摘 要

我国是一个多沙河流国家，而船舶尾轴承作为船舶推进系统的重要组成部分，其工作的可靠性对于船舶运行的航行安全、运营性能以及经济效益具有重要意义。船舶尾轴承的工作条件十分恶劣，既要承受螺旋桨转时的不均匀悬臂负荷及螺旋桨偶然碰到障碍物时的动力负荷，又要承受尾轴和螺旋桨重量及运转过程中可能发生的附加振动力，由于水润滑具有较低的粘度，因此在运行过程中更难形成有效的水膜，导致水润滑轴承往往处于混合润滑与边界润滑状态，因此，全面分析泥沙环境下水润滑轴承材料的摩擦学性能对于船舶动力系统能效的提升以及延长其使用寿命具有重要意义。

论文以船舶水润滑尾轴承材料热塑性聚氨酯为研究对象，利用CBZ-1船舶轴系摩擦磨损试验机，模拟内河环境条件下对其开展在不同泥沙粒度环境不同载荷下的摩擦磨损试验，对三种泥沙粒度，在三种不同载荷情况下进行了比较，从摩擦系数，磨损量及表面形貌三个方面进行对比分析。得出不同泥沙粒度与不同载荷下热塑性聚氨酯摩擦磨损规律和机理；研究结果表明：

1. 在水润滑环境中，摩擦副摩擦系数随着试验时间的增加，逐渐减小并趋向稳定。
2. 不同泥沙粒度对聚氨酯基体的摩擦学性能影响有很大关系，在载荷0.3MPa的实验中，随着泥沙粒度变大，摩擦系数逐渐上升。且载荷越大，摩擦系数上升越明显。
3. 磨损量数据得出，随着载荷增大，磨损量相应增加。500目0.5MPa载荷下的磨损量最大，试样发生严重的裂纹和脱屑，导致表面出现塑性变形粒度为325目的磨损量增加了比纯水略微严重，但是要小于其他粒度。
4. 不同泥沙粒度对铜盘的表面形貌有很大的影响，325目 0.3MPa载荷下铜盘试验表面的擦痕少并且浅表面粗糙度较低，并且表面较为光滑，摩擦过程平缓；500目0.5MPa环境下铜盘表面形貌影响波动很大，从表面形貌上看，摩擦性能变差。

本文特色：探究在不同泥沙粒度对聚氨酯材料的影响，同时，探究载荷对热塑性聚氨酯材料的影响，采集摩擦系数、磨损量、表面形貌等数据。

关键词：热塑性聚氨酯；水润滑轴承；泥沙粒度；摩擦磨损；表面形貌

Abstract

China is a country with sandy rivers. As an important part of the ship propulsion system, the reliability of the ship tail bearing is of great significance to the navigation safety, operation performance and economic benefits of ship operation.Working conditions of Marine stern bearing is very bad, should not only bear the non-uniform cantilever when the propeller load and dynamic load of the propeller when accidental encounter obstacles and to inherit the stern shaft and propeller weight and additional vibration may occur in the process of operation, as a result of the water lubrication has lower viscosity, so more difficult to form effective water film in the process of running, cause the water lubricated bearing often in mixed lubrication and the boundary lubrication condition, therefore, comprehensive analysis and sediment environment of water lubricated bearing material tribology performance ascension for ship power system energy efficiency and prolong its service life is of great significance.

Ship water lubricated stern bearing thermoplastic polyurethane materials as the research object, using the CBZ - 1 ship shafting friction and wear testing machine, the simulation of river environmental conditions of the sediment grain size in different environments of friction and wear test under different load, the three kinds of sediment grain size, in three different load cases are compared, the friction coefficient and wear volume and the surface morphology three aspects were analyzed.The friction and wear law and mechanism of thermoplastic polyurethane under different silt particle size and load are obtained.

