極地運(yùn)行環(huán)境對(duì)水潤滑軸承材料摩擦學(xué)性能影響研究

徐起秀，王 裕，郭智威，袁成清

(武漢理工大學(xué) 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063)

0 引 言

近年來，受經(jīng)濟(jì)全球化的影響航運(yùn)業(yè)發(fā)生了巨大的改變，尤其是北極航線的開通使其航線航程比傳統(tǒng)路徑縮短了三分之一，除此之外，北極航線還具有較為重要的戰(zhàn)略價(jià)值。全球氣候變暖使得北極水域作為連接中歐的最短航運(yùn)通道成為可能，據(jù)美國統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，北冰洋中部的海冰將在夏天融化，表面海水溫度將常年維持在-1.5℃-0℃。隨著全球?qū)Ρ睒O地區(qū)探索熱情的逐步增高，對(duì)適用于極地航行船舶的需求也日益增加。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，節(jié)能減排與綠色環(huán)保的呼聲日益高漲，船舶軸系涉及的摩擦學(xué)問題逐漸得到深入研究。由于石油資源的不斷減少與近年來對(duì)環(huán)境的保護(hù)重視，傳統(tǒng)油潤滑軸承在船舶工業(yè)領(lǐng)域逐漸被水潤滑軸承取代以減少或消除其對(duì)環(huán)境造成的污染。不僅如此，南北極作為地球最后一片凈土，防止該地區(qū)海洋環(huán)境污染是航路船舶義不容辭的責(zé)任和義務(wù)，因此大多選擇環(huán)保型的水潤滑軸承作為極地航道船舶尾軸承。船舶水潤滑尾軸承的工作條件較為惡劣，既要承受來自螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的不均勻負(fù)荷及產(chǎn)生的振動(dòng)，又要承受尾軸和螺旋槳自身具備的重量，同時(shí)水域質(zhì)量（泥沙濃度、顆粒大小等）、水域溫度和天氣變化等環(huán)境因素對(duì)水潤滑尾軸承的正常運(yùn)行也有很大影響。

為探究船舶水潤滑軸承材料在極地地區(qū)運(yùn)行環(huán)境的摩擦磨損性能，本文選取聚氨酯、賽龍和超高分子量聚乙烯3種典型船舶水潤滑軸承材料進(jìn)行對(duì)比研究。超高分子量聚乙烯由于其硬度高、親水性好、自潤滑性好、摩擦系數(shù)小以及在水潤滑環(huán)境下具備優(yōu)異的耐磨性能，使其成為潛在制作船舶尾軸承的良好材料。賽龍軸承材料是由三次元交叉結(jié)晶熱凝性樹脂制造的聚合物，具備機(jī)械強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好和耐磨損特性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。聚氨酯彈性體材料是一種高性能“人造橡膠”，其彈性性能介于塑料和橡膠之間，具有耐油、耐磨、耐低溫、耐老化、彈性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為水潤滑軸承領(lǐng)域的熱門材料。目前對(duì)水潤滑軸承材料的研究大多局限于常規(guī)海域航行的船舶，很少有關(guān)于極地運(yùn)行環(huán)境下對(duì)水潤滑軸承材料的摩擦學(xué)性能的研究。本文以極地運(yùn)行船舶的水潤滑軸承為研究對(duì)象，探究水潤滑軸承材料在極地運(yùn)行環(huán)境下的摩擦磨損，為極地工況下水潤滑軸承材料的選型試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)銷試樣為PU，SR和UHMWPE，其規(guī)格均為6 mm × 20 mm，如圖1（a）所示。目前船舶尾軸承軸套采用錫青銅QSn7-0.2較多，因而銷試樣的摩擦副選用錫青銅盤QSn7-0.2以更好地還原運(yùn)行工況，試樣加工為圓盤狀，其外觀如圖1（b）所示，成分組成如表1所示。以美國海軍水潤滑軸承標(biāo)準(zhǔn)MIL-DTL-17901C中的測試要求為依據(jù)，在進(jìn)行摩擦試驗(yàn)之前，使用拋光機(jī)對(duì)錫青銅盤和銷試樣的表面依次用240目、600目和1 000目砂紙進(jìn)行拋光處理至表面粗糙度為0.8±0.05 μm。銷試樣位于離圓盤中心偏心11 mm處，試樣尺寸及摩擦副示意圖如圖2所示，摩擦副外徑為30 mm，內(nèi)孔為9 mm，厚度為8 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)試樣Fig. 1 Test samples

表1 QSn7-0.2 錫青銅盤主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab. 1 Mass fraction of main element of QSn7-0.2disc (wt%).

圖2 試樣尺寸及摩擦副示意圖Fig. 2 Test samples and schematic of sliding wear testing.

