橡膠材料在水潤(rùn)滑軸承中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

張保生，楊 軍，，呂秀鳳，丁行武，王 虎，歐陽(yáng)武，梁興鑫，譚高輝

（1.湖南弘輝科技有限公司，湖南 株洲 412007；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；3.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430000）

傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑軸承以金屬為襯套、以潤(rùn)滑油為潤(rùn)滑介質(zhì)，不僅消耗了潤(rùn)滑油和金屬資源，而且由于軸承密封技術(shù)的復(fù)雜性極易導(dǎo)致潤(rùn)滑油泄漏，污染航行水域，特別是對(duì)于潛艇而言，一旦出現(xiàn)潤(rùn)滑油泄漏將會(huì)暴露行蹤，喪失或降低戰(zhàn)斗能力。此外，油潤(rùn)滑軸承還存在油密封系統(tǒng)復(fù)雜、能耗大等問(wèn)題。

水潤(rùn)滑軸承以水作為潤(rùn)滑和冷卻介質(zhì)，避免了油潤(rùn)滑帶來(lái)的污染問(wèn)題，同時(shí)具有輔助系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單和系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)勢(shì)，因此在船舶推進(jìn)系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。但若其結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）和材料的設(shè)計(jì)選型不當(dāng)則極易造成振動(dòng)異常、摩擦噪聲大、局部磨損大等問(wèn)題。王磊等[6]在水潤(rùn)滑軸承的摩擦噪聲特征分析中指出，在軸承系統(tǒng)啟動(dòng)、停車(chē)及低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，軸承部位存在人耳可聽(tīng)見(jiàn)的摩擦噪聲，部分時(shí)段軸承系統(tǒng)有明顯振感。振動(dòng)和噪聲是水潤(rùn)滑軸承亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖1 水潤(rùn)滑軸承典型結(jié)構(gòu)示意

對(duì)于水潤(rùn)滑軸承而言，液體潤(rùn)滑是最佳的工作狀態(tài)。但是，由于水潤(rùn)滑軸承存在啟動(dòng)、停車(chē)和變換軸轉(zhuǎn)速等多種運(yùn)轉(zhuǎn)工況，部分工況下水潤(rùn)滑軸承無(wú)法形成液體潤(rùn)滑，致使軸與軸承的對(duì)應(yīng)部位會(huì)產(chǎn)生摩擦，甚至出現(xiàn)不同程度的磨損。為了保證軸承的正常工作和一定的使用壽命，耐磨材料的設(shè)計(jì)和選擇至關(guān)重要。從水潤(rùn)滑軸承的發(fā)展歷程可知，用于制作水潤(rùn)滑軸承的非金屬材料包括天然生長(zhǎng)的鐵梨木，人工合成的橡膠、塑料或改性高分子材料，陶瓷等無(wú)機(jī)硬質(zhì)材料，其性能特點(diǎn)如表1所示[7-8]。

表1 水潤(rùn)滑軸承常用非金屬材料的性能特點(diǎn)

橡膠材料具有吸振降噪、抗沖擊性能優(yōu)異、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不污染水域且來(lái)源豐富。本文主要介紹橡膠材料在水潤(rùn)滑軸承中的作用機(jī)理、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向。

1 橡膠材料在水潤(rùn)滑軸承中的作用機(jī)理

以水作為潤(rùn)滑劑始于早期的船用推進(jìn)器，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)時(shí)采用水潤(rùn)滑巴氏合金軸承，但效果極不理想，軸承的磨損率非常高。隨后技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)了一種天然材料硬質(zhì)鐵梨木，將鐵梨木按板條結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工并組裝到軸套后進(jìn)行測(cè)試，在水潤(rùn)滑條件下鐵梨木軸承運(yùn)轉(zhuǎn)得相當(dāng)理想。由于硬質(zhì)鐵梨木的減振效果優(yōu)異，20世紀(jì)40—60年代鐵梨木在水潤(rùn)滑軸承中得到了大量應(yīng)用。隨著造船業(yè)的發(fā)展，軸承材料的需求量大幅增加，而樹(shù)木的成長(zhǎng)需要固定的周期，因此造成鐵梨木難以滿足工業(yè)需求，且天然木質(zhì)材料價(jià)格昂貴，極大地限制了軸承產(chǎn)品的發(fā)展[9]。同時(shí)，鐵梨木的自身性能也存在缺陷，如在長(zhǎng)期使用過(guò)程中有水膨脹性，干摩擦?xí)r易出現(xiàn)開(kāi)裂和扭曲等現(xiàn)象，無(wú)法滿足目前艦船服役要求，因此各國(guó)學(xué)者開(kāi)展了橡膠等其他高分子材料的研究以期進(jìn)行替代。

