高分子船舶尾軸承綜述

1、高分子船舶尾軸承綜述摘要：高分子船舶尾軸承具有重量輕、自潤滑、耐磨損、異物包覆性能等優(yōu)點 得到越來廣泛的應用。本文主要綜述介紹了高分子船舶尾軸承材料的分類以及目 前高分子尾軸承摩擦磨損性能和振動性能研究進展，最后對目前高分子尾軸承材 料存在問題進行全面的分析。關鍵字：高分子尾軸承摩擦振動船舶尾軸承是其推進系統(tǒng)的重要組成部分之一，船舶尾軸承的最主要作用是 支撐船舶的尾軸和螺旋槳。船舶尾軸承一直處在很復雜惡劣多變的工作環(huán)境下，使 得其潤滑條件也十分惡劣，因此對船舶尾軸承選用的材料提出很高的要求，所選 材料的好壞直接的關乎到船舶能否可靠、安全、平穩(wěn)的運行1-7。水潤滑軸承的材料性能的優(yōu)劣是關乎到尾軸

2、承性能優(yōu)劣的主要因素之一，因 此水潤滑軸承材料的選擇對軸承起到了至關重要的作用。目前，船舶尾軸承所用 材料主要有木質材料、金屬材料、陶瓷材料和高分子材料為主，其中木質材料抗 泥沙性能很差，在泥沙環(huán)境中性能很差；金屬的尾軸承材料容易遇水由于發(fā)生電 化學反應從而對產生腐蝕的問題，同時金屬材料與水會比較容易發(fā)生化學反應， 而這種化學反應生成的氧化物對尾軸承的潤滑會產生不良的影響；陶瓷材料的緩 沖性能很差，抗振動性能能很差且質地比較脆限制了其大規(guī)模應用；而高分子材 料具有重量輕、自潤滑、耐磨損、異物包覆性能優(yōu)異等優(yōu)點得到越來越多的應用。高分子尾軸承分類1.1橡膠材料賽龍是加拿大Thordon Bear

3、ings Inc.生產的系列水潤滑軸承材料，是合成樹脂 和合成橡膠的混合物，是由三次元交叉結晶熱凝性樹脂制造而成的聚合物，在國 外有合成橡膠之稱。8-10賽龍軸承的特點是摩擦系數(shù)低、具有很好的抗損性能、 不易老化的性能，能承受較高的比壓和較大的載荷沖擊性能，可以承受尾軸承經 常遇到的一些惡劣的工作環(huán)境，有較好的自恢復性，能適應干摩擦和邊界摩擦， 而且還具有較好的抗振減噪性能，對于抗振減噪性能要求較高的工作環(huán)境更能體 現(xiàn)其優(yōu)越性。同時還具有很好的自恢復的彈性。賽龍作為水潤滑軸承性能要優(yōu)于 很多傳統(tǒng)的水潤滑材料。但是賽龍軸承的缺點同樣明顯，與其他非金屬材料相同， 賽龍的熱傳導性差，賽龍材料的尺寸穩(wěn)

4、定性差，在吸水后體積會膨脹，使軸承內 徑變小，影響尾軸承精度，在完全處于在60C以上的水中會出現(xiàn)材質分解，其使 用受到環(huán)境溫度的制約，在溫度較高的工況下賽龍材料就很不適用，因此賽龍材 料一般只能運用在軸承運轉溫度60C的條件下使用。1.2尼龍材料尼龍材料作為一種尾軸承材料是由美國科學家卡羅瑟斯及其科研團隊首先研 制出來的合成纖維。尼龍作為水潤滑尾軸承材料具有良好的自潤滑性能，摩擦因 數(shù)比較高，但其耐磨性能比較好，尼龍材料已經廣泛應用在輕載軸承上。但是尼 龍材料吸水性比較強，容易使得尼龍軸承的尺寸遇水之后尾軸承的尺寸穩(wěn)定性很 差，軸承尺寸在水中會發(fā)生較大變化，影響尾軸承的精度，這也是尼龍在水潤滑

5、 軸承應用中非常致命弱點。尼龍塑料具有杰出的耐磨性能，便于制造，制造工藝比較成熟且簡單，主要 采用注塑成型制造，尼龍塑料中添加一些填料更是能大大提高了尼龍塑料性能， 其填料中的碳纖維具有較好的熱傳導性，摩擦熱易于散出，從來使得工作穩(wěn)定變 低，填料中的聚四氟乙烯具有很好的自潤滑性能，其摩擦系數(shù)很小，因此尼龍塑 料制造的軸承可以在連續(xù)長時間在干磨條件下工作，對尾軸承的潤滑條件要求較 低，尼龍材料主要用于制造輕載軸承，但尼龍塑料在水中會產生一定的溶脹，使 得尾軸承和軸的間隙變小，因此在設計時應該考慮到尼龍材料的這個特點而留有 充分設計間隙。1.3超高聚乙烯材料超高分子量聚乙烯是一種新型的線型結構的熱