The results show that :(1) in the water-lubricated environment, the friction coefficient of the friction pair gradually decreases and tends to be stable with the increase of test time;(2) the effect of different sediment particle sizes on the tribological properties of polyurethane matrix has a great relationship. In the experiment with load of 0.3mpa, the friction coefficient increases gradually as the sediment particle size increases.The higher the load is, the higher the friction coefficient is.(3) wear data show that the wear increases with the increase of load.500 mesh under the load of 0.5mpa, the maximum amount of wear, serious cracks and descaling of the sample, resulting in surface plastic deformation particle size of 325, increased slightly more serious than pure water, but smaller than other particle size;(4) different sediment particle size has a great impact on the surface topography of the copper plate. Under 325 mesh 0.3mpa load, the surface of the copper plate test has few scratches and low surface roughness, and the surface is smooth and the friction process is gentle.The influence of surface topography on the copper disk under 500 mesh 0.5mpa environment fluctuates greatly. From the surface topography, the friction performance becomes worse.

Characteristics of this paper: to explore the impact of different sediment particle size on polyurethane materials, at the same time, to explore the impact of load on thermoplastic polyurethane materials, the collection of friction coefficient, wear, surface topography and other data, to provide a basis for this paper.

Keyword: TPU; water-lubricated stern bearing; sediment grain size;friction and wear;surface morphology

目 录

第一章 绪论 1

1.目的及意义 1

1.1水润滑轴承研究目的与意义 1

1.2国内外的研究现状分析 2

1.3本文研究的基本内容和研究路线 4

第二章 实验设备及分析手段 6

2.1 实验设备 6

2.1.1 摩擦磨损实验设备 6

2.2 分析仪器 7

2.2.2 激光干涉表面轮廓仪 7

2.2.3 超景深三维显微镜 8

2.2.4电子天平 8

2.3本章小结 9

第三章 不同泥沙粒度对热塑性聚氨酯试样的摩擦性能研究 10

3.1前言 10

3.2摩擦磨损试验 10

3.2.1 试验目的 10

3.2.2 试验材料 10

3.2.3 试验设计与原理 11

3.2.4 试验测试 11

3.2.5沙粒在摩擦副之间的运动过程分析 13

3.3 实验结果与分析 13

3.3.2磨损量和磨损表面表面分析 16

3.3.3表面形貌分析 18

3.4 本章小结 19

第4章 总结与展望 21

4.1 总结 21

4.2 展望 21

参考文献 23

致 谢 25

本科期间发表的论文及参与的科研项目 25

一、 本科期间发表的论文 25

二、 本科期间主持的科研项目 25

三、 本科期间申请的专利 25

第一章 绪论

1. 目的及意义

1.1 水润滑轴承研究目的与意义

近年来，随着环境恶化以及全球变暖问题等，环境保护问题逐渐受到人们重视，而石油资源的日渐枯竭和使用石油资源带来的大气污染、海洋污染等，使得以水介质代替传统润滑油作为润滑剂的水润滑尾轴承得到发展。由于水润滑尾轴承具有无污染、成本低及材料资源丰富等优点，因此成为国内外在船舶领域内争相研究的热点^[1-3]。传统的船舶尾轴承衬套为金属结构，以润滑油作为润滑介质，导致润滑油和金属资源的浪费，而且尾轴泄露的润滑油，使得航行水域污染严重，导致大量浮游生物和鱼类死亡，随着人们环保意识的增强，少数发达国家投入了大量资金及精力投入其治理技术和装备研究^[4-6]。同时水润滑轴承还能有效解决船舶轴系产生的磨损、振动、噪声等问题^[7-8]。由于水的粘度较低，同常为矿物油的5%，导致其润滑膜和承载能力较低，为油膜的33%，所以提升尾轴承的自润滑性能，尤其在船舶启停以及低速重载运行等恶劣工况下，对于提升船舶动力系统能效及延长船舶服役寿命极为重要。所以各类水润滑轴承材料得到广泛研究。

