改性尼龍水潤(rùn)滑軸承摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究*

疏 舒 何 濤 羊 慧 黃敏莉 歐陽武

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 湖北武漢 430205；2.江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司 江蘇靖江 214500；3.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 湖北武漢 430063)

作為艦艇推進(jìn)系統(tǒng)的重要功能保障部件，水潤(rùn)滑艉軸承摩擦學(xué)性能直接影響航行安全性。由于螺旋槳的懸臂作用以及軸系安裝對(duì)中不良，艉軸承的實(shí)際承載面積遠(yuǎn)小于名義承載面積，產(chǎn)生了嚴(yán)重的邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致局部比壓過高、摩擦力變化較大、潤(rùn)滑狀態(tài)惡化。尤其是當(dāng)艉軸承在低速、重載、主機(jī)頻繁啟停、正反轉(zhuǎn)交替的特殊工況下，軸承很難在短時(shí)間內(nèi)建立潤(rùn)滑水膜，軸承潤(rùn)滑性能變差，摩擦、磨損嚴(yán)重，振鳴音加大[1]。此外，水的黏度很低，承載能力較弱，在惡劣的工況下不易形成有效的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑[2]，磨損、噪聲及承載能力低已經(jīng)成為困擾艉軸承研制技術(shù)的主要問題。

自20世紀(jì)50年代開始，國(guó)外的軍用艦艇開始大量使用水潤(rùn)滑橡膠軸承，但有關(guān)的研究和測(cè)試結(jié)果表明，低速情況下水潤(rùn)滑橡膠軸承水膜不易建立，容易產(chǎn)生摩擦噪聲[3-6]，嚴(yán)重影響艦艇隱身性能。姚世衛(wèi)等[7]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)，橡膠軸承出現(xiàn)噪聲與軸承載荷和轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系，特別是在低速重載荷的情況下易出現(xiàn)噪聲，軸承負(fù)載的均勻性對(duì)其振動(dòng)噪聲有很大影響。何琳等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子改性丁腈基橡塑復(fù)合材料作為水潤(rùn)滑軸承材料，具有較高的硬度和優(yōu)良的摩擦性能，能夠滿足艦用水潤(rùn)滑軸承低噪聲設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，美、英等發(fā)達(dá)國(guó)家艦艇水潤(rùn)滑軸承材料逐步向腈基類合成橡膠或其他高分子化合物轉(zhuǎn)變[9-10]，這類水潤(rùn)滑軸承材料與丁腈橡膠材料相比在摩擦磨損和摩擦振動(dòng)等方面的性能優(yōu)劣，尚未形成定論。盛晨興等[11]研究了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁腈橡膠(NBR)3種常用的水潤(rùn)滑艉軸承材料的摩擦磨損性能，結(jié)果表明，低轉(zhuǎn)速工況下UHMWPE與PTFE的水潤(rùn)滑性能近似，略高于NBR；高轉(zhuǎn)速工況下UHMWPE的水潤(rùn)滑性能高于PTFE和NBR，但NBR的工作穩(wěn)定性優(yōu)于UHMWPE和PTFE。WANG和YIN[12]研究了混雜碳纖維對(duì)UHMWPE復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)混雜碳纖維填料改變了復(fù)合材料的磨損表面形貌和磨損機(jī)制，可以有效提高復(fù)合材料的耐磨性。崔旨桃等[13]將尼龍66添加到UHMWPE基體中得到共混材料，試驗(yàn)表明水潤(rùn)滑條件下材料表面可形成微凸織構(gòu)，降低摩擦因數(shù)并減輕磨損。李云凱等[14]通過正交試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)在線速度1.29 m/s、載荷0.95 MPa的工況條件及完全水潤(rùn)滑條件下，PA66的摩擦磨損性能達(dá)到最優(yōu)，適用于高速輕載工況下的水潤(rùn)滑軸承軸瓦材料。

針對(duì)水潤(rùn)滑艉軸承異常噪聲突出的問題，本文作者對(duì)新型尼龍(Polyamide，簡(jiǎn)稱PA)材料開展摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究，并與丁腈橡膠、賽龍材料進(jìn)行性能對(duì)比；同時(shí)對(duì)PA材料制備的軸承樣機(jī)在不同比壓、轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了振動(dòng)噪聲研究，為新型靜音水潤(rùn)滑艉軸承設(shè)計(jì)提供參考。

1 水潤(rùn)滑PA材料摩擦學(xué)性能測(cè)試

1.1 試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)材料為改性PA材料、丁腈橡膠和賽龍SXL共3種。其中，改性PA材料是以尼龍材料為基體，通過添加增強(qiáng)、增韌、減摩、親水等基團(tuán)或顆粒進(jìn)行改性，通過離心澆鑄成型。該材料的密度為1.500 g/cm3，壓縮強(qiáng)度為34.6 MPa，線性熱膨脹系數(shù)(-30～100 ℃)為3.26×10-5K-1，洛氏硬度為121HRR，表面粗糙度為0.8 μm。

