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考试科目：摩擦学原理授课老师：白秀琴年级专业：交通运输工程1405班考生姓名：周潇然考试时间：2015年1月21日海洋磨损环境下的船舶水润滑轴承周潇然（武汉理工大学，能源与动力工程学院，交通运输工程1405班，学号1049721402056）摘要:自20世纪70年代出现石油资源危机和近年来人们对环境保护的重视,水润滑轴承开始逐步推广应用。用水代替油作润滑介质,不仅节约大量的油料,还可以避免以油为润滑介质对环境造成的污染。同时水润滑轴承成本低,阻燃性好,易维护保养,还能降低摩擦副的摩擦、磨损、振动、噪声、无功能耗等关键问题。因而水润滑轴承的研究对于提高机械效率和保护环境等都有着重要的理论研究和应用价值。本文在整个海洋磨损的大环境下，对船舶水润滑轴承的结构以及润滑机理进行了详细介绍，并比较了各类水润滑材料的优缺点，重点介绍了水润滑橡胶轴承的突出特点以及良好应用。关键词：橡胶轴承水润滑润滑WaterlubricatedbearingoftheshipintheMarineabrasionenvironment(WuhanUniversityofTechnology,SchoolofEnergyandPowerEngineering)Abstract:sincethe1970soilcrisisandpeople'semphasisonenvironmentalprotectioninrecentyears,thewaterlubricatedbearingbegantograduallypopularizationandapplication.Waterinsteadofoillubricationmedium,notonlysavealotofoil,alsocanavoidtooilforlubricationmediumpollutiontotheenvironment.Atthesametimewaterlubricatedbearinglowcost,goodflameretardant,easymaintenance,stillcanreducethefrictionpairoffriction,wear,vibrationandnoise,nokeyproblemssuchasfunctionloss.Thewaterlubricatedbearingresearchfortheimprovementofmechanicalefficiencyandprotecttheenvironmentandsoonallhasimportanttheoreticalandapplicationvalue.Inthispaper,underthecircumstancesofthewholeMarineabrasion,thestructureofshipwaterlubricatedbearingandthelubricatingmechanismareintroducedindetail,andcomparestheadvantagesanddisadvantagesofallkindsofwaterlubricationmaterial,mainlyintroducestheoutstandingcharacteristicofwaterlubricatedrubberbearingsandgoodapplication.Keywords:rubberbearing,waterlubrication,mechanismoflubrication,1绪论1.1本文研究的目的和意义以油润滑轴承为主的船舶推进系统每年消耗掉大量的润滑油，并且油泄漏污染水资源及环境日趋严重。目前国内航行的船只(除了少数进口的之外)基本上都采用油润滑，如果每艘船平均每年泄漏润滑油按1.5吨计，每年泄漏润滑油高达几百万，极其严重地污染了水环境，破坏了生态环境，危及到人类的生存条件。