dòng)力的重要使命[1]。一般來說，柴油機(jī)主軸承為滑動(dòng)軸承，要求承載能力大，潤滑性能好。實(shí)際工作中，由于潤滑油中水分浸入及滾動(dòng)摩擦顆粒的污染，往往會(huì)造成柴油機(jī)主軸承嚴(yán)重磨損甚至出現(xiàn)抱軸，從而影響船舶正常運(yùn)行。因此，對(duì)基于潤滑油浸潤的船舶主軸承摩擦副磨損狀態(tài)的研究就顯得十分有意義。

2 主軸承摩擦副故障

2.1 主軸承摩擦副磨損

近年來我國對(duì)海洋探索不斷發(fā)力，其中因主軸承潤滑不良而造成的機(jī)器故障和軸承失效約占到柴油機(jī)故障的80%以上，根據(jù)美國麻省理工大學(xué)的研究分析，造成軸承故障的原因中：固體顆粒入侵占21%，潤滑油不足、潤滑油污染占62%[2]。

理論上柴油機(jī)主軸承是在密閉潤滑油液的浸潤空間中旋轉(zhuǎn)工作，而實(shí)際上，潤滑油中混入了大量的水分，從而造成主軸承摩擦副潤滑不良，出現(xiàn)潤滑油液乳化，進(jìn)而造成硬質(zhì)顆粒摩擦脫落，出現(xiàn)嚴(yán)重磨損、抱軸等。

2.2 潤滑油水污染的影響

實(shí)驗(yàn)表明，水污染是造成潤滑油失效的重要原因，水污染會(huì)降低潤滑油的粘度，在軸承的高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，由于高溫效應(yīng)，水中分解出的氧會(huì)造成鐵基顆粒的氧化和氣蝕，致使軸承表面出現(xiàn)銹點(diǎn)，油液出現(xiàn)銹紅色[3]。

當(dāng)水分進(jìn)入潤滑油后，還會(huì)使軸承負(fù)載明顯降低，振動(dòng)增加[4]。致使軸承及軸瓦與介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)腐蝕顆粒。高速旋轉(zhuǎn)中，還會(huì)造成軸承與軸瓦的沖擊碰撞，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)產(chǎn)生極大的安全事故[5]。

3 潤滑油磨粒分析

理論上直接對(duì)船舶柴油機(jī)主軸承在線監(jiān)測(cè)是控制軸承摩擦磨損的最優(yōu)方式，然而柴油機(jī)的一體化制造及浸潤油膜的微間隙潤滑，是造成無法直接進(jìn)行信號(hào)采集的重要原因[6]。因此，對(duì)船舶柴油機(jī)主軸承的磨損監(jiān)測(cè)主要是通過對(duì)潤滑油液的檢測(cè)完成的。根據(jù)潤滑油中水分、元素含量、金屬磨粒等程度來判斷主軸承的磨損程度[7]。

3.1 磨損分類

在滾動(dòng)過程中，由于初始摩擦副峰值點(diǎn)遠(yuǎn)大于潤滑油的油膜厚度，致使兩峰點(diǎn)直接接觸，因?yàn)榻佑|面積極小，接觸力將遠(yuǎn)大于材料屈服極限，因此會(huì)發(fā)生粘著磨損，造成磨屑脫落。隨著接觸面不斷增加，外界顆粒和摩擦副自身的高低不平，會(huì)造成磨料磨損，致使在磨粒作用下，金屬表面產(chǎn)生疲勞磨損。隨著裂紋的不斷擴(kuò)大，疲勞磨損會(huì)導(dǎo)致裂紋增大，甚至產(chǎn)生顆粒剝落。在整個(gè)摩擦過程中，還會(huì)伴生外界水污染帶來的氧化磨損及腐蝕磨損，嚴(yán)重時(shí)還將對(duì)摩擦副造成沖蝕磨損[8]。