1.1.1 泥沙粒度对热塑性聚氨酯摩擦性能研究目的

1）研究不同运行工况(载荷0.3MPa，0.5MPa，0.7MPa),不同润滑介质（纯水、不同泥沙颗粒度315目，500目，5000目）等因素对热塑性聚氨酯摩擦磨损性能的影响；

2）解析出摩擦副在不同沙粒度以及含沙量介质中的磨损运动过程，并深入分析含沙量与颗粒度影响摩擦机理的物理模型；

3）对比在不同运行工况下不同沙粒度对热塑性聚氨酯表面的试样磨损表面形貌的影响；

1.1.2 泥沙粒度对热塑性聚氨酯摩擦性能研究意义

我国的众多湖泊河流中含沙量均较高，作为中国第一大河，长江的泥沙含量问题尤为突出。长江是中国最重要的内河航道之一，由于水土流失严重使得支流的含沙量增加续迅速，造成了长江干流多年平均含沙量较高，达到了 2.86 kg/m³，局部流域在枯水季节的含沙量8 kg/m^{3 [9]}。其平均泥沙含量在世界河流上占第4 位^[10]。因此船舶行驶在含沙量很高的水域中时，其船舶尾轴承的防磨衬套出现不同程度的磨损，其中磨损的原因主要是由疲劳磨损和磨料磨损，磨料磨损造成的磨损更为严重^[11]。大量的财力和人力被花在修理或更换这些磨损部件^[12]。因此研究在泥沙环境下水润滑尾轴承材料的摩擦磨损性能，能提高船舶整机的动力性能。探究热塑性聚氨酯材料在不同载荷和不同泥沙粒度下的摩擦磨损性能，对行驶在泥沙水域中船舶尾轴承材料的选取提供参考。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1 水润滑尾轴承材料研究现状

随着科技的发展，水润滑轴承材料的使用逐步从天然木材到橡胶、树脂塑料以及人工合成的复合材料，但就目前研究的材料而言，每种材料都有其自身的缺点从而影响将其运用到实际中。船舶尾轴承材料主要性能总结如下：

1）铁梨木：铁梨木含有约为20%的树脂成分，在运行过程中，树脂渗透到接触表面与水形成乳化液，增大粘度，有助于水膜形成，并增大水膜承载能力，这些特点使铁梨木轴承与轴颈之间的润滑性能优异，但铁梨木原材稀少、资源短缺和价格昂贵，因此急需寻求替代材料。

2）橡胶：橡胶材料具有较好的弹性且摩擦性能优异，具有良好的吸振性能与自润滑性能，水润滑尾轴承的材料要求具有良好的耐油性、疏水性和抗腐蚀能力，而丁腈橡胶可以很好的满足这些要求。但橡胶材料由于长时间运行会加剧材料的老化导致其性能降低，并且在泥沙环境中橡胶材料极易产生磨粒磨损。不同运转速度、载荷和冷却水温度对水润滑橡胶轴承的摩擦系数和磨损影响明显，会导致轴承振动状态发生显著变化^[13]。

3）金属：金属材料一般具有硬度较高、弹性模量大的特点，因此对负荷的缓冲能力差，所产生的振动大，并且自润滑性能较差，不易产生水膜，此外，在水中极易产生腐蚀，因此一般不作为水润滑轴承材料。

4）工程塑料：水润滑赛龙轴承于上世纪首先由加拿大的汤姆逊古登研制成功，取代了传统的铁犁木和橡胶材料的轴承。赛龙轴承有弹性高、韧性好、不易发生塑性形变、使用周期长、润滑程度高和不易老化的特点，它使用水为润滑介质，其耐磨程度可达铁犁木的4倍以上。但是与金属材料相比，赛龙的导热性较差，在高温下易分解，因而不适宜在温度较高的工况下使用。所以工程塑料具有较低的摩擦系数及塑性磨合性能，并且高分子材料具有来源广泛及价格低廉等优势，逐渐发展成为水润滑尾轴承材料的新宠。目前主要通过高分子材料填充润滑剂以及材料共混改性强化其摩擦性能。

