摘 要

近年来，水润滑轴承在船舶推进系统中的运用越来越宽泛，它工作的可靠性、经济性和环保性对船舶的航行安全、环保性能和营运成本有直接影响。研究水润滑尾轴承的摩擦磨损机理对保障船舶的安全行驶和降低运营成本有重要的意义。

本文介绍了基于TPU的聚乙烯醇共混材料在水润滑环境下的摩擦磨损分析。采用不同配比聚乙烯醇的混合材料制备摩擦磨损试样，将试样做泡水处理，对试样进行泡水前后表面纹理分析；使用CBZ-1摩擦磨损试验机进行摩擦学性能分析，比较不同配比的共混材料的摩擦学性能；使用表面轮廓仪对试验后试样进行磨损表面形貌分析。

综合分析指出，在加入5%配比的聚乙烯醇的共混材料试样表现出良好的亲水性和弹性变形能力，表面粗糙度较低，且有利于润滑水膜的形成。

关键词：水润滑轴承；TPU；摩擦磨损；改性亲水纤维

Abstract

In recent years, the use of water-lubricated bearings in marine propulsion systems has become more and more extensive, and its reliability, economy and environmental protection have a direct impact on the navigation safety, environmental performance and operating costs of ships. Studying the friction and wear mechanism of water-lubricated tail bearings is of great significance to ensure the safe driving of ships and reduce operating costs.

This paper introduces the friction and wear analysis of TPU-based polyvinyl alcohol blending materials in water lubrication environment. Friction and wear samples were prepared by mixing materials with different ratios of polyvinyl alcohol. The samples were treated with water soaking, and the surface texture of the samples was analyzed before and after soaking. Tribological performance analysis was performed using CBZ-1 friction and wear tester. Tribological properties of blended materials with different ratios; surface profile analysis of worn samples after surface test using surface profilometer.

The comprehensive analysis indicated that the blended material sample with 5% ratio of polyvinyl alcohol showed good hydrophilicity and elastic deformation ability, low surface roughness, and favorable for the formation of lubricating water film.

Key Words：Water lubricated bearing; TPU; friction and wear; modified hydrophilic fiber