圖3為低溫腔室內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，盤14和銷15分別固定在旋轉(zhuǎn)軸13和固定軸4的前端，試驗(yàn)流體通過軸上的流道5注入試驗(yàn)腔室。低溫設(shè)備（FP89-HL，USA）通過增壓將循環(huán)冷卻介質(zhì)酒精泵至銅管22中，通過銅管中冷卻液的循環(huán)對(duì)低溫腔室6進(jìn)行冷卻，使試驗(yàn)腔室內(nèi)液體溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度。數(shù)字溫度傳感器18安裝在低溫腔中，并對(duì)腔室溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，銅盤固定在旋轉(zhuǎn)軸上，試驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)軸通過伺服電機(jī)11驅(qū)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)控制器控制旋轉(zhuǎn)速度，銷通過銷夾具固定在推力軸上，推力軸由推力彈簧推動(dòng)并使銷與銅盤進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)。輪輻式壓力傳感器1用以監(jiān)測試驗(yàn)壓力，扭矩傳感器9（測量誤差：±5%）用以測量試驗(yàn)扭矩。每次試驗(yàn)過后收集樣品并清潔和干燥試驗(yàn)腔室。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于海水中成分復(fù)雜，同時(shí)受泥沙等不確定因素的影響，所以采用蒸餾水代替海水。進(jìn)行3組對(duì)比試驗(yàn)，分別研究PU，SR和UHMWPE等3種材料在20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑3種工況下銷盤摩擦副的摩擦學(xué)性能并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行分析。

摩擦磨損試驗(yàn)均在定載荷、定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。參照美國海軍水潤滑軸承 MIL-DTL-17901C 測試標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)比壓選用0.5 MPa（對(duì)應(yīng)壓力為14.14 N），轉(zhuǎn)速設(shè)定為250 r/min（對(duì)應(yīng)滑動(dòng)速度為0.288 m/s）。試驗(yàn)過程中，每次試驗(yàn)均使用一組全新的水潤滑材料試樣和QSn7-0.2銅盤試樣，同時(shí)為保證試樣磨損數(shù)據(jù)的可靠性，每組試驗(yàn)進(jìn)行2 h不停機(jī)試驗(yàn)，且所有試驗(yàn)均進(jìn)行2次重復(fù)性試驗(yàn)。在磨損試驗(yàn)中，每隔5 min對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行一次采集，每次試驗(yàn)最終得到24組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，使用掃描電子顯微鏡（VEGA3 TESCAN）來檢查測試后磨損表面的微觀結(jié)構(gòu)，用精度為0.1 mg的電子天平測量3種材料磨損后的失重。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備Fig. 3 Test equipment

試驗(yàn)過程中通過傳感器動(dòng)態(tài)檢測扭矩、載荷，由式 (1) 計(jì)算材料摩擦因數(shù)：

式中：為摩擦系數(shù)；為扭矩，N·m；為半徑，m；為載荷，N。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)分析

圖4為在比壓0.5 MPa，轉(zhuǎn)速250 r/min條件下，PU，SR和UHMWPE等3種材料在不同工況下的平均摩擦系數(shù)。其中20W代表20℃水潤滑；0W代表0℃水潤滑；-1.5W代表-1.5℃水潤滑。不同材料在不同工況下表現(xiàn)出了明顯區(qū)別。其中UHMWPE的摩擦系數(shù)均低于PU和SR，在常溫水潤滑工況下，UHMWPE、SR與PU的平均摩擦系數(shù)分別為0.13，0.36及0.28。這是由于UHMWPE材料彈性小，硬度大，其在與錫青銅盤對(duì)磨時(shí)摩擦表面擠壓變形相對(duì)較低，導(dǎo)致對(duì)磨副的真實(shí)接觸區(qū)域減少，且UHMWPE材料有良好的自潤滑能力，故減摩性能較優(yōu)。在不同溫度工況下進(jìn)行對(duì)比時(shí)，3種材料在低溫水潤滑工況下摩擦系數(shù)均有所下降，其中SR，PU與UHMWPE分別平均下降了28.5%，15.5%和14.5%。SR的下降幅度最大，說明SR在低溫水潤滑工況下表現(xiàn)出較好的減摩性能。由于水介質(zhì)的潤滑和冷卻作用，摩擦磨損過程中的摩擦力和摩擦熱顯著減少，有效降低了磨損表面的界面溫度，一定程度上減少了塑料聚合物材料表面與摩擦界面的熱變形與熱裂紋。分析可知，低溫水潤滑條件下，其溫度較低，將更迅速地帶走摩擦材料表面所產(chǎn)生的熱量，一方面溫度的降低使得對(duì)磨副之間相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的局部黏著概率降低，改善了材料間的黏著磨損；另一方面常溫水潤滑工況下，摩擦界面間由于產(chǎn)熱使得溫度較高，一定程度上使?jié)櫥げ糠謸]發(fā)，而低溫水潤滑工況下，摩擦界面間溫度相對(duì)較低，降低了潤滑水膜的揮發(fā)概率從而提高了其摩擦性能。雖然-1.5℃水潤滑的摩擦系數(shù)較0℃水潤滑工況下變化不明顯，但仍存在一定降低，進(jìn)一步論證了低溫對(duì)材料摩擦性能的提升作用。