在RTEC公司設(shè)計(jì)制造的MFT-5000多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，在干摩擦和水潤(rùn)滑條件下測(cè)試改性PA材料的摩擦因數(shù)和磨損率。測(cè)試采用銷-盤對(duì)摩方式，對(duì)摩副參數(shù)如下：銷的直徑為4 mm，材料為GCr15軸承鋼，樣品盤尺寸為φ50 mm×10 mm，改性PA試驗(yàn)樣品盤如圖1所示。

圖1 改性PA材料樣品盤Fig.1 Modified PA material sample tray

摩擦性能試驗(yàn)工況如下：干摩擦試驗(yàn)載荷分別為1.0和1.5 MPa，速度為0.25 m/s；水潤(rùn)滑試驗(yàn)載荷、速度和干摩擦試驗(yàn)工況保持一致，供水流量為5 mL/min。磨損性能試驗(yàn)時(shí)，載荷為15 MPa，可加速材料磨損。試驗(yàn)后利用三維形貌儀測(cè)定試樣磨痕深度，從而測(cè)定磨損率。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1給出了水潤(rùn)滑PA材料摩擦學(xué)性能測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯?種載荷下改性PA材料的干摩擦因數(shù)和水潤(rùn)滑摩擦因數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另2種材料。與丁腈橡膠和賽龍SXL相比，在1.0 MPa時(shí)，改性PA材料的干摩擦因數(shù)分別減小了91.28%、47.90%，水潤(rùn)滑摩擦因數(shù)分別減小了88.42%、67.15%；在1.5 MPa時(shí)，水潤(rùn)滑摩擦因數(shù)分別減小了89.66%、67.35%。

表1 水潤(rùn)滑PA材料摩擦學(xué)性能測(cè)試結(jié)果(線速度0.25 m/s)Table 1 Tribological performance test results of water-lubricated PA material (linear speed 0.25 m/s)

從表1可知，改性PA材料的磨損率也遠(yuǎn)低于賽龍SXL材料，減小了63.16%。

2 水潤(rùn)滑PA軸承臺(tái)架試驗(yàn)

在試樣測(cè)試的基礎(chǔ)上，在武漢理工大學(xué)SSB-100型船舶艉軸試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了改性PA材料軸承原理樣機(jī)摩擦學(xué)性能試驗(yàn)，為后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架及樣機(jī)

武漢理工大學(xué)SSB-100型船舶艉軸試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)部分、試驗(yàn)部分、加載部分和測(cè)試部分組成。驅(qū)動(dòng)部分為變頻電機(jī)，為軸系轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力；試驗(yàn)部分由試驗(yàn)主軸和試驗(yàn)軸承組成，主軸由45鋼制成，其軸頸鑲有ZQSn10-2襯套，襯套長(zhǎng)為175 mm，外徑為150 mm；軸承內(nèi)徑為150.6 mm，沿周向開設(shè)3個(gè)圓弧水槽，水槽分別布置在軸承兩側(cè)和頂部，水槽半徑為63.5 mm，軸瓦厚度約為19.55 mm。加載部分采用液壓加載原理，加載方式為中間徑向加載，以保證軸承比壓均勻。測(cè)試部分主要包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、壓力表等，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀用于測(cè)試試驗(yàn)軸的摩擦力矩和轉(zhuǎn)速，壓力表提供液壓加載油缸的載荷大小。測(cè)試軸承樣機(jī)如圖3所示，其中樣機(jī)軸瓦采用改性PA材料制成。

圖2 SSB-100型船舶艉軸試驗(yàn)機(jī)Fig.2 SSB-100 marine stern tester

圖3 試驗(yàn)軸承樣機(jī)Fig.3 Test bearing prototype：(a)test bearing cross section：(b)physical view of test bearing

2.2 摩擦因數(shù)測(cè)試

在摩擦特性試驗(yàn)中，比壓分別為0.275、0.5、0.7 MPa，在不同比壓下軸承摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖4所示。從整體趨勢(shì)來看，軸承摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大呈下降的趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸增加至100 r/min左右，下降趨勢(shì)逐漸減緩，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在轉(zhuǎn)速低于100 r/min時(shí)，同轉(zhuǎn)速下軸承比壓越小，摩擦因數(shù)也就越小。在低轉(zhuǎn)速工況下，軸承承受一定載荷時(shí)，不易形成水膜，轉(zhuǎn)軸和軸承之間的潤(rùn)滑狀態(tài)較差，主要為干摩擦和邊界潤(rùn)滑，造成摩擦因數(shù)較大；隨著轉(zhuǎn)速升高，水膜承載能力增強(qiáng)，潤(rùn)滑區(qū)域增加，潤(rùn)滑狀態(tài)改善，摩擦因數(shù)減??；在轉(zhuǎn)速高于100 r/min后，軸承和軸的接觸面處于彈流動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的摩擦力趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)的影響很小，因此摩擦因數(shù)變化趨于平緩。

