摘 要

水润滑橡胶轴承以其优良的经济性、较高的可靠性、减振性与杰出的环保性能备受海内外各国关注。本文通过对丁腈橡胶以及经过石墨改性的丁腈橡胶试块的实验研究，数据处理。研究了不同载荷、线速度下水润滑橡胶的摩擦学特性，总结了丁腈橡胶与石墨改性的丁腈橡胶材料的水润滑特点，将二者进行对比，为进一步探究石墨对丁腈橡胶的改性提供参考。本文得出了以下一些结论：（1）所有的橡胶试块在一定的条件下，均服从一定规律，这可以为以后的研究打下基础。（2）经过石墨改性的丁腈橡胶的低速性能得到了很大的提升，在现有的石墨含量中加入十份石墨得到的改性橡胶摩擦性能最优。（3）石墨改性提升丁腈橡胶的摩擦性能与改性后橡胶的表面粗糙度有关，仅仅从本文选取的参数还可以发现改性后橡胶的磨损性能下降。

关键词：水润滑橡胶；石墨改性；摩擦特性；表面轮廓

Abstract

Water lubricated rubber bearing with its good performance and outstanding environmental performance award of national attention. In this paper, the experimental study of nitrile rubber and nitrile rubber-modified graphite after the test block, the data processing. The effects of different loads, the linear velocity of the water lubricated rubber tribological characteristics, summarized the characteristics of water-lubricated nitrile rubber-modified nitrile rubber and graphite materials, the two are compared, in order to further explore the graphite nitrile rubber modified of reference. In this paper we reached the following conclusions: (1) all rubber specimen under certain conditions, are subject to certain rules, which can lay the foundation for future research. (2) through the low-speed performance graphite modified nitrile rubber has been greatly improved, added ten graphite obtained modified rubber friction optimal performance in the existing content of the graphite. (3) graphite modified to enhance the frictional properties of nitrile rubber and rubber-modified surface roughness of about only from the paper selected parameters can also be found and wear properties of the modified rubber decreased.