目录

第1章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 研究目的及意义 2

1.2.1 研究目的 2

1.2.2 研究意义 2

1.3 国内外水润滑材料研究现状 2

1.4 研究的基本内容 3

1.5 研究的目标 3

1.6 拟采取的技术方案及措施 4

1.6.1 拟采取的技术方案 4

1.6.2 拟采取的实验方案 4

第2章 实验部分 6

2.1 实验原料 6

2.1.1 实验原料选取的研究 6

2.1.2 实验原料 6

2.1.3 TPU的特性介绍 6

2.1.4 聚乙烯醇的特性介绍 8

2.2 共混材料的制备 8

2.3 摩擦学性能试验 9

2.4 本章小结 10

第3章 结果与分析 12

3.1泡水前后试样表面形貌分析 12

3.2不同聚乙烯醇含量复合材料的摩擦学性能分析 12

3.2.1摩擦系数分析 12

3.2.2 磨损量分析 16

3.3 复合材料的磨损表面形貌 17

3.4 本章小结 19

第4章 展望 21

4.1 主要成果与结论 21

4.2 展望 21

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 背景

随着生产力的发展，当前各大产业发展的基本目标仍为低排放、低能耗和高经济性。伴随着低碳经济的生活方式更加普遍，环境保护的观念逐渐受到人们的重视。水资源与我们每个人都息息相关，水资源是我们赖以生存的必不可少的资源之一，因此爱护水资源环境便是我们每个人都应尽的责任。船舶尾管系统中滑油的排放不当或者泄露是使得水资源污染的众多因素之一。在我国内河有众多船舶企业，由于船舶数量多，我国对船舶的管理机制不够完全加上河流的自我净化循环周期长等各方面原因，造成船舶滑油污染极其严重。平均一艘在航船舶，每年泄漏滑油量高达上百千克。可以推断，每年我国沿江河城市的舰船所泄露至江河之中的滑油将有上百吨到上千吨，给我国的水资源环境带来了不容小视的污染。在我国航行水域的船舶至少20万艘以上，润滑油泄漏量将更加庞大，严重破坏了航行水域以及周边的生态环境，使我们赖以生存的基本条件受到了极大的威胁^[1]。滑油泄漏这一问题受到了各个国家的重视，并且投入了众多的人力资源以研究如何完善船舶尾轴承系统。随着海洋企业的迅速发展，绿色船舶技术成为我们发展海洋事业所达成共识的手段，发展绿色船舶技术以防止类似滑油泄露等因素污染我们赖以生存的水资源。现如今，以资源节约型与环境友好型的设计理念作为研究导向为我们指明了船舶尾管轴承系统发展趋势，无污染的绿色环保型水润滑尾轴承是轴承系统的发展方向，既能够降低稀有矿物油和宝贵金属材料等的消耗以满足当前环境需求，又能够降低摩擦副之间的磨料磨损等^[2] 。所以尾轴承的材料选择便显得格外重要。

近几年来，为了减少油润滑尾轴承给环境造成的损害，尾轴承水润滑技术作为传统油润滑技术的替代品，越来越受到业界的重视，并且人们越来越重视利用环保解决方案，导致生物降解润滑剂在各种摩擦学中的广泛应用。然而，这些生物可降解润滑剂如果在它们降解期间排放到环境中仍然会产生负面影响。另一种解决方案是使用水作为润滑剂。水具有无污染，环境友好，稳定安全，节省油料及大量贵重金属等优点。同时水润滑轴承用天然水做润滑介质，不需要特殊的轴承室，也不需要在强制润滑条件下的润滑供给装置。既节省了贵重金属资源，又有利于设计结构的简化。但是，由于水的粘度低，水润滑接触往往在边界润滑条件下运行。因此，要求接触表面由能够承受在这种条件下操作的要求并且性能良好的材料构成。高度磨损和损坏的表面导致在摩擦系统中操作运动部件所需的能量增加，同时磨损增加^[3]。聚合物基材料（PBM）在水润滑接触中表现出良好的摩擦材料性能^[4][5][6]。除了良好的性能外，聚合物基材料具有更高的耐腐蚀性^[7]。因此，在水润滑环境下对不同工况下聚合物基材料的摩擦学性能分析是一大研究热点。

1.2 研究目的及意义

1.2.1 研究目的

分析运行工况对水润滑轴承材料在水润滑条件下的摩擦性能影响；分析相同纤维种类及其改性纤维不同加入量在不同工况下对水润滑轴承材料摩擦性能影响；分析加入不同量的纤维共混材料在相同工况下磨损量、力学性能参数（硬度、弹性模量）、表面粗糙度、磨损前后表面纤维分布以及亲水后材料的表面微结构分析；基于亲水材料表面微结构发生变化这一特性，探索出能够大大提高耐磨性的多种材料共混的新材料。

1.2.2 研究意义

基于TPU的聚乙烯醇亲水纤维共混材料是水环境下较为合适的轴承系统之一。它将节省大量的稀有金属原材料和矿物润滑油的贵重资源；并且在机械系统构造方面得到了优化，例如避免使用油性润滑剂以及减少供油系统，省略的空间为其他零部件的安装布局创造了条件，提高了整体的安全性和可靠性。