6、塑性工程塑料，具有的耐磨性能 非常卓越、摩擦系數(shù)很低、沖擊強度極高、硬度大、抗振防噪性能好、摩擦因數(shù) 低、不易沾附異物、價格便宜成本低廉、工作的溫度范圍非常廣泛、無毒性、無 污染及可再循環(huán)回收利用環(huán)保等優(yōu)點，已經得到廣泛應用，而且在水潤滑尾軸承 中也開始逐步應用到，目前美國軍方已經整體式超高分子量聚乙烯水潤滑的尾軸 承運用在軍艦上了。但是超高分子量聚乙烯材料的吸水性能比較差即親水性不好，水潤滑超高分 子量聚乙烯尾軸承在實際工作環(huán)境下應用時形成水膜動壓彈流潤滑比較困難因此 會使得尾軸承經常處于邊界摩擦甚至干摩擦的狀態(tài)。由于超高分子量聚乙烯的加 工制備相對比較復雜，不用于一起其他的尾軸承材料有成熟

7、的完備的加工設備和 工藝技術，而超高分子量聚乙烯材料工藝上也不成熟，運用較少，將其用于水潤 滑軸承的研宄和制備的時間較短，目前更多的處于實驗室實驗研究階段，即使運 用在實際的水潤滑軸承上也是小部分的，沒有開展大規(guī)模制備和運用，但由于超 高分子量聚乙烯材料自身具有優(yōu)越的摩擦性能和良好的自潤滑作用，所以隨著加 工設備的發(fā)展和工藝的改進，超高分子量聚乙烯材料的研宄己經成為了一個熱門的 話題，因此超高分子聚乙烯材料今后必然會成為制造水潤滑尾軸承的重要材料之 一。1.4改性復合材料由于單一材料綜合性能一般不是很理想，沒有一種完美的尾軸承材料，因此 通過共混改性來研制新的復合材料是目前很熱門的研究方向。通

8、過兩種或兩種以 上的物質的混煉取長補短，選取兩種材料各種性能的優(yōu)點來綜合，以提高材料的 綜合性能。SPA和賽龍材料是共混改性的成功的例子，通過共混改性之后其綜合 性能都得到了大幅度的提高。SPA是超高分子聚乙烯、石墨、硫化橡膠三種材料 的粉末共混而成。共混改性之后復合成的SPA材料的主要優(yōu)點是承載能力提高了 很多，能更好的適應在重載的工況下，同時可以大大減少尾軸承長徑比，從而減 小尾軸承的尺寸和重量使得船舶更靈活更輕便，這對軍艦、潛艇等具有突出的意 義；改性之后材料的硬度得到了較大的提高，可以直接的方便的進行機械加工， 加工工藝變得更加簡單，加工成本更低廉；改性之后材料的耐磨性能好，并且在 軸

9、運轉時對軸的磨損也小，可以有效的延長了軸和尾軸承的使用壽命，不僅節(jié)約 了運營成本而且也節(jié)省了由于延長軸和軸承而節(jié)省的維修和更換軸和軸承的時間 能提高經濟效率，主要應用在大型水面艦船上。11-14高分子尾軸承摩擦性能研究進展研究尾軸承的磨損特性主要是由以下幾個方面：潤滑介質（淡水、含泥沙的 水、海水）、載荷的大小、轉速的高低、運轉時間的長短、軸承與軸頸的摩擦表面 的粗糙度大小、軸承與軸頸的配副材料特性等等因素的影響。國內外對水潤滑軸承的摩擦磨損性能都開展了的大量研究工作，國外的研究 主要在20世紀80年代，這段時間國外對于尾軸承摩擦系能的研宄也有了較多的 成果和較大的突破。研究主要集中在中尾軸承

10、的厚度和長度、尾軸承的硬度、軸 瓦材料、尾軸承的板條形式和數(shù)目、摩擦面形狀等尾軸承結構因素，以及加載時 間、速度、負荷等工況因素對摩擦系數(shù)和磨損的影響趨勢。國內對水潤滑尾軸承的摩擦性能的研究工作開展的較晚，國內對水潤滑尾軸 承的摩擦性能的研究也比較多，研究比較集中和連續(xù)的主要在以下三個高校：武 漢理工大學在水潤滑尾軸承試驗臺架SSB-100，SSB-100V上相繼開展了 MCS-2-1 木質層壓板、3133石墨布質層壓板、華龍、SF-1、飛龍、橡膠15-20等水潤滑尾 軸承材料的摩擦磨損性能研究。其研究的特點和特色是在于針對船舶尾軸承的特 點建立模擬艦船在航行中的實際工作特點的試驗臺架SSB-