圖4 軸承摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速和載荷的變化曲線Fig.4 Variation curves of bearing friction coefficient with speed and load

由表2中不同比壓和轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)可知，各比壓下，相比低轉(zhuǎn)速，高速工況下的摩擦因數(shù)減幅高達(dá)95%以上，表明改性PA材料具有良好的親水性，由動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)形成的軸承水膜將顯著改善軸承潤(rùn)滑狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于低于100 r/min的低速時(shí)，高載荷工況下軸承的摩擦因數(shù)要比低載荷工況下軸承的摩擦因數(shù)高。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于100～600 r/min的高速下，隨著載荷的變化，摩擦因數(shù)變化不明顯，表明改性PA軸承高轉(zhuǎn)速下具有良好的動(dòng)力學(xué)性能，能夠在一定外界擾動(dòng)下保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速增加，不同比壓下摩擦因數(shù)的差異也逐漸減小，可以看出轉(zhuǎn)速的增大會(huì)減小外界載荷對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)的影響。這是由于改性PA材料的分子具有高結(jié)晶性和結(jié)構(gòu)規(guī)整性，本身具有良好的自潤(rùn)滑性和耐磨性，其中改性所添加的顆粒具有增強(qiáng)、增韌、減摩、親水等性能，大大提高了改性PA材料的摩擦學(xué)性能。

表2 不同比壓和轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)Table 2 Friction coefficient under different specific pressure and rotating speed

2.3 摩擦振動(dòng)測(cè)試

軸承比壓保持不變，試驗(yàn)軸轉(zhuǎn)速?gòu)?2 r/min 逐漸降低至10 r/min，測(cè)試軸承的振動(dòng)信號(hào)。

圖5所示為0.5 MPa工況下水平方向(X向)和豎直方向(Y向)的振動(dòng)信號(hào)。從各工況頻域信號(hào)的整體趨勢(shì)來看，PA材料的摩擦振動(dòng)能量均集中在0～400 Hz，與橡膠軸承中高頻摩擦振動(dòng)特性有較大區(qū)別[11]，豎直方向的振動(dòng)頻譜幅值均遠(yuǎn)高于水平方向，高轉(zhuǎn)速的振動(dòng)頻譜幅值均高于低轉(zhuǎn)速。0.275、0.7 MPa工況下的振動(dòng)信號(hào)規(guī)律與0.5 MPa基本一致。試驗(yàn)過程中各工況下均未發(fā)生異常振動(dòng)及噪聲，說明改性PA材料具有較好的摩擦振動(dòng)性能。

圖5 0.5 MPa下振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Vibration test results at 0.5 MPa：(a)10 r/min，X-direction；(b)10 r/min，Y-direction：(c)62 r/min，X-direction；(d)62 r/min，Y-direction

3 結(jié)論

分別對(duì)新研的改性PA材料樣塊和軸承樣機(jī)進(jìn)行了摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究，獲得了不同工況下的測(cè)試對(duì)象摩擦學(xué)性能的變化數(shù)據(jù)，主要結(jié)論如下：

(1)改性PA材料干摩擦和水潤(rùn)滑下的摩擦因數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于丁腈橡膠和賽龍SXL材料，驗(yàn)證了改性PA材料具有摩擦因數(shù)低、磨損小的特點(diǎn)。

(2)隨轉(zhuǎn)速增大，PA水潤(rùn)滑軸承摩擦因數(shù)呈下降的趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至100 r/min左右時(shí)下降趨勢(shì)逐漸減緩，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；在轉(zhuǎn)速低于100 r/min時(shí)，同轉(zhuǎn)速下軸承比壓越小，摩擦因數(shù)也就越小。隨著轉(zhuǎn)速增加，不同比壓下PA水潤(rùn)滑軸承摩擦因數(shù)的差異也逐漸減小。

(3)在測(cè)試工況下，改性PA材料水潤(rùn)滑軸承未產(chǎn)生摩擦噪聲，其軸承振動(dòng)主要集中在0～400 Hz的低頻段，隨著比壓的變化，軸承振動(dòng)沒有明顯變化，未來改性PA材料艉軸承應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)400 Hz以下進(jìn)一步開展減振降噪工作。