3.2 磨損計(jì)算

磨粒覆蓋面積比率：

Si：普片上第i個(gè)采樣點(diǎn)的覆蓋面積

Lx：采樣圖片長度

Ly：采樣圖片寬度

總磨損量Q

DL：大磨粒光密度相對(duì)值

DS：小磨粒光密度相對(duì)值

磨損烈度：

其中磨損烈度主要反映大磨粒的濃度變化，不反映腐蝕磨損的程度。

由于

因此，磨損烈度單獨(dú)作為磨損質(zhì)量參數(shù)的衡量指標(biāo)并不正確。

4 主軸承磨損試驗(yàn)及結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)采用MPX-2000銷—盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來模擬船舶柴油機(jī)主軸承和軸瓦接觸摩擦的工況。為獲知不同情況下主軸承的磨損的情況，實(shí)驗(yàn)中采用了不同污染程度的潤滑液。

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

通常摩擦副表面形貌將直接反應(yīng)接觸面的磨損行為，因此可以用來作為判定摩擦、磨損機(jī)理的直接依據(jù)。

為更加真實(shí)的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，軸頸材料選擇硬度較大的45 鋼，軸瓦選材料擇錫基合金(ZSnSb11Cu6)，實(shí)驗(yàn)中將45鋼制備為盤試樣φ70mm×20mm；錫基合金制備為銷試樣φ10mm×40mm。

表1 盤實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分

表2 銷試樣錫基合金化學(xué)成分

表3 150N潤滑油參數(shù)

4.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)共計(jì)設(shè)計(jì)五組，分別對(duì)應(yīng)潤滑油中未混入水、混入極少量水、中量水、大量水、極多水五種工況。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，五組實(shí)驗(yàn)的額定載荷均為500N；額定轉(zhuǎn)速300r/m。

軸承比壓：

工作轉(zhuǎn)速：

其中，銷試樣在盤試樣上相對(duì)軸心的滑動(dòng)直徑是50mm。

實(shí)驗(yàn)操作：

①調(diào)整砝碼桿至500N；

②倒入事先配置好的潤滑油；

③觀察摩擦系數(shù)曲線，在曲線穩(wěn)定之后取出第一次油樣；

④在摩擦穩(wěn)定階段，每隔兩小時(shí)取一次油樣；

⑤當(dāng)摩擦系數(shù)曲線開始大幅變化后的1 小時(shí)，取最后一次油樣；

⑥以上油樣各取三次，計(jì)算其平均值。

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，由于軸瓦硬度小于主軸承45 鋼硬度，因此，錫基合金的磨損量遠(yuǎn)大于主軸承材料，也即實(shí)驗(yàn)針對(duì)錫基合金的磨損情況進(jìn)行分析。光譜分析儀能夠根據(jù)原子所具有的獨(dú)特譜線檢測(cè)物質(zhì)中不同元素的種類及濃度。采集后的五組油樣通過光譜分析儀，選取Sn、Cu、Fe三種元素的光譜分析值作為參考量，每次測(cè)量均取3次濃度平均值。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1、圖2、圖3分別對(duì)應(yīng)五組實(shí)驗(yàn)中錫基合金Sn、Cu、Fe的磨損狀況，從三張圖中可以明顯看出初始摩擦、正常摩擦及劇烈摩擦的全過程。隨著潤滑液浸入水量的逐漸增加，金屬元素的增長率有所不同，潤滑油的磨損性能也變得越來越差。

圖1 Sn濃度曲線

圖2 Cu濃度曲線

圖3 Fe濃度曲線

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1可以看出，初始摩擦階段，實(shí)驗(yàn)2 與實(shí)驗(yàn)1 在4 小時(shí)前表現(xiàn)幾乎相同，由此說明極少量水對(duì)潤滑影響并不大，甚至?xí)纬闪己媚Σ痢８鹘M實(shí)驗(yàn)中Sn各曲線都有一段劇烈增加的過程，其主要表現(xiàn)為初始磨合中，零件表面的突峰被壓平、破碎，使Sn 元素大量進(jìn)入油液。隨著時(shí)間的推移，摩擦副進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，油液中Sn濃度增加相對(duì)減緩，進(jìn)入劇烈磨損期后，油液氧化、雜質(zhì)、磨粒剝落會(huì)使?jié)櫥托阅苓M(jìn)一步下降，各金屬元素含量顯著增加。