1.3 国内外水润滑材料研究现状

随着生产力的发展，当前各大产业发展的基本目标仍为低排放、低耗能、经济性。伴随着低碳经济的生活方式更加普遍，“环保”观念慢慢得到人们的重视。水资源与我们息息相关，是我们赖以生存的必不可少的资源之一，因此爱护水资源环境便是我们每个人应尽的责任。船舶尾管系统中滑油的排放不当或者泄露是使得水资源污染的众多因素之一。滑油泄漏这一问题受到了各个国家的重视，并且投入了众多的人力资源以研究如何完善船舶尾轴承系统。随着海洋企业的迅速发展，绿色船舶技术成为我们发展船舶行业所达成共识的手段，发展绿色船舶技术以防止滑油泄露等事故污染我们赖以生存的水资源。在现在的社会，我们国家大力发展资源节约型社会，水润滑相对于油润滑，降低了稀有石油制品的消耗并且还能对环境不造成污染，非常符合我国的基本国情和世界经济的发展趋势，因此水润滑是当今船舶尾轴承行业的发展趋势。

水环境中的摩擦副与油润滑摩擦副相比，形成润滑膜的能力较差，工况相对恶劣。但水润滑具有环境友好的特点，所以人们努力尝试应用水润滑。同时，也有一些特殊的工况，必须面对水润滑，比如：水下航行器的运动部件、深海采矿设备的行走机构、轻水核反应堆堆内滑动支撑与螺旋构件等等^[8]。

改性是改善材料摩擦学性能的重要途径之一，在水润滑条件下通过摩擦磨损试验对其摩擦学性能进行对比分析，旨在为水润滑轴承的摩擦磨损性能提升及耐磨材料的选用提供试验依据。聚合物复合材料具有优良的物理、化学和力学性能，在现代工业中的用途日益广泛。近几十年来耐磨及自润滑聚合物复合材料的发展很快，自20世纪80年代以来，国内外学者深入开展了聚合物复合材料的摩擦学性能研究。由于聚合物材料的表面硬度低，承载能力差，易磨损，为了改善其摩擦学性能，人们用多种填料增强聚合物，并研究增强材料与基体材料相互作用的机理。在聚合物复合材料中，填充材料可以显著改善基体的摩擦磨损特性，提高其机械性能和使用寿命^[9]。

目前很多学者对超高分子量聚乙烯（Ultra high molecular weight polyethylene，简称UHMWPE），混合材料在水润滑条件下的摩擦学性能做了许多研究分析^[10]，基于UHMWPE材料的摩擦磨损性能的研究聚焦于UHMWPE的复合材料、辐照交联以及二者的结合来使UHMWPE摩擦性能及使用寿命进一步延长。例如，近年来研究人员将纳米材料^[11]、聚四氟乙烯（简称PTFE）^[12]、微胶囊^[13]、碳纤维^[14]、石墨烯^[15]等润滑剂作为添加填料来提升UHMWPE摩擦磨损性能，Klapperich等^[16]利用低温Ar/C3F6等离子轻微交联UHMWPE。交联的UHMWPE表面可以抑制结晶区域沿着磨损方向的排列,从而增强耐磨性能，熊磊^[17]利用辐射交联与纳米羟基磷灰石填充的联合作用UHMWPE摩擦性能提升。但UHMWPE作为船舶尾轴承材料经常会受到水域中泥沙颗粒所造成的磨粒磨损以及工况多变性所产生摩擦磨损严重，尾轴承在低速重载以及启停等恶劣工况下经常处于边界润滑以及干摩擦状态，由此产生的大量摩擦热，使得研究时可以更多的考虑到混合材料的耐磨性能，次要考虑抗低温性能，热塑性聚氨酯（Thermoplastic polyurethanes），简称TPU，不仅拥有优异的抗磨性能，并且还拥有和UHMWPE同样的耐磨性、低摩擦系数，较高的抗冲击强度和热稳定性，优良的抗环境应力开裂性和自润滑性。

综上所述，基于TPU的亲水纤维共混材料在水润滑环境下的摩擦学分析对船舶轴承减磨具有重要意义。本文通过材料共混制备出热塑性聚氨酯（TPU）/聚乙烯醇纤维的改性TPU复合材料，在水润滑条件下旨在为水润滑轴承的摩擦磨损性能的提升提供实验依据。

