摘 要

传统油润滑技术对环境会造成许多的污染及损害，人们开始对水润滑技术的开发以代替传统的油润滑技术。水润滑技术相比传统油润滑不仅仅无污染还有着降低摩擦副的摩擦磨损以及减小噪声、振动等诸多优势。但水润滑技术仍存在着一些亟待解决的问题，例如以水做润滑膜相比传统油膜承载能力低而且水对金属材料存在着一定的腐蚀作用等。因此，对水润滑技术的研究至关重要，尤其是对摩擦副材料的研究与选择。因为摩擦副材料的选择在很大程度上影响它们之间的摩擦磨损。

本文的主要工作是探讨研究亲疏水复合材料尼龙/高密度聚乙烯在水润滑条件下的摩擦性能，以对未来水润滑轴承材料的选取提供更多的可能与选择。实验以高密度聚乙烯为基体，添加不同含量尼龙制成实验所需的共混复合材料来探究尼龙含量对摩擦副摩擦磨损性能的影响，同时设计不同的运行工况来探讨运行工况对这种共混复合材料摩擦副摩擦磨损性能的影响。使用CBZ–1 型船舶轴系摩擦磨损试验机进行模拟试验来记录不同尼龙含量的PA/HDPE在不同工况下的摩擦系数并绘制成曲线，使用LI-3接触式表面轮廓测量仪来对它们的表面形貌进行勘测并且记录它们的三位评定结果以作分析。

通过对这些数据的处理分析，结果表明：在相同的工作条件下，不同尼龙含量的共混复合材料分别为2.5％、5％、10％、20％和纯高密度聚乙烯。 观察从实验中获得的摩擦系数曲线和表面形状。 可以得出结论，添加尼龙可以提高高密度聚乙烯的摩擦性能，当尼龙含量为10％时，摩擦系数最小，磨损表面最平滑，摩擦性能最佳。对于运行工况，在固定转速250r/min下，对于载荷不同分别为0.5MPa和0.7MPa时，0.7MPa的共混复合材料摩擦性能最佳。

关键词：水润滑轴承；尼龙；高密度聚乙烯；摩擦性能

Abstract

Traditional oil lubrication technology has caused a lot of pollution and damage to the environment. People began to develop water lubrication technology to replace traditional oil lubrication technology. Compared with traditional oil lubrication, water lubrication technology not only has no pollution, but also reduces friction and wear of friction pairs and reduces noise and vibration. However, there are still some problems to be solved in the water lubrication technology. For example, the lubricating film with water has a lower bearing capacity than the conventional oil film and the water has a certain corrosive effect on the metal material. Therefore, the research on water lubrication technology is very important, especially the research and selection of friction materials. Because the choice of friction pair materials largely affects the frictional wear between them.

The main work of this paper is to study the friction performance of the hydrophobic/hybrid composite nylon/high-density polyethylene under water lubrication conditions, so as to provide more possibilities and choices for the selection of future water-lubricated bearing materials. The experiment uses high-density polyethylene as the matrix, adding different content of nylon to make the blended composite materials needed for the experiment to explore the effect of nylon content on the friction and wear properties of the friction pair, and design different operating conditions to explore the operating conditions. The influence of the friction and wear properties of the friction pair of the composite. The CBZ–1 ship shaft friction and wear tester was used to simulate the friction coefficient of different nylon content of PA/HDPE under different working conditions and plotted as a curve.LI-3 contact surface profile measuring instrument was used to treat them. Surface topography was surveyed and their three assessment results were recorded for analysis.

Through the analysis and analysis of these data, the results show that under the same working conditions, the blend materials with different nylon content are 2.5%, 5%, 10%, 20% and pure high density polyethylene. The friction coefficient curve and surface shape obtained from the experiment were observed. It can be concluded that the addition of nylon can improve the friction performance of high-density polyethylene. When the nylon content is 10%, the friction coefficient is the smallest, the wear surface is the smoothest, and the friction performance is the best. For the operating conditions, the friction performance of the 0.7MPa blended composite is best at a fixed speed of 250r/min for 0.5MPa and 0.7MPa respectively.