11、100，SSB-100V，其試驗 臺架SSB-100，SSB-100V是最早的專門研究水潤滑摩擦磨損的，考慮了軸的轉速、 潤滑水的溫度、尾軸的傾斜、尾軸承的變形、軸承的加載對水潤滑尾軸承摩擦副 對接觸、摩擦及磨損的影響特性。重慶大學在水潤滑尾軸承材料的研究方面也開展了大量的研究，在試驗臺架 MPV-20屏顯式摩擦磨損試驗機針對其和重慶奔騰科技發(fā)展有限公司合作研制的 并運用于船舶中的BTG、丁臘橡膠21-22，通過共混改性的UHMWPE復合材料 23-25，聚四氟乙烯等尾軸承材料進行了全面的摩擦磨損性能試驗研究。青島理工大學在材料的潤滑條件和潤滑介質方面開展了大量的研究MRH-3型 數(shù)顯式高速環(huán)

12、塊摩擦磨損試驗機上對橡膠試塊材料與鍍鎳鋼環(huán)，賽龍材料，陶瓷 材料26-29分別在干摩擦條件下、邊界潤滑條件下及海水和淡水不同的水質潤滑 條件下用進行了摩擦磨損性能的研究，對橡膠材料、賽龍材料和陶瓷材料的在三 種不同潤滑狀態(tài)和不同的潤滑介質下的（淡水、海水）摩擦磨損特性進行了對比 分析。高分子尾軸承振動特性研究船舶尾軸承材料優(yōu)良的減震性能對其具有重要作用，可以有效地減少尾軸承 受到的沖擊、尾軸承振動和噪聲。船舶尾軸承的振動研究也越來越受到國內外廣 大學者的重視，目前相關的研究成果和文獻仍然較少。陳明、陳澤智等30在軸系試驗臺上通過選擇硬度不相同的橡膠軸承材料對 軸系振動影響開展了試驗研究。其研究

13、表明，橡膠尾軸承材料的硬度大小的改變 對軸系振動特性有比較大的影響，因此橡膠尾軸承的硬度的選擇對于軸系振動而 言顯得比較重要，在設計橡膠尾軸承時應該要合適選擇橡膠尾軸承材料的硬度橡膠 尾軸承材料，以達到減小推進軸系振動的目的。吳曉金31 等建立了水潤滑橡膠軸承三維動力學模型，運用有限元的方法來 分析尾軸承的不同結構和不同材料對激勵的振動響應特性以及其壓力的分布規(guī)律。 利用有限元來仿真分析了不同的尾軸承外殼材料對尾軸承固有頻率的影響關系， 并著重研究分析了不同的尾軸承材料和不同的尾軸承外殼材料的組合對諧響應的 響應特性，通過軟件仿真模擬為實際的試驗研究降低了試驗成本以及生產制備提 供了改進提供了

14、依據(jù)。金勇32 等對于船舶尾軸承的振動的測試設計了一種新的方案。這種新的振 動的測試方法主要是是利用BK公司的研發(fā)的Pulse軟件對武漢理工大學自行研制 的SSB-100尾軸承實驗臺架的尾軸承的振動情況在橫向和垂向兩個方向的振動進 行實時的數(shù)據(jù)采集和分析，利用Pulse軟件的FFT分析功能，得出橡膠尾軸承在 不同轉速、不同的硬度、不同的比壓下由于自身材料的特性導致尾軸承的垂直和 水平方向上的振動主要集中在2 kHz以下的結論，同時分析了橡膠尾軸承在不同 硬度、比壓、轉度下的振動隨工況的改變的振動變化趨勢。秦紅玲33 對于水潤滑復合橡膠軸承的振動進行了研究，得出了水潤滑復合 橡膠軸承的振動受比壓

15、速度材料橡膠層硬度等影響的影響，而且振動幅值卻不受 上面這些因素的影響，主要集中在0-50HZ的低頻段。同時研究發(fā)現(xiàn)比壓對復合橡 膠尾軸承的振動影響不大,只有當比壓超過一定值就會在很大的速度范圍內出現(xiàn)振 鳴音。存在不足和需要解決的問題目前，在水潤尾軸承的研究方面還有很多不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：目前對尾軸承的一些材料的性能研究都是零散的，沒有系統(tǒng)的在同一實驗 臺架同一條件下進行對比分析各自的特性，各單位的研究可比性不大。目前對水潤滑尾軸承的研究更多的處于試驗室試驗階段，主要的研究手段 是試驗，由于受限于實驗平臺的搭建合理性、試驗設備、試驗方案等因素的影響， 得到的試驗結果于實際中仍有偏差，

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