橡膠材料因其獨(dú)特的高彈性，在受到軸承自身質(zhì)量、高低速加載等外力影響時(shí)可以自適應(yīng)，起到承載和恢復(fù)彈性變形的作用。橡膠的彈性允許砂礫和污垢壓入其表面，從而保護(hù)軸承免受劃痕。調(diào)整配方中的填充體系可以使膠料的硬度處于一個(gè)較寬的范圍內(nèi)，通過(guò)剛度自調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)橡膠材料剛度與軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相匹配，減小或避免共振，從源頭上解決振動(dòng)異?，F(xiàn)象。另外，橡膠材料通過(guò)增加納米補(bǔ)強(qiáng)材料和合理設(shè)計(jì)硫化體系，可以實(shí)現(xiàn)高耐磨，滿足長(zhǎng)壽命水潤(rùn)滑軸承的需要。因此對(duì)橡膠材料的研究是開(kāi)發(fā)高性能水潤(rùn)滑軸承的重要方向。

2 橡膠材料在水潤(rùn)滑軸承中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 天然橡膠（NR）

NR具有較好的彈性和加工性能，廣泛應(yīng)用于船舶減振等多個(gè)領(lǐng)域[10]。水潤(rùn)滑軸承需要考慮橡膠與金屬外套的粘結(jié)，金屬外套通過(guò)簡(jiǎn)單的噴砂、清洗、涂覆膠粘劑等處理后，即可實(shí)現(xiàn)與NR的一體硫化成型。

美國(guó)對(duì)NR在水潤(rùn)滑軸承中的應(yīng)用研究較早，并于20世紀(jì)40年代實(shí)現(xiàn)了水潤(rùn)滑NR軸承在艦船上的廣泛應(yīng)用。但由于NR分子鏈結(jié)構(gòu)中存在大量的不飽和碳-碳雙鍵，長(zhǎng)期使用過(guò)程中極易受到氧原子攻擊，吸氧量增加會(huì)引發(fā)氧化反應(yīng)，導(dǎo)致分子鏈斷裂，致使橡膠材料老化變硬，從而失去減振能力。

為解決NR長(zhǎng)期使用的老化問(wèn)題，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家率先開(kāi)展了合成橡膠材料在水潤(rùn)滑軸承中的應(yīng)用研究，并進(jìn)行了橡膠材料的改性和新材料的應(yīng)用推廣工作，其中丁腈橡膠（NBR）和聚氨酯（PU）材料表現(xiàn)出較為優(yōu)異的效果。

2.2 NBR

NBR是由丁二烯與丙烯腈經(jīng)乳液共聚而成的高分子彈性體，屬于非結(jié)晶性無(wú)定形聚合物。NBR因含有較強(qiáng)極性的側(cè)氰基，可與水結(jié)合產(chǎn)生氫鍵，有利于在橡膠表面形成水膜，非常適合作為水潤(rùn)滑軸承材料。

美國(guó)海軍與科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)聯(lián)合開(kāi)展了高耐磨NBR材料的研究，同時(shí)結(jié)合鏡面工藝提高NBR硫化膠的表面光潔度，實(shí)現(xiàn)了低摩擦因數(shù)水潤(rùn)滑軸承的開(kāi)發(fā)，摩擦因數(shù)可低至0.001，為推進(jìn)軸承系統(tǒng)的安靜運(yùn)行提供了有力保障，NBR軸承在美國(guó)海軍艦船和潛艇上得到了大量應(yīng)用。英國(guó)Icon Polymer公司與阿斯頓大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展了NBR材料的研究，通過(guò)加入聚四氟乙烯（PTFE）提高了NBR材料的摩擦和耐磨性能，并利用該材料進(jìn)行了產(chǎn)品加工和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，結(jié)果表明添加PTFE的NBR軸承具有優(yōu)異的干摩擦性能以及在污水環(huán)境中的耐磨性能。目前該公司推出的新型Silverline/Aqualine系列水潤(rùn)滑NBR軸承在軍用艦船上得到了認(rèn)可，同時(shí)也在民用船舶領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。美國(guó)固特異公司通過(guò)添加石墨、PTFE、二硫化鈷等潤(rùn)滑材料研制了高耐磨NBR材料。B.BHUSHAN[11]對(duì)膠料硬度與水潤(rùn)滑軸承噪聲的相關(guān)性進(jìn)行了研究，認(rèn)為硬度是水潤(rùn)滑橡膠軸承產(chǎn)生噪聲的一個(gè)重要因素，膠料硬度越小，軸承越容易產(chǎn)生噪聲。這主要是因?yàn)檐涃|(zhì)NBR具有較小的遲滯性，更易發(fā)生粘滑，因此軸承容易產(chǎn)生噪聲，這對(duì)軸承設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)多家科研院所和企業(yè)也對(duì)NBR在軸承中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)添加二硫化鉬、石墨等無(wú)機(jī)自潤(rùn)滑材料，能夠明顯改善水潤(rùn)滑軸承的摩擦性能，特別是在低轉(zhuǎn)速工況下；采用邵爾A型硬度為85度的NBR膠料制備的水潤(rùn)滑軸承表現(xiàn)出較好的使用效果，其在臺(tái)架試驗(yàn)中未出現(xiàn)異常噪聲及損壞現(xiàn)象。