Key Words：Water lubricated bearing; Nylon; High-density polyethylene; Friction performance

目录

第1章 绪论 1

1.1目的及研究意义 1

1.2国内外研究现状及发展趋势 1

1.2.1常用水润滑轴承材料介绍 1

1.2.2国内外水润滑研究 2

1.2.3水润滑轴承发展趋势 3

1.3研究内容及技术方案 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2研究技术方案 4

1.4本章小结 4

第2章高密度聚乙烯与尼龙共混复合材料的制备与设计 5

2.1材料介绍 5

2.1.1高密度聚乙烯 5

2.1.2尼龙 6

2.2共混材料制备 6

2.2.1材料制备设备介绍 6

2.2.2材料制备流程 8

2.3共混复合材料的设计 9

2.4本章小结 9

第3章共混复合材料在水润滑环境下的摩擦性能试验与分析 9

3.1实验设备介绍 9

3.2实验材料介绍 10

3.2.1实验材料 10

3.2.2实验设计 11

3.3 尼龙含量对摩擦副摩擦磨损性能的影响分析 11

3.3.1摩擦系数分析 11

3.3.2表面形貌比较 13

3.4 运行工况对摩擦副摩擦磨损性能的影响分析 15

3.4.1 摩擦系数分析 15

3.4.2表面形貌比较 16

3.5本章小结 17

第4结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1目的及研究意义

近年来,为了减少传统油润滑技术对环境的污染及造成的损害,人们愈发重视水润滑技术方面的研究以此逐渐代替传统油润滑。相比传统的油润滑,以水作为润滑介质有诸多优势所在:无污染、来源广泛、节省能源、安全等方面,机械设备的运行成本低,阻燃性好,易维护保养,采用专门的水润滑材料还具有降低摩擦副的摩擦、磨损,减小振动、噪声等优势。是最具有开发潜力的润滑介质。此外,将天然水作为润滑介质的水润滑轴承与油润滑轴承相比，它对轴承室没有太过苛刻的要求，并且不需要提供特殊情况下的润滑补给装置。它不仅节省了贵金属资源,而且便于简化设计结构^[1-2]。

但与此同时,以水润滑技术方面仍存在不足之处,以水作为润滑剂虽然摩擦系数小、摩擦阻力小,但所形成的水膜具有比传统油润滑技术更低的承载能力,并且难以在传统金属摩擦副的表面上形成流体动力润滑膜并且易于腐蚀金属。因此,传统的金属摩擦副不能直接用于水润滑。水润滑材料的性能是决定其性能和使用寿命的主要因素。因此,水润滑技术的关键问题是在水润滑条件下正确选择摩擦副材料。

目前国内对水润滑的研究着重于对复合材料方面的研究,因此本文的目的就是研究亲/疏水共混复合材料在水润环境下的摩擦性能,在各种材料中，我们选择了高密度聚乙烯(HDPE)和尼龙(PA)这两种材料来研究两种材料共混情况下的摩擦学性能。高密度聚乙烯（HDPE）是吸水率较低的一种材料，但由于耐磨性较好，在炎热或酷寒条件下有一定的耐性，抗裂性也不错，力学性能好，化学性能稳定，可用作试验探究阶段的基体材料。尼龙（PA）具有良好的力学性能、耐磨损性和自润滑性，同时具有吸水膨胀的特点，是理想的润滑填充材料。但是,因为尼龙的吸水率较高，吸水后它的表面尺寸不稳定，干摩擦时摩擦系数高,不能用作高速摩擦辅助材料,限制了其应用的扩展^[3-4]。因此,我们希望在以高密度聚乙烯(HDPE)为基体的情况下，向其中添加不同含量的尼龙作为润滑填充,以研究它们所形成的共混材料HDPE/PA的摩擦磨损性能的改善以及尼龙水胀后所形成的表面微凸织构对复合材料性能的影响，为水润滑轴承材料技术研究方向提供一些贡献^[5-9]。