1.2.2 泥沙对摩擦副摩擦磨损性能影响方面的研究进展

泥沙浓度和泥沙粒度对摩擦副的摩擦磨损性能都有很大的影响，并且泥沙浓度对其影响程度更大。泥沙浓度的逐渐增加，使得磨粒磨损加剧，材料的摩擦学性能下降。泥沙粒度对摩擦学性能的影响相对复杂，粒径不仅影响着摩擦副间切向应力的大小，而且还对泥沙颗粒进入摩擦副间隙的难易程度起决定性作用。

1.2.3 泥沙对UHMWPE材料的摩擦磨损性能影响

泥沙对UHMWPE/ZCuSn10Zn2摩擦副的摩擦学性能的影响明显。泥沙颗粒会破环润滑水膜导致泥沙颗粒与磨损表面直接接触，从而会加剧摩擦副表面的磨粒磨损。泥沙的浓度对UHMWPE/ZCuSn10Zn2摩擦副摩擦性能的影响要优于泥沙粒度；UHMWPE的摩擦性能随着泥沙浓度的增加而逐渐下降；泥沙粒度影响着摩擦副间的切应力和沙粒进入摩擦副间隙的难易程度。

1.2.4 泥沙对丁腈橡胶材料的摩擦磨损性能影响

对于丁腈橡胶而言，泥沙粒度会对摩擦副表面形成严重的磨料磨损，使得摩擦系数、体积磨损量和粗糙度增加。当润滑水膜的厚度大于泥沙粒度的直径时，泥沙颗粒可以较为容易的跟随水膜的流动被带入或带出摩擦副表面。在整个运动过程中，丁腈橡胶销磨损表面或铜盘表面与少量泥沙颗粒接触，由于冲刷作用和摩擦运动对其产生磨损。当润滑水膜的厚度小于泥沙粒度时，泥沙颗粒直接与摩擦副磨损表面接触，泥沙颗粒会对摩擦副表面形成严重的磨料磨损，使得摩擦系数、体积磨损量和粗糙度增加^[14]。

1.2.5 泥沙对愈创树脂材料的摩擦磨损性能影响

对于愈创树脂材料而言，不同泥沙粒度对摩擦系数有着不同影响，同时还会影响着材料的磨损性能。经实验表明不同添加量的愈创树脂会改变该材料的磨损性能，在泥沙粒度较小的情况下，当愈创树脂添加量大于1%时，磨损量随添加量的增加而上升，且粒度越小，材料的磨损量越大^[15]。

1.2.6 热塑性聚氨酯材料的摩擦学性能研究现状

热塑性聚氨酯(TPU)材料相对于其他聚氨酯材料发展起步较晚，相关学者于上世纪50年代开始对TPU材料进行研究^[16]。热塑性聚氨酯作为一种新型的高分子材料，它具有优良的性能，应用范围十分广泛，是世界各国公认的绿色环保材料。它与浇注型聚氨酯（CPU）材料和混炼型聚氨酯（MPU）材料在物理结构上有一定的相似性；但是无论是化学性能还是化学结构，三者均有较大区别。这种物理结构使得热塑性聚氨酯具有高模量、高强度、高伸长和高弹性等优点；其耐磨性、抗低温能力和使用寿命较其他材料也更加优秀，因而TPU是一种性能优良、工程应用价值较高的新型高分子合成材料^[17]。

1.2.7 热塑性聚氨酯的应用

(1)在薄膜方面的应用

热塑性聚氨酯具有良好的生物相容性、耐久性和血液相容性，是制造人造器官的主要材料之一，如气囊、血袋、薄膜等。热塑性聚氨酯薄膜也可用于颌面部和颅面部移植修复。与其他高分子材料相比，热塑性聚氨酯薄膜能有效抑制细菌的滋生且透气性能、防水性能极佳，因而广泛应用于服装制造行业和商品包装行业^[18]。同时具有优异的抗拉强度、硬度、断裂伸长率、耐化学性等优良特性^[19]。

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