1.4 研究的基本内容

1）基于TPU的混合材料的制备，研磨，注射成型；

2）分析改性亲水纤维共混材料的摩擦系数；

3）分析改性亲水纤维共混材料的磨损量；

4）分析改性亲水纤维共混材料的表面结构。

1.5 研究的目标

1）纤维共混材料设计、加工及表征；

2）完成纤维改性水润滑轴承材料(盘)的摩擦磨损试验；

3）试验数据处理及摩擦特性表征；

4）对比销试样吸水前后表面微结构的变化。

1.6 拟采取的技术方案及措施

1.6.1 拟采取的技术方案

下图1.1介绍了从材料选型到实验过程，和最后选出最佳配比共混材料的过程分析

图1.1 技术方案流程框架图

1.6.2 拟采取的实验方案

1）材料的制备

TPU和聚乙烯醇系纤维混合蜜炼制备，使用QE-70B型密炼机进行材料混合，使用M1200s型注射机将材料加工成环状，聚乙烯醇纤维填充量方案分配为：0、5%、10%、20%、30%。

2）材料测试与分析

使用CBZ-1型船舶型摩擦磨损试验机进行摩擦系数测试，材料测试选择工况为：转速250r/s、载荷1.1MPa。

第2章 实验部分

2.1 实验原料

2.1.1 实验原料选取的研究

水润滑轴承与早期使用并沿用至今的油润滑轴承有所不同，是由润滑介质水代替了油，由于水与油的各个基本特性都不相同，水的粘度远远低于油，要在水润滑条件下形成水膜相对比较困难的。因此在选择何种材料作为水润滑轴承时，我们应当考虑材料的性能。例如：一个轴承的优劣我们可以从它的物理性能中看出，由于轴承常处于一个应力交错的恶劣环境，具有较高的拉伸强度能够保证其尺寸稳定性，提高自润滑能力。轴承的主要性能还包括耐磨、耐腐蚀、耐泥沙性等等。我们所熟知的材料如金属、木质材料和橡胶等是目前制作水润滑轴承的较为普遍的几种材料，且这些材料在水环境下各个运动零部件的应用较为多元化，比较如下：

第一类：金属材料的特点。金属材料具有高硬度，高弹性模量，更耐磨。水润滑轴承的间隙固定，而且金属在水中的膨胀系数小，尺寸稳定性好，所以在低速、重载工况条件下可以更好地反映其优越性，然而对负荷的缓冲性极差，自润滑性能差，难以构成形态良好的水膜，金属材料在水环境中难以避免化学腐蚀等问题，因而不适合水润滑条件。此类轴承主要用具有耐腐蚀性能的金属，例如青铜，黄铜。

第二类：木质材料。木质材料在作为水润滑轴承材料的过程有着悠久的历史。木质材料在以海水为润滑介质的时候，摩擦系数小，在于铜合金轴配时，能够适当延长其使用寿命。但是。木质材料也有不足之处：木质材料具有吸水性，当木质材料吸水后，体积控制较难，导致无法合理控制木质材料制作的尾轴承材料的尺寸，且木质材料的抗泥沙能力弱，这使得木质材料在一些特定的工作环境下使用受到制约。

第二类：橡胶材料的特点。橡胶材料弹性好，化学稳定性好，摩擦系数低；并且具有自润滑和吸振性能；橡胶轴承原材料价钱便宜，使用起来安全可靠，是环保的绿色材料，其应用前景非常广阔。但是橡胶材料制作的尾轴承材料的水膜承载能力较弱，在低速情况下难以形成自润滑水膜。在考虑到这一点是，我们尝试在橡胶材料中加入聚乙烯醇清水纤维形成共混材料，研究改性TPU共混材料是否可以有效改善润滑水膜的形成环境，有效降低摩擦磨损。