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1常用水润滑轴承材料介绍

铁犁木是过去常用的传统水润滑材料，曾一度因为良好的自润滑性、硬度大、结合紧密，但后来又因为铁犁木这种材料的稀少以及它的水胀逐渐被淘汰。于是，科学家把眼光放在了新型水润滑材料的探索与研究上。经过一段时间的探索，人们发现了许许多多可应用的新型水润滑材料有陶瓷材料、石墨材料、橡胶材料、赛龙 、复合材料。其中，复合材料因为其良好的自润滑性、化学性能、安全可靠、无污染等愈发受到关注与重视，其中常用的复合材料基体材料有超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、高密度聚乙烯(UHMWPE) ^[10]、聚四氟乙烯(PTFE)等。陶瓷材料在高温及腐蚀性强的环境中要优于其他材料且具有较高的硬度、耐磨性能好所以是合适的水润滑轴承，但与此同时也存在着些许缺点，如高脆性以及对泥沙敏感性高，抗磨粒磨损性能差。石墨材料也具有着和陶瓷材料一样的抗高温、耐腐蚀性且硬度较大，但作为海上船舶上结构的应用并以海水作为润滑介质时容易产生电腐蚀。橡胶材料则是具有较好的吸震性且因为是橡胶材料具有较好的弹性，易于形成良好的润滑表面所以摩擦磨损性能较好，但是它的承载能力较低。赛龙材料是由三维交叉结晶热凝性树脂均质组成，赛龙轴承经过相关的传播上的应用可以看出其性能超越于传统的轴承材料,包括尼龙、铁弗尼、电木、铁梨木、碳精、氨基聚合物及层压板等。该材料具有化学性质稳定,使用寿命长,较强的抗磨损能力,低摩擦,易加工。铁犁木质硬又重,比重 1.12克/立方厘米,是热带硬木的比例最高之一的比重。木材十分宝贵,结构是均匀的,质地致密,强度强,耐磨损性,耐腐蚀性，有昆虫抗性等且铁犁木中所含的精汗在摩擦热作用下能与水形成乳液状有自润滑作用,所以是船舰特殊部位的特种用材。高密度聚乙烯是最广泛使用的合成树脂之一。高密度聚乙烯具有物化性能较好，对酸碱较好的耐性。此外,其摩擦和磨损性能优于橡胶。缺点是在起停阶段和低速重载阶段容易发生严重的磨损。超高分子量聚乙烯的耐磨性较高,作为水润滑轴承材料不仅具有良好的自润滑性,还具有耐腐蚀性、抗冲击性等，吸水性极低。

1.2.2国内外水润滑研究

杨宗榕等^[11-12]通过混合高密度聚乙烯和与基础油密封的仿生微胶囊所形成的的复合水润滑轴承材料并探究它的摩擦学摩擦磨损性质。结果表明，仿生微胶囊改善了复合材料的摩擦学性能。当胶囊含量为3％时，复合材料获得最佳的摩擦学性能。研究为水润滑轴承的结构设计和性能增强提供了实验依据。段为朋等^[13]采用氧化石墨烯（GO）填料和γ射线交联辐照对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）进行改性。研究了UHMWPE和GO / UHMWPE复合材料在人工海水辐照前后的摩擦学性能。结果表明，在人工海水润滑介质下，GO填充和辐照交联改性后，UHMWPE的摩擦系数略有增加，磨损率降低。两者的协同效应协同可以提高UHMWPE的耐磨性，降低复合材料的摩擦系数和磨损率。随着GO的填充和性能的提高，UHMWPE的磨粒磨损和疲劳磨损性能得到显着提高，通过辐射交联改性可以进一步改善磨料磨损。常铁等^[14] 采用熔融共混法制备了四种聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）复合材料，分别用聚四氟乙烯（PTFE），硅灰石和芳纶改性，质量分数分别为5％和10％。在水润滑条件下分析了改性PBT复合材料的摩擦学性能。摩擦学性能通过摩擦和磨损试验水润滑条件下进行试验。进行比较分析，结果表明：制备的PBT复合材料在中低速下具有较稳定的摩擦系数。但在高速下，PTFE / PBT和硅灰石/ PBT复合材料的摩擦系数逐渐增大，而芳纶 / PBT复合材料的摩擦系数逐渐降低。