圖4 不同工況下的平均摩擦因數(shù)Fig. 4 Average friction coefficient under different condition

圖5為0℃水潤滑工況下，PU，SR和UHMWPE等3種材料在摩擦試驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)μ隨時(shí)間的變化曲線。可知，在0℃水潤滑工況下，3種材料的摩擦系數(shù)均隨著試驗(yàn)的進(jìn)行而增加，PU，SR和UHMWPE等3種材料中，UHMWPE材料的摩擦系數(shù)在0℃水潤滑工況下最低。其中PU材料的摩擦系數(shù)在初始時(shí)呈現(xiàn)急劇上升趨勢，說明在初始階段PU磨損較為嚴(yán)重，試樣表面逐漸粗糙，經(jīng)過一段時(shí)間磨合后，PU的摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。SR材料和UHMWPE材料相對(duì)來說摩擦系數(shù)波動(dòng)不大，但有少量上升的趨勢，上升的原因可能是隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，UHMWPE材料和SR材料試樣磨損加劇，試樣表面變粗糙度上升，因此摩擦系數(shù)逐漸增大。

圖5 3種材料在0 ℃水潤滑工況下摩擦系數(shù)μ隨時(shí)間 t的變化曲線Fig. 5 Variation of friction coefficient against time of three kinds of materials under 0 ℃ water lubrication

綜合比較，3種材料中UHMWPE在20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑3種工況下的耐磨性能均最優(yōu)；相比于常溫水潤滑工況，0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑均提高了PU，SR和UHMWPE等3種材料的摩擦性能。

2.2 磨損性能分析

為考察20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑3種不同工況對(duì)材料磨損性能的影響，在試驗(yàn)前后用精度為0.1mg的電子天平對(duì)3種材料的質(zhì)量進(jìn)行測取并計(jì)算其失重量。圖6給出了不同材料在不同工況下的磨損量，其中在常溫水潤滑工況下，3種材料的磨損量分別為3.65，2.9和0.35mg。可知，3種工況下UHMWPE的磨損量均明顯低于其他2種材料，說明UHMWPE具有較強(qiáng)的抗磨損能力。由于UHMWPE的硬度最高，相對(duì)于其他2種材料其摩擦副表面的抗擠壓能力最優(yōu)，摩擦副的摩擦力對(duì)其表面的切向分量也較小，故抗磨損性能較強(qiáng)。

圖6 不同工況下的磨損量Fig. 6 Wear mass under different condition

PU，SR和UHMWPE等3種材料在0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑工況下抗磨能力均比常溫水潤滑有所下降。在0℃水潤滑時(shí)，PU，SR和UHMWPE等3種材料的磨損量分別為3.3，2.15和0.27，相較于常溫水潤滑工況分別下降了10.8%，25.9%和22.9%。

分析可知，一方面隨著溫度降低，由于聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力減弱，不易從基體剝離，因此PU，SR和UHMWPE等3種材料的磨損量均得到一定降低。另一方面，常溫水潤滑工況下對(duì)磨副間的溫度較高，一定程度上使?jié)櫥げ糠謸]發(fā)，使接觸面形成邊界潤滑甚至干摩擦，摩擦環(huán)境不斷惡化，因此在0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑工況下，PU，SR和UHMWPE等3種材料的磨損率均較低。

3 摩擦磨損機(jī)理分析

為進(jìn)一步分析PU，SR和UHMWPE等3種材料的摩擦磨損機(jī)理，使用掃描電子顯微鏡對(duì)3種材料在20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑工況下磨損后的表面形貌進(jìn)行掃描分析，結(jié)果如圖7所示。常溫水潤滑工況下，PU材料表面在摩擦磨損后的磨損比較嚴(yán)重，（見圖7（a）），磨損面有大量的磨粒剝落和撕裂破壞，這是由于PU材料硬度較低所致，其在摩擦過程中產(chǎn)生了大量摩擦熱，導(dǎo)致磨損表面發(fā)生了明顯的熱塑性變形，故摩擦面表層在剪切力的重復(fù)作用下產(chǎn)生裂紋、撕裂并有磨粒剝落現(xiàn)象。其主要磨損形成為黏著磨損和磨粒磨損。在0℃水潤滑工況下，PU材料磨損表面的磨損程度和常溫相比有明顯下降，可以看到磨損過程中材料表面的裂紋和撕裂的長度和寬度都有所降低，剝落的磨粒也大幅度減少，PU材料的黏著磨損和磨粒磨損均有所減弱，（見圖7（b））。在溫度更低的-1.5℃水潤滑工況下PU材料的黏著磨損和磨粒磨損進(jìn)一步減弱，（見圖7（c））所示。原因則是在低溫水潤滑工況下材料表面所產(chǎn)生的熱量能被迅速帶走，溫度的降低使得對(duì)磨副相對(duì)高速切向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的局部黏著概率降低，改善了材料間的黏著磨損。同時(shí)由于常溫水潤滑工況下材料摩擦表面磨粒剝落轉(zhuǎn)移現(xiàn)象嚴(yán)重，粘附于銅盤表面形成微凸起并在后續(xù)摩擦過程中充當(dāng)磨粒，使材料表面磨粒磨損加劇，而在低溫工況下由于溫度較低，其僅在轉(zhuǎn)移過程中在對(duì)磨副表面形成一層轉(zhuǎn)移膜，使其具備更好的摩擦學(xué)性能。