近年来，船舶润滑油泄漏造成的污染已引起各国政府、企业界和学术界的密切关注，少数工业发达国家先后投入巨额资金系统研究了其治理技术及装备。美国政府还以法律形式明确规定，禁止艉轴轴承以油润滑的船舶在密西西比河等内陆河流中航行，以保护水环境[1]。由于水具有无污染、来源广泛、节省能源、安全等特性，是最具有发展潜力的工作介质。因此，为了降低或减少各种摩擦副因运动而产生的摩擦、磨损、振动、冲击、噪声、无功能耗，解决可靠性差和寿命较短等问题，节省大量油料和贵重有色金属等战略资源，净化和保护江河湖水资源等人类赖以生存的环境，利用水替代矿物油作为工作介质的水润滑轴承，成为高效节能与环境保护科学研究领域的前沿，已引起了人们的普遍关注。水润滑轴承是以水作为润滑介质，而传统的油润滑尾轴承则是以润滑油作为润滑介质的，由于润滑介质由润滑油变成了水，使得水润滑轴承与传统的油润滑金属轴承相比在选择轴承材料上存在较大的区别[2]。水是一种低粘度液体，其承载能力比较低，相较于油润滑剂而言,水膜的厚度很薄，因此同等条件下水润滑的承载能力更小，水膜的形成也更加困难,水润滑尾轴承在非流体润滑工况下工作时,容易发生边界润滑甚至干摩擦,使得尾轴承的摩擦磨损加剧。因此，水润滑轴承的材料性能的优劣是关乎到尾轴承性能优劣的主要因素之一，因此水润滑轴承材料的选择对轴承起到了至关重要的作用。尾轴承材料的研究也一直是尾轴承研究的一个热点问题，随着材料科学的发展,越来越多的新材料被应用与尾轴承上。而在众多的水润滑轴承材料中，橡胶材料又有着独特的优势，因此本文又对船舶水润滑橡胶轴承进行了重点介绍[3]。1.2水润滑轴承的应用研究现状自英国水力学家雷诺在1886年推导出著名的流体动力润滑方程,摩擦、磨损与润滑的理论研究和发展也日趋完善。但人们对水润滑轴承研究和应用,却是以低粘度流体动压轴承理论为基础发展起来的。国外对水润滑轴承的研究起步较早。近年来,英国、德国和日本等国家在水润滑轴承的研究方面做了大量的工作,产品多用于船舶艉轴、水轮机、水泵以及农业机械和矿山机械等。例如英国的海沃德—泰勒公司在无填料泵的结构中采用了水润滑滑动轴承,其轴承材料为马氏体不锈钢或在碳钢表面镀铬,而轴瓦材料为石棉填充酚酐树脂,使用效果较好。德国的维克斯(Vickers)和米契尔(Michell)公司则在深井泵中和潜水泵中采用水润滑橡胶轴承。加拿大的汤姆逊—戈尔登有限公司在船舶尾轴的支承中采用了水润滑系统,在不锈钢轴承上复合一层聚合材料作轴瓦。日本在离心泵和船用离心泵中广泛采用了水润滑轴承;在大型内燃机油轮用辅锅炉给水泵中,采用了自给式的水润滑轴承,轴瓦材料为渗碳合金[4]。目前国内应用的水润滑轴承仍相对较少。例如在泵上应用的水润滑橡胶轴承大多是从德国引进技术,通过模型试验、对比和评价试验总结出经验参数而加工制造的。中国从20世纪50年代开始在船用离心泵和轴流泵中采用水润滑轴承。目前国内比较有代表性的关于水润滑轴承的工程应用与研究如下:二机部第一设计院设计的核泵水润滑轴承;江都三站大型立式轴流泵上采用的酚酐塑料水润滑轴承；潜水电泵上采用的水润滑塑料推力轴承等。重庆大学在水润滑尾轴承材料的研宄方面也开展了大量的研宄,在试验台架MPV-20屏显式摩擦磨损试验机针对其和重庆奔腾科技发展有限公司合作研制的并运用于船舶中的BTG，丁腈橡胶,通过共混改性的UHMWPE复合材料,聚四氟乙稀等尾轴承材料进行了全面的摩擦磨损性能试验研究。青岛理工大学在材料的润滑条件和润滑介质方面开展了大量的研宄,MRH-3型数显式高速环块摩擦磨损试验机上对橡胶试块材料与锻镇钢环,赛龙材料,陶瓷材料分别在干摩擦条件下、边界润滑条件下及海水和淡水不同的水质润滑条件下用进行了摩擦磨损性能的研究,对橡胶材料、赛龙材料和陶瓷材料的在三种不同润滑状态和不同的润滑介质下的(淡水、海水)摩擦磨损特性进行了对比分析。2水润滑理论研究与结构设计2.1水润滑理论研究水润滑轴承用自然水做润滑介质，不需要特殊的轴承室，同时不需要在强制润滑条件下的润滑供给装置。