在国外，Tatsuya等^[15]研究了橡胶表面形貌对其湿滑动摩擦特性的影响，结果表明，随着橡胶的表面粗糙度增加，滞后摩擦的影响变得更显著，并且随着表面粗糙度降低，由润滑引起的粘附摩擦的抑制效果变得更显著。国外还进行了许多有关水润滑推力轴承以及在水润化条件下各种材料摩擦性能的研究，例如Michael等^[16]研究了水润滑静压推力轴承的静载性能，他们使用了一种用于测量静压止推轴承(HTB)性能的水润滑试验台对轴承在水润化条件下的性能进行测试。此外Jin等^[17]进行了在水润滑表面中自组装碳化硅之间接触往复的摩擦性能的研究，经过测试，从点接触试验中，实现了相同的超低摩擦状态。结论表明，水的短缺引发了严重的磨损，同时产生了磨损碎片加剧了磨损情况。这种研究结果对于开发新方法新技术具有指导意义。

1.2.3水润滑轴承发展趋势

在机械变速系统,如各种轴承和船舶,泵,涡轮机,洗衣机和其他工业设备的轴系密封装置的各种摩擦对,常常由金属组分和油作为润滑介质。然而,石油并不是最理想的润滑剂。油润滑,不仅消耗了大量的石油和贵金属,同时也存在着各种摩擦磨损问题以及冲击产生的振动、摩擦副运行中产生的噪声等。因为在机械系统运行中当中都需要用到油来进行润滑以减少摩擦磨损，所以就很难避免油泄露的问题，对于油泄露问题这是一个十分严重的环境污染问题。世界上每天都有许多的船舶在运转，在船舶的航行中，油的排放与泄露对海洋存在着十分大的污染。第一，石油不溶于水，浮在海洋表面会影响微生物、一些植物和动物对阳光的汲取，影响生物的生长及光合作用，最后会影响到海洋中含氧量，影响水的自净化能力。其次，生物进食了含有石油的水通过生物链的传递最后仍然会危害到我们自己及其他生物。于是，人们把研究的目光转移到水润滑轴承上，这样就能以水代油，减少油污染对自然的损害。除此之外，水润滑轴承节省了制造成本、使用与维修方便，还能节约能源、安全以及简化设计结构。

在国外，对水润滑轴承的起步较早，在水润滑轴承方面做了大量研究，水润滑摩擦、磨损以及润滑理论已经十分完善。但是国内对水润滑轴承应用起初较少，因为这些高端技术都对几乎中国进行了技术封锁，国内曾一度陷入没有独立自主水润滑轴承技术的地步，后面逐渐诞生了一批批优越的科学家投身于水润滑轴承技术的探究向水润滑轴承发起攻关，通过一次又一次模型试验、比对和评价总结，解决了一个又一个难题难关，最后,我们成功掌握了水润滑轴承材料和轴承的关键制备技术,拥有自主知识产权,形成了新一代水润滑轴承的核心技术和持续创新能力。虽然我们掌握了自主知识产权和关键技术，但对水润滑轴承技术的探究仍是我们要向前推进与探索的。目前,水润滑轴承的主要发展方向和趋势仍然是:水润滑轴承表面工程的摩擦学原理和各种自润滑性能良好并且与水有着良好的亲和力的水润滑轴承材料的研究,以及水润滑轴承材料在各种工况下的应用研究。条件包括一些边界润滑和干摩擦下以及极端工况下的各种水润滑轴承材料的适应情况,以及减少摩擦和提高承载能力的研究,最值得我们注意的是水润滑轴承材料在船舶上大规模应用的前提,是在正常工况的舰船上进行跟踪试验。

1.3研究内容及技术方案 

1.3.1研究内容

通过查阅相关资料去熟悉水润滑材料研究现状及多种应用于水润滑轴承材料的基本特性，着重去了解高密度聚乙烯(HDPE)和尼龙(PA)两种复合材料的摩擦学性能以及了解表面微凸织构对材料摩擦学性能的影响；使用实验室密炼机来形成共混材料，然后利用摩擦磨损试验机研究其材料及表面结构对摩擦副摩擦性能的影响。

1.3.2研究技术方案

（1）通过学习相关知识，使用实验室中的密炼机将不同比例高密度聚乙烯和尼龙材料进行共混，再经过切粒机和注射机来制作出样条以供实验所需；

（2）用热压机将样条制成符合不同实验所需的形状，如条式、板材等，再进行相应的力学性能实验以及材料泡水后测试其水胀性和表面结构，以此来观察以高密度聚乙烯为基体，添加不同含量尼龙泡水后对材料表面形貌的影响；

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：