圖7 3種材料在3種工況下磨損表面SEM圖像Fig. 7 SEM micrographs of three materials under three conditions

在20℃水潤滑、0℃水潤滑和-1.5℃水潤滑3種不同工況下，UHMWPE相對(duì)于PU和SR材料，其磨損表面磨痕較少，表面相對(duì)光滑，常溫水潤滑工況下，其磨損表面出現(xiàn)了部分垂直于滑動(dòng)方向的貫通裂紋和少量剝落的疲勞顆粒（見圖7（d）），主要表現(xiàn)為少量磨粒磨損和黏著磨損，這是由于UHMWPE硬度相對(duì)較大，導(dǎo)致其磨損表面并未出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形、拉伸和撕裂現(xiàn)象。同時(shí)在低溫水潤滑工況下，材料表面產(chǎn)生垂直滑動(dòng)方向上的貫通犁溝減少，基本上沒有由于黏著磨損而產(chǎn)生的剝落現(xiàn)象（見圖7（e）～圖7（f）），這進(jìn)一步表明低溫水潤滑有利于改善材料的摩擦磨損性能。

對(duì)于SR材料，在常溫水潤滑工況下可以明顯觀察到規(guī)則的圓形凹坑（見圖7（g）），造成這種現(xiàn)象的原因是軸承材料在摩擦過程中由于摩擦熱而導(dǎo)致粘結(jié)力下降，包裹在基體中的填料由于基體粘結(jié)力的下降而大量脫落，因此在基體表面產(chǎn)生大量的細(xì)小裂紋和孔洞，在循環(huán)載荷的作用下，賽龍軸承材料表面產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力超出了材料的強(qiáng)度，從而產(chǎn)生微小的裂紋并在循環(huán)應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)展，經(jīng)過一段時(shí)間后發(fā)生斷裂形成

剝落凹坑，并且對(duì)磨副之間的高接觸壓力在其相互作用表面產(chǎn)生了局部材料剝落，這些凹坑和局部材料剝落（見圖7（g））構(gòu)成了疲勞磨損。同時(shí)SR表面有許多不連續(xù)狀的裂縫，并且伴有嚴(yán)重的塑性變形和剝落跡象（見圖7（g）），表現(xiàn)為黏著磨損。更進(jìn)一步說明了低溫水潤滑對(duì)材料的摩擦學(xué)性能的提升作用。在低溫水潤滑工況下，摩擦過程產(chǎn)生的摩擦熱減少，這種圓形凹坑數(shù)量和尺寸均有所下降，溫度的降低使得對(duì)磨副相對(duì)高速切向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的局部黏著概率降低，改善了材料間的黏著磨損（見圖7（h）～圖7（i））。

4 結(jié) 語

1）低溫水潤滑工況下3種材料的摩擦學(xué)性能均有所提升，與常溫工況20℃水潤滑工況相比，其將迅速帶走摩擦材料表面所產(chǎn)生的熱量，使得對(duì)磨副相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的局部黏著概率降低，改善了材料間的黏著磨損。

2）綜合對(duì)比，UHMWPE在3種工況下的摩擦系數(shù)與磨損量最小，在低溫水潤滑工況下，UHMWPE的摩擦學(xué)性能均優(yōu)于PU與SR，同時(shí)其摩擦系數(shù)與磨損率較其在常溫工況下平均降低了14.5%和22.9%。

3）在低溫水潤滑工況下，PU和UHMWPE主要磨損形式為磨粒磨損和黏著磨損，SR的磨損形式主要為疲勞磨損和黏著磨損。由于UHMWPE硬度最大，使其在和錫青銅盤對(duì)磨時(shí)摩擦表面擠壓變形相對(duì)較低，因此UHMWPE的摩擦學(xué)性能在3種工況下均優(yōu)于其他2種材料。