Keywords: water lubricated rubber；friction characteristics；modified graphite

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 2

1.2.1 水润滑尾轴的实验研究 2

1.2.2 水润滑尾轴的材料发展 3

1.3 水润滑基本原理 4

1.3.1 水润滑尾轴承工作原理 4

1.3.2 流体润滑状态 6

1.4 橡胶的摩擦特性 6

1.5 研究主要内容与关键问题 7

1.5.1 主要内容 7

1.5.2 关键问题 8

1.6 小结 8

第2章 实验材料、实验步骤和实验设备 9

2.1 实验材料 9

2.1.1 制备试块的原料 9

2.1.2 实验材料的制备 10

2.2 实验仪器 10

2.2.1 SSB-100水润滑尾轴承试验台 10

2.2.2 LI-3型激光干涉式表面轮廓测量仪 12

2.3 小结 13

第3章 水润滑橡胶的速度特性和载荷特性 14

3.1 摩擦系数的计算 14

3.1.1 载荷的计算 14

3.1.2 摩擦系数的计算 15

3.1.3 摩擦系数的程序计算 15

3.2 P₀试块的摩擦学特性 17

3.2.1 P₀试块的速度特性 17

3.2.2 P₀试块的载荷特性 18

3.3 石墨对橡胶摩擦学性能的影响 19

3.3.1 改性后试块的速度特性 19

3.3.2 改性试块P₁₀的摩擦学性能 20

3.3.3 P₁₀试块与P₀试块各种比压下的速度特性曲线 22

3.4 小结 23

第4章 水润滑橡胶的表面形貌分析 24

4.1 分析方法 24

4.2 表面轮廓的分析 24

4.3 小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

自从1840年水润滑橡胶轴承开始在船舶上得到应用以来，以其明显的优势在船舶上得到广泛的应用，发展速度十分迅速。它的优点主要是以橡胶取代金属作为轴承的材料对于振动的吸收效果比较好，而且采用水润滑的形式取代传统的油润滑优势更为明显：其一是水润滑对于环境的污染较油润滑小得多，在环保意识如此浓厚的今天这一点尤为重要。其二是在抗泥沙特性上水润滑橡胶轴承较金属和陶瓷轴承有明显的优势。其三橡胶轴承的年磨损量与其它材料相比处于一个较低的水平，价格低廉寿命长。其四橡胶有良好的弹性，在抗冲击和吸收震动上性能远超金属材料。其五在螺旋桨转速很高时，会形成“水囊”达到动压润滑状态，把摩擦系数控制在一个比较小的范围里。但是橡胶轴承也有一些比较大的缺点:(1)橡胶温度超过65度的情况下会加快橡胶的老化，因此水润滑橡胶轴承对冷却系统的要求很高。（2）水的黏度低，承载能力低。（3）橡胶轴承一般含硫量比较高，这也就要求船舶尾轴的表面进行防腐蚀处理。（4）在转速较低、负荷较高的情况下，橡胶材料极易发生“粘-滑”现象，这会加大船舶的噪音、震动。而且在有关水润滑橡胶轴承的计算上也有争议，武汉理工大学的张乐天教授和唐育民给出了改良的计算方法^[1-4]。

从经济角度来看，橡胶轴承价格低廉寿命长，采用水润滑橡胶轴承作为尾轴承有较大的优势；从现在提倡的绿色环保的角度来看水润滑橡胶轴承的出现也大大减少了润滑油泄漏而污染；从船员与乘客的角度看采用水润滑橡胶轴承具有良好的减振性，可以提高船舶的舒适程度；同时可靠性提高使得船舶更加安全。但是关于水润滑轴承的研究并没有形成一个完整的体系缺乏统一的行业标准，国内外的研究还是处于百家争鸣的阶段。而且由于实验设备，试验方法，实验条件的不同评价标准也不尽相同，实验也就不具有可比性。目前国内的现状是，水润滑的实验有很多。但是有关民用船舶的水润滑尾轴承的例子却并不多，大部分的应用都集中在军用舰艇。理由是大部分船东以稳妥起见对于水润滑轴承的可靠性持消极态度，应此拿出令人信服的结果也十分必要的。所以“水润滑橡胶材料摩擦学问题研究”这个题目是十分必要的，对于理论研究与实践指导都有很大的帮助^[5-6]。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1 水润滑尾轴的实验研究

纵观水润滑尾轴承的发展历史，由材料不同进行划分我们不难发现水润滑尾管轴承的研究经历了两个主要阶段。人们用铁犁木与棉质材料为主进行了第一阶段的研究，但是铁犁木的抗泥沙能力较差。随着科学的进步，特别是在高分子聚合物研究上的巨大突破，人们开始用高弹性高分子化合物进行研究。1970年，美国率先取得进展，研制出了一种名为SPA的轴承。SPA轴承主要以超高分子聚乙烯(Ultra-high Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE)、 丁腈橡胶(Nitrile Butadiene Rubber，简称NBR)和石墨为主要材料制成。此时SPA橡胶轴承主要被美国应用于潜艇。从此以后美国在这个方面的研究就一直处于领军地位，并且制定了MIL-DTL-17901（SH）标准（在2005年修订为MIL-DTL-17901C（SH）），也是世界上唯一一个水润滑橡胶轴承的军用标准。美国在橡胶轴承的研究上始终占有很大优势，其应用在弗吉尼亚潜艇上的ROMOR橡胶轴承（以NBR和UHMWPE为主要成分）的摩擦系数就可以达到0.001。水润滑橡胶轴承的研究在美国已经比较成熟，现在他们的研究主要方向是非线性，低速极限状态下的水润滑橡胶轴承的特性与新材料、新的实验方法的开发^[7-10]。