2.1.2 实验原料

TPU（1180A）：德国巴斯夫公司；聚乙烯醇（TY-C）：常州市天怡工程纤维公司。

2.1.3 TPU的特性介绍

热塑性聚氨酯（TPU）因其低成本，耐化学性（例如耐油和耐油脂），抗撕裂性，高承载性和耐磨性而被大量使用。作为摩擦学部件，TPU材料通常用于许多领域，如汽车工业和运动设备（例如汽车内饰，滑雪板涂层和扶手）。热塑性聚氨酯（TPU）结合了热塑性聚合物的可加工性和硫化橡胶的机械性能。它们替代其他材料，聚合物或弹性体，因为它们成本低，弹性高，弹性和韧性更大，弹性回复快，承载能力高，抗撕裂，抗氧化和防潮。它们具有低摩擦系数，尽管材料具有弹性，但它们具有良好的噪音和振动吸收能力，并且具有出色的耐油脂性能。另一个优点是，由于不存在通常存在于橡胶中的化学网络，它们可以反复熔化和加工，显示出固态弹性体的典型性质，并且能够通过在高温下用于热塑性材料的方法加工。考虑到所有这些优点，这些材料在许多领域都很普遍。通常聚合物的磨损和TPU的磨损被定义为固体表面的损坏，通常涉及由于接触表面之间的相对运动而导致的材料的逐渐损失。此外，它取决于材料的性质，表面和体积机械，摩擦相互作用体的物理和化学性质，操作参数，宏观和微观几何形状以及工作环境。聚合物中磨损类型的一般分类仍然是一个开放的问题。半个多世纪以来，许多研究人员从不同角度提出了几种分类方法；但是，尚未实现公认的方法。通常，接受包括磨蚀，疲劳，腐蚀和粘着磨损的分类。Myshkin^[18]等人对聚合物的摩擦学行为进行了非常全面的综述。在这篇综述中，他们揭示了自20世纪中期以来发表的关于载荷，滑动速度和温度对聚合物摩擦和磨损的一般影响的结果。因此，在数十至数百牛顿的范围内，与聚合物的摩擦系数遵循Amontons-Coulomb定律并且通常随时间保持恒定。然而，由于聚合物的粘弹性行为，摩擦力可取决于滑动速度。热塑性聚氨酯属于弹性体类，并且结合了硫化橡胶的机械性能和热塑性塑料的可加工性。因此，聚氨酯的磨损机制与橡胶的磨损行为具有相似性。Schallamach ^[19]首先描述了橡胶的磨损，他们在磨损的表面上观察到垂直于滑动方向的脊状图案。这些山脊具有锯齿形状，它们的长度大约为几百微米到几毫米，代表其高度的十倍。此外，Schallamach^[20]发现山脊之间的间距与正常载荷的立方根成正比。Bhowmick^[21]实现SEM分析表明，这些山脊是局部微型光合并的结果。正如Southern和Thomas^[22]所指出的那样，在脊的下方形成裂缝，并在反向滑动方向上以一定角度向下传播到材料中。最近，Iwai等人^[23]解释了摩擦力，裂缝传播方向和山脊分离使得脊向后移动。最终，随着脊的生长，裂缝向上传播，形成一个分离的磨损颗粒^[24]。这种颗粒脱离应该是疲劳机理的结果：在橡胶中反复裂纹扩展和几次机械恳求循环后发生磨损^[25]。其他磨损机制也在文献中清楚地标识出来。例如，通过对TPU磨损表面的SEM观察，Lima da Silva等人^[26]识别撕裂，熔化和分层磨损。关于TPU磨损与实验条件之间的关系，Archard模型被广泛使用^[27]。该模型根据行程距离确定磨损量与正常载荷乘积之间的比例。然后将比例系数定义为磨损率。目前的工作报告了在干燥条件下滑动往复运动下TPU与钢的配合面接触的磨损研究。使用长行程摩擦计进行磨损试验，其中考虑了测试参数的影响，例如施加的载荷，行进距离，速度和温度。在进行摩擦学研究之前，对样品进行完整的材料分析。因此，TPU物理化学和流变性质的知识为分析磨损过程提供了基础。

2.1.4 聚乙烯醇的特性介绍

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