由圖1還可以看出，14小時(shí)時(shí)，Sn最大濃度出現(xiàn)在0.5%水分浸入的潤滑油中，而含水量更高的4 組和5 組，其Sn 濃度反而更小。這是因?yàn)楣庾V分析中，對(duì)大顆粒的測(cè)定不敏感，4組和5組已經(jīng)出現(xiàn)了顆粒剝落。

圖1表明，隨著含水量的增加，在接近劇烈摩擦階段后，水污染將對(duì)主軸承磨損起主導(dǎo)作用。實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2的正常磨損可以延后至14 小時(shí)，實(shí)驗(yàn)3 在12 小時(shí)后基本進(jìn)入劇烈摩擦階段。實(shí)驗(yàn)4與實(shí)驗(yàn)5在10小時(shí)后即進(jìn)入劇烈磨損，出現(xiàn)顆粒脫落。

圖2、圖3的表現(xiàn)與圖1大致相同，整個(gè)磨損階段均表現(xiàn)為元素含量先劇烈增加，而后出現(xiàn)緩慢增長，過了劇烈磨損階段，元素曲線又表現(xiàn)為劇烈增長。由此說明，隨著水污染的持續(xù)增加，潤滑油不僅僅表現(xiàn)為水污染影響，同時(shí)還包括細(xì)碎磨粒的作用，具體表現(xiàn)為微觀油膜破裂，致使磨粒與船舶主軸承發(fā)生金屬的劃傷及切削。

對(duì)比觀察五組實(shí)驗(yàn)下，潤滑油的顏色還可以發(fā)現(xiàn)，從純潤滑油到含水量1.5%的潤滑油，其顏色逐漸呈現(xiàn)銹紅色。主要原因在于隨著含水量的增加，軸承高速旋轉(zhuǎn)下，高溫會(huì)造成水中的氧析出發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成FE2O3 及FE3O4 的多晶團(tuán)金屬氧化物或磨粒，致使?jié)櫥阅苓M(jìn)一步下降。

隨著摩擦旋轉(zhuǎn)持續(xù)，摩擦副表面氧化層不斷脫落形成新的氧化層并依次循環(huán)。環(huán)潤滑油逐漸渾濁，繼而使主軸承摩擦副因過分疲勞產(chǎn)生顆粒剝落，造成潤滑油液體介質(zhì)的沖蝕磨損。

對(duì)比五組試樣的外觀形貌，也可以發(fā)現(xiàn)隨著水污染的增加，金屬表面劃痕逐漸密集、加深，甚至出現(xiàn)的嚴(yán)重的劃痕溝槽。

5 結(jié)束語

船舶主軸承潤滑油浸水后，隨著水量的增大，主軸承與軸瓦之間無法形成良好的潤滑效果。特別是潤滑油膜，水量越大耐磨損性能越差，油膜會(huì)隨著水量的增加無法形成包被覆膜，導(dǎo)致油膜破裂，使主軸承軸頸與軸瓦直接接觸加速磨損，甚至直接在接觸面發(fā)生剝落的顆粒磨損，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，嚴(yán)重影響船舶質(zhì)量。

初期磨損中，因潤滑膜未能充分包裹，摩擦副磨損比較劇烈。正常磨損期內(nèi)，水污染的增加會(huì)造成劇烈磨損提前，隨著浸入水分的增加，實(shí)驗(yàn)4 實(shí)驗(yàn)5 中出現(xiàn)了紅色氧化物。在劇烈磨損階段，實(shí)驗(yàn)1 可觀察到金屬表面出現(xiàn)摩擦劃痕，實(shí)驗(yàn)4 實(shí)驗(yàn)5 可以觀察到嚴(yán)重的滑動(dòng)磨粒，金屬表面出現(xiàn)嚴(yán)重的切削劃痕，還出現(xiàn)了腐蝕磨損。