但水有黏度低，海水锈蚀作用较强，易引起绝大多数材料电化学腐蚀和高分子材料老化，气蚀使材料受到侵蚀等缺点。所以水润滑轴承一般要求轴承材料具有较高的硬度，较好的耐磨性(尤其耐磨粒磨损)和耐腐蚀性，较好的表面水润湿性和极小的吸水膨胀性[5]。近年来，水润滑轴承理论研究主要集中在流体模拟计算、结构设计和台架试验检测性能等方面。HarishHirani等对印第安海洋警卫队舰船只所使用的4种赛龙艉轴承材料进行系统的弹流理论计算和磨损模型分析研究。研究发现，随着轴承转速的增加，海水的动态黏度增加；海水污染物颗粒在40-120nm范围内时对橡胶轴承的影响不大；合理分配水润滑沟槽有利于提高轴承寿命。在给出载荷、速度、轴承半径间隙的条件下，他们利用雷诺方程，计算出弹性流体动力润滑薄膜厚度[6]。AlexdeKraker等根据雷诺方程、利用有限差分法计算出沟槽液体压力，并且计算出薄膜厚度和接触压力，能够很好地评价弹性流体动力润滑轴承的承载能力和摩擦学性能。TanamalTanKongHongRyan利用CFD建立了纵向沟槽水润滑轴承的流体流动模型，并通过对水润滑径向轴承流体进行模拟，得出了不同润滑剂、偏心率及周向安装情况下水润滑轴承的压力分布及流场，通过对润滑剂压力分布的分析发现，水润滑轴承的纵向沟槽能减小轴承的压力及承载能力，在沟槽处会发现流体回流及涡流，并且与润滑剂的黏度有很多的关系[7]。2.2水润滑轴承结构设计水润滑轴承结构设计重点集中在水槽结构上，比较普遍采用的是径向水槽。彭娅玲采用CFD分析了水润滑下低速重载轴向半开槽轴承(图1(a))和轴向全开槽轴承(见图1(b))在相同偏心率下轴承凹槽结构对轴承内部温度和承载能力的影响，结果表明:全开槽轴承的工作温度较低，轴向凹槽对于轴承的冷却起着决定性的影响;下半部分光滑的半开槽轴承比全开槽轴承的承载能力大，半开槽轴承有一个连续的压力分布，允许水力膜产生连续的动压力，使得轴承的负载能力较高;水润滑轴承中的水道槽除了散热外，还有利于提高抗磨粒磨损性能;在水作润滑介质条件下工作时，轴承材料会受到悬浮在水中的固体粒子的磨损作用，如果这些粒子落入金属轴和轴承之间，就会顺着其旋转方向被水流推到最近的水槽内，并被水冲走[8]。图1水润滑轴承开槽示意图在水润滑轴承凹槽的设计方面，有一种圆环槽水润滑轴承设计方式，即在内衬套采用沿周向成均匀分布的圆弧环形水道凹槽，相邻圆弧凹槽的工作面由多个圆弧曲面组成(见图1(c))。这种设计使轴承更容易产生弹性流体动压润滑，在传动轴与轴承之间形成水膜支撑，减小摩擦磨损，并具有良好的泥沙、杂质排泄能力，使寿命明显延长。目前轴承内表面水槽通常使用圆弧型结构[9]。但经过对水润滑轴承的工作原理及主要结构设计进行研究后认为，平面型结构比圆弧型结构更符合弹流润滑理论中轴与平面组成摩擦副;使用平面型轴承在轴起动时摩擦因数较圆弧轴承小，在载荷较大情况下尤为明显，这主要是轴与轴承接触面积减小造成的。因此，近来承载部分平面型水槽结构也越来越多地被采用。此外，是否还有其他水槽结构具有更好的性能，还有待研究。比如，螺旋线分布的水槽结构在理论上综合了径向与周向水槽的优点，但是有关螺旋线水槽在工程实际当中的应用效果至今还没有人报道，还需要通过试验进行验证。3几种常见水润滑轴承材料水润滑轴承与传统的油润滑轴承在轴承的材料的选择上有很大的区别,这主要是由于润滑介质发生改变由润滑油变为水所造成的。水润滑中润滑介质水对金属轴承会由于化学反应等原因产生一定的腐烛,并且水自身的性质特点它的粘度比油低很多,因此水润滑中完成形成润滑水膜比较困难且其水膜比较薄[10]。所以在选择水润滑轴承材料时就必然要将材料的摩擦性能、耐磨性能以及材料抗腐烛的能力作为考虑的主要因素。对船舶水润滑尾轴承材料的主要性能要求如下:(1)具有良好的摩擦润滑性能,由于尾轴承经常处于恶劣的润滑条件下,因此尾轴承材料的润滑性能优良与否就显得尤为重要。(2)优良的机械物理力学性能: