摘 要

水润滑滑动轴承是润滑介质为水的一种轴承，清洁无污染，轴承的配合间隙小，抵抗激振能力强，能保证加工的精密度较高。这些优点使得水润滑滑动轴承在近来得到了普遍的使用。但水润滑滑动轴承轴承仍需要进一步优化其润滑性能，包括对摩擦系数的降低，降低轴承磨损量等方面。为了对摩擦学性能进行进一步的优化和改良，本文的研究对象是以热塑性聚氨酯为原材料的水润滑滑动轴承，进一步探究其表面织构摩擦性能，包含有摩擦系数和表面形貌等数据的试验研究和理论分析。探究织构的主要特征包括几何外形、面积比、凹凸程度对于热塑性聚氨酯水润滑滑动轴承的摩擦性能的影响，为水润滑滑动轴承上存在的表面织构在实际中的使用提供理论支撑。研究工作和成果如下：

（1）在SoildWorks中设计不同图案、凹凸程度的水润滑滑动轴承的3D模型，并使用新型的加工技术—3D打印技术制备本次实验所需的热塑性聚氨酯滑动轴承。

（2）通过CBZ-1型船舶轴承摩擦试验机采取加载不同载荷的实验方式进行摩擦特性实验。从而得到所需的摩擦系数实验数据。并对其进行分析处理。结果表明：表面织构的存在确实对于水润滑轴承的摩擦学性能有较好的优化，使其摩擦系数有明显的降低；且最小的是存在凸出纹理的摩擦系数，其次是存在凹槽纹理的摩擦系数，无纹理的摩擦系数最大。故可以说表面织构对于以水为润滑剂的滑动轴承的摩擦学特性具有优化作用。

（3）通过表面轮廓仪对试验所用的水润滑轴承表面进行扫描，从而得出轴承的表面形貌，可进一步分析出轴承的摩擦情况。结果表明：表面存在纹理的轴承摩擦损耗程度远远低于表面无纹理的轴承。

关键词：水润滑轴承、表面织构、热塑性聚氨酯、摩擦性能

Abstract

Water-lubricated bearing is a kind of bearing with natural water as the lubrication medium, which is clean and pollution-free, has small bearing clearance, strong anti-vibration ability and can provide higher processing accuracy. These advantages make the water-lubricated bearings have been widely used in recent years. However, water-lubricated bearings still need to further optimize their tribological properties, including reducing the coefficient of friction and bearing wear. In order to achieve the goal of optimizing the tribological performance, a study was conducted on the tribological performance of the surface texture of the hydro-lubricated thermoplastic polyurethane bearing, mainly including the experimental study and theoretical analysis of friction coefficient, wear amount and surface morphology. The influence of the shape, size and degree of concavity of the surface texture on the tribological properties of the thermoplastic polyurethane water-lubricated bearing was investigated, providing theoretical support for the engineering application of the surface texture in the water-lubricated bearing. The research work and results are as follows:

(1) 3D models of water-lubricated bearings with different patterns and degrees of concave and convex were established in SoildWorks, and the polyurethane bearings required for the experiment were produced by a new processing technology -- 3D printing technology.

(2) The tribological properties of cbz-1 ship shafting friction and wear testing machine are tested by loading different loads. The experimental data of friction coefficient are obtained. And carry on the analysis processing to it. The results show that the existence of surface texture can optimize the tribological properties of water-lubricated bearing and reduce the friction coefficient obviously. Moreover, the friction coefficient of convex texture on the surface is the smallest, followed by the friction coefficient of grooved texture on the surface, and the friction coefficient of non-woven texture is the largest. Therefore, it can be said that the surface texture can optimize the friction performance of water-lubricated bearings.

(3) Scan the surface of the water-lubricated bearing used in the test with the surface profiler, so as to obtain the surface morphology of the bearing and further analyze the friction situation of the bearing. The results show that; The wear degree of the specimen with texture on the surface is much lower than that without texture on the surface.

Key word：Water lubricated bearing；surface texture； thermoplastic polyurethane, friction properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景和研究意义 1

1.2 国内外研究进展2

1.2.1 水润滑轴承的摩擦学性能研究2

1.2.2 表面织构的摩擦学性能研究3

1.2.3 表面织构的制备方式4

1.3 研究目标、研究内容 4

1.3.1 研究目标 4

1.3.2 研究内容和研究方法 4

第2章 试验材料的设计、制备与性能试验 6

2.1 热塑性聚氨酯材料介绍6

2.2 表面纹理结构的设计与制备6

2.2.1 表面纹理结构的设计6

2.2.2 表面纹理结构的制备8

2.3 试验设备介绍8

2.3.1 CBZ-1型船舶轴系摩擦磨损试验机8

2.3.2 表面轮廓仪9

2.4 本章小结10

第3章 表面织构水润滑轴承摩擦特性试验与分析11

3.1 实验设计11

3.1.1 实验准备11

3.1.2 实验工况参数设定11

3.1.3 实验步骤11

3.2 不同表面纹理结构对摩擦副摩擦磨损性能影响分析12

3.2.1 摩擦性能分析12

3.2.2 表面形貌分析13

3.3 织构凹凸程度对于摩擦副摩擦性能影响分析15

3.3.1 凸起织构凸起高度对摩擦性能的分析16

3.3.2 凹槽织构深度对摩擦性能的分析16

3.4 载荷对摩擦副摩擦磨损性能影响分析17

3.5 本章小结18

第4章 结论和展望20

4.1 结论20

4.2 展望20

参考文献21

致谢23

第1章 绪论

1.1选题背景和研究意义

以油作为润滑剂的轴承被称为油润滑滑动轴承，由于油的粘度较高，轴承在速度较高运行的工况下会造成较高的温度，从而对滑动轴承的热稳定性产生了影响。而且油润滑轴承有另一缺点就是在运转过程中会出现润滑油泄露的情况，这种情况的发生就会对环境产生比较严重的危害，特别对于民用船舶或者军用船舶等所产生的润滑油泄露会对所在的水体环境直接造成污染。而对于水润滑滑动轴承来说这些问题都不存在，水润滑滑动尾轴承是一种以自然水为润滑剂的滑动轴承，相比与以油为润滑剂的滑动轴承来说，优点有下面几点：环境无损害，节约能源，而且在速度较高的运行下的温度较低对滑动轴承的热稳定性不会造成影响，有更好的冷却效率。此外，轴承的配合间隙很小，抵抗激振的性能较好，并且有很高的精密度。但也是由自然水替换油作为润滑剂的原因，从而使水润滑滑动尾轴承的承载能力有所下降。当前，在各类船舶中水润滑滑动轴承早已受到了较为普遍的使用，也逐步变为了高速精密加工业的前沿探究方向。

近来，表面纹理织构成为了提升工件表面摩擦性能的新型方式之一，表面纹理作为目前最备受瞩目的一类外表改良方式，这个方法是利用精密的加工工艺对表面形貌进行高精度的控制，在配合面制造出一些凹槽或凸体等各种几何形状，来改良摩擦副的摩擦特性，比如，降低摩擦损耗、较小摩擦系数、提升工件承受载荷的能力等，目前这项技术早已在发动机气缸、滑动轴承等方向得到了一些进展和突破。

研究表明，织构深度、织构形状、截面积、分布等一些几何特征对轴承的表面摩擦系数、压力分布、温度、承载能力等润滑性能产生的影响不同。表面纹理织构的存在不仅可以颇有成效的提升轴承的对载荷的承受能力，同时还可以减小轴承的摩擦系数。通过大量的国内外研究人员对表面纹理织构对滑动轴承摩擦性能的影响的实验探究，结果表明，设有矩形凹槽的表面纹理润滑效果最佳，织构底部纵深设计最佳能使其承载力最强。因此，只有对表面纹理织构进行合理的规划才能改善其轴承的润滑性能。也有研究表明，当在参数不同的情况下运行时，即便在相同的织构几何参数下，织构对轴承性能的影响也不相同。

轴承配合面纹理织构的构造对润滑剂在表面的流动有相当重要的影响，对于滑动轴承表面的织构构造进行不断优化和调整，找到最好的凹槽深度和凸起高度，设计出最佳的表面织构的构造方法。另外，在流体润滑的情况下，在轴承表面加工出恰到好处的凸起或凹槽等织构可以形成流体动压力，不仅对润滑膜的形成有利，降低轴承摩擦副之间的摩擦，并且在一定程度上能够尽量地增大轴承的承载力。所以对水润滑滑动尾轴承表面凹凸织构的润滑性能的研究是有十分重大的意义的。

而且国内对于凸出织构纹理的研究尚存在一定的空白，但凸出的织构纹理能够有效的排出磨损磨粒，为其排出提供了通道，因此我们可以预期凸出织构的摩擦特性可能相对于沟槽表面的摩擦特性较好。

1.2国内外研究进展

1.2.1水润滑轴承的摩擦学性能研究

高元等^[1]进行了不同形状的织构对轴承摩擦学性能的影响，做了椭圆形、矩形等不同形状表面织构及其分布的比较实验，并对结果进行了研究分析，研究表明，矩形凹槽的润滑能力最佳。Wang等^[2]对织构内部深度开展优化设计。结果表明，织构底部深度在最优的情况下能够使其有最大的承载力，因此，只有设计合理科学的表面织构才能对轴承的润滑性能有有效的改善。Gherca等^[3]研究了在不同工况下转速、载荷不同对织构化止推轴承的静态特性的影响，研究结果表明，当在参数不同的情况下运行时，即便在相同的织构几何参数下，织构对轴承性能的影响也不相同。Rahman等^[4]实验研究了表面织构对平行推力轴承性能的影响。研究表明，表面织构不仅能减小轴承表面之间的摩擦系数，而且还提升了轴承的承载力。

林乃明^[5-6]等做了在无润滑剂的干燥摩擦状态下织构纹理作用的研究，实验结果表明:纹理存在于摩擦副表面可以聚积润滑剂和留存磨粒，可以生成水动压润滑，减小摩擦损耗;当织构与润滑剂产生触碰时，由于产生了局部漩涡使得轴承表面与润滑剂的触碰面积减少从而达到了降低阻力的目的。Huang等^[7]所作的实验结果表明:存在分布紧密的细小的凹陷可以在受力的情况下促使润滑介质的均匀遍布在表面。Zhou等^[8]在缸套的表面上了做了纹理设计实验，得到：由于缸套顶部和下部存在的圆形凹坑使得油膜的厚度有所提升，并且有助于流体动压润滑的形成。

张东亚^[9]探究了表面纹理织构存在的轴承的润滑性能，实验研究表明：滑动速度影响着滑动轴承润滑油膜的建立，合适的速度对摩擦区域动压油膜形成有利;随着滑动速度的逐步增加滑动轴承的摩擦系数呈现出先降低后增大的趋势。这种现象是由于速度的逐步增加，在无纹理表面停留的润滑介质在圆周运动的离心力的影响下飞出配合面，接触区的润滑介质持续减少而无法保证供油，因此不能在轴承表面生成有用的油膜，从而导致了无织构表面的摩擦系数增加且波动强烈。相比较与无织构轴承而言，微坑织构具有一个优点就是能够在织构内储存有一定量的润滑油，且呈现缺乏介质润滑时，在织构内聚积的润滑介质可以生成第二次润滑，进一步确保存在表面织构的配合面的摩擦系数无太大波动和保持较小的数值，且矩形阵列织构具有更低和更好稳定性的摩擦系数，与发射线阵列织构相比较而言

2011年，袁思欢^[10]使用Fluent软件分析了存在的沟槽织构如何对润滑介质的分布产生影响，实验研究表明：压力由正到负的过渡区域是沟槽之间的区域。如果设计的表面微沟槽合理，正压部分和负压部分就可以在区域内相互独立，在区域内的正压部分能够体现出其良好的承载能力。但是伴随着沟槽面密度的增加，正压和负压区域就出现了联合不再相互独立，压力值在正负压联合的区域出现了明显的降低，即刻削弱了承载力。在不关注配合面的表面粗糙度对降低摩擦损耗的影响的情况下，凹槽深度越小轴承的降低摩擦损耗的效果越佳。