湖南弘輝科技有限公司通過(guò)特殊配方設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有較好的物理性能和親水性能的NBR材料（如表2所示）。利用該材料研發(fā)了一種板條式NBR軸承，NBR材料具有較小的摩擦因數(shù)，在0.25 MPa的比壓下摩擦因數(shù)可低至0.017，臺(tái)架試驗(yàn)后軸承產(chǎn)品狀態(tài)較好（見(jiàn)圖3），且未出現(xiàn)鳴音現(xiàn)象。

表2 NBR材料的性能

圖3 臺(tái)架試驗(yàn)后水潤(rùn)滑軸承的表面形態(tài)

2.3 橡膠合金材料

歐美及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家率先開(kāi)展了NBR的改性與橡膠合金在水潤(rùn)滑軸承中的應(yīng)用研究。美國(guó)Duramax Marine公司將NBR與一些特殊成分混合并與超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（UHMW-PE）復(fù)合，制備了一種易滑聚合物合金（SPA）材料，基于SPA材料生產(chǎn)的水潤(rùn)滑軸承充分發(fā)揮了NBR與UHMW-PE的優(yōu)點(diǎn)，具有極優(yōu)的抗沖擊、耐磨、自潤(rùn)滑性能及承載能力。產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果表明，水潤(rùn)滑軸承工作的比壓高達(dá)1.65 MPa，磨損量幾乎可以忽略，尤其適用于泥沙含量較高的沿海與內(nèi)河航行環(huán)境。

此外，德國(guó)KTR、美國(guó)Morse、日本Mikasa與Kemel等公司也在NBR材料的功能改進(jìn)、成型工藝等方面開(kāi)展了深入研究，開(kāi)發(fā)了各具特色的水潤(rùn)滑橡膠軸承產(chǎn)品，其廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。

為提高水潤(rùn)滑軸承的承載能力，彭晉民等[12]以NBR為基體，通過(guò)加入多種填充劑、促進(jìn)劑等制備了耐摩擦磨損、耐磨粒磨損和耐疲勞性能良好的塑料合金材料；同時(shí)考察了納米氧化鋅用量對(duì)塑料合金性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 納米氧化鋅用量對(duì)塑料合金性能的影響

從表3可以看出：隨著納米氧化鋅用量的增大，塑料合金的密度、硬度和拉伸強(qiáng)度總體增大；當(dāng)納米氧化鋅用量為2份時(shí)，塑料合金的滑動(dòng)摩擦因數(shù)最小。

2.4 PU

PU由聚酯（或聚醚）與二異氰酸酯類(lèi)化合物縮聚而成。該類(lèi)聚合物由硬段和軟段組成，通過(guò)改變?cè)系慕M成和相對(duì)分子質(zhì)量以及原料配比來(lái)調(diào)節(jié)材料的力學(xué)強(qiáng)度、彈性、模量以及耐疲勞和耐磨性能等。PU具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度和耐磨性能。加拿大賽龍公司利用PU的這一特性，將其應(yīng)用于水潤(rùn)滑軸承，通過(guò)與酚醛樹(shù)脂艉管軸承進(jìn)行實(shí)船對(duì)比測(cè)試，證實(shí)PU材料具有優(yōu)異的耐磨性能。

值得注意的是，PU材料的耐熱性差，滯后損失大，絕大多數(shù)PU的最高使用溫度不能超過(guò)80 ℃，因此在長(zhǎng)時(shí)間、干摩擦等使用工況條件下應(yīng)慎用或禁用PU軸承。這一現(xiàn)象也在實(shí)船運(yùn)行中得到了證實(shí)，如在某電力推進(jìn)軸承系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)PU軸承存在磨損嚴(yán)重和振動(dòng)噪聲過(guò)大等問(wèn)題。

3 展望及建議

目前我國(guó)水潤(rùn)滑橡膠軸承的研究和應(yīng)用規(guī)模與國(guó)外海洋強(qiáng)國(guó)相比仍有明顯差距，亟需解決以下問(wèn)題。

（1）水膜的建立是實(shí)現(xiàn)橡膠軸承低摩擦的關(guān)鍵，因此需對(duì)水膜的建立及親水性橡膠材料進(jìn)行深入研究。

（2）橡膠材料的耐磨性能對(duì)軸承的使用壽命至關(guān)重要，需從膠種選擇及配合體系入手，多維度地開(kāi)展高耐磨NBR材料的研究。

（3）為滿足水潤(rùn)滑軸承耐磨和減振等性能要求，一般需要將橡膠材料與金屬、特種塑料或復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)合，異質(zhì)材料間的結(jié)合力尤為關(guān)鍵，需通過(guò)界面活化技術(shù)實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料之間的高強(qiáng)度粘合，確保軸承產(chǎn)品的功能性和使用安全性。

（4）工作面的平整度和粗糙度對(duì)摩擦特性有較大影響，需從橡膠材料和工藝制造角度實(shí)現(xiàn)工作面的光潔平整。

（5）水潤(rùn)滑軸承摩擦噪聲的產(chǎn)生與軸承結(jié)構(gòu)、材料、加載特性及運(yùn)行工況等因素有關(guān)，需對(duì)摩擦機(jī)理進(jìn)行深入研究，從源頭上避免和降低噪聲。