尹必峰等^[11]气缸套表面纹理的合作润滑效应做出了实验探究，随着纹理的面积比进一步增加，润滑介质油在高压力和低压力区域之间由于合作润滑性而来回流动，降压作用由于润滑介质的流动产生了，从而高压力区域的油膜的最高值有所减小，所以油膜压力梯度减小并且平均分散，所形成膜的承受载荷的面变大，厚度突然间增加，因此提升了油膜承受载荷的能力。

西安交通大学的林起釜等^[12]做了表面织构的位置和长度与轴承承载能力的之间的关系的相关研究，实验研究表明：表面织构轴承承载能力是由很多复杂的因素共同影响和作用的，在许多因素中表面织构的空间布置是最重要的因素，只有设计合理科学布置的织构才可以有效的提升轴承承载能力。与表面光滑的轴承相比，当在轴承的内侧全部设置微小织构时会减小轴承的承受载荷的能力。除此之外，轴承收敛率对全织构表面对轴承的承载能力有着显著的影响。由此可见，轴承间隙尺寸影响着表面织构提高承载能力，存在的间隙越发散，越能促进形成轴承的动压润滑，也可以明显增强其承载能力；反之，表面织构无法对承载性能提升起到积极的影响。

1.2.2表面织构的摩擦学性能研究

表面纹理中的几个重要的特征包括:织构深度、沟坑底部形状轮廓、织构的排列方式、滑动方向与织构所成的夹角，和织构面积比等。之前已经有学者讨论了表面纹理织构的几何形貌对于润滑性能的影响，一般研究的形状是圆形、椭圆、三角形等。因为建模便捷和形状易于加工等因素，广泛研究了圆形凹坑的表面织构。Yu^[13]研究了水润滑条件下多种凹坑形式对摩擦学性能的影响，通过使用了计算与试验相结合的方法，结果表明：对于承载力来说，表面织构的几何形状为圆形、三角形和椭圆都各有差异，在不同摆列下拥有相同纹理织构形状的承载能力也有较大区别。Wang^[14]等人得到的研究结论与其仿真和试验结果存在很好的一致性。Qiu^[15]研究了不同的表面织构纹理对滑动轴承润滑性能的影响其中包含有球形、椭圆形、圆形、椭圆形、三角形和人字形在内的6种不同的织构形状，通过不断尝试织构排布的密度来获得最优的排列方式，对织构几何外形的改变来获得最好的织构形状；结果显示：凹坑为椭球形的表面织构的存在能够增强轴承的承载负荷的能力，但对于加工实际性和工艺性的思考，提出与椭球形类似的球形凹坑作为在实际生产中使用的形状。Nanbu^[16]等探究了纹理底部外形对润滑性能产生的影响，并得出了呈微楔或微阶梯的底部形状比平底织构更能对动压润滑膜的生成起到促进作用。

Jiang^[17]对比了三种不同表面纹理的滑动轴承包括表面无织构的光滑轴承、半球形凹坑和微凸起纹理轴承动态特征，结果表明:对于承载力来说，表面存在微小凸起织构的轴承性能强于光滑轴承，织构为沟槽的承载力不够好。齐烨等^[18]做了一个轴向沟槽织构，并研究该种织构形式对径向轴承承载性能的影响，他们在轴承内表面做了深度为1000μ深,宽度为500μ宽的轴向沟槽织构，仿真结果表明:当不断增大织构的面密度时，部分织构与完全织构影响径向轴承承载力的程度是不相同的，对于织构全部布置的情况，径向轴承承载力呈现先增加然后减小的趋势;但对于部分表面纹理，在承受载荷载区域的面积越多，就有较强的承受载荷的能力。杨卓娟等^[19]对凹坑直径和间距对轴承摩擦学性能的影响做了研究，结果发现织构具有越宽的直径及其间距，其抗磨性能也就越好。

综上，对于水润滑滑动轴承表面织构的研究有利于降低滑动轴承表面间的摩擦系数，并且可以极大地提升轴承的承受载荷能力。使得水润滑轴承的性能增强。所以对于表面凹凸织构的水润滑滑动轴承的摩擦性能研究是十分具有意义的。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：