论文总字数：54053字

摘 要

船舶艉轴承作为推进系统的重要组成部分，对船舶安全有着重要的影响。为了提高水润滑尾轴承在实际工作条件下的可靠性，本文为以典型的水润滑轴承材料超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和热塑性聚氨酯（TPU）为研究对象，在摩擦磨损试验机上开展不同的模拟实验，研究不同工况、含沙水质、纤维添加和表面织构对其摩擦学性能的影响，综合多种分析手段探究试样表面的磨损特征，并分析磨损机理。

论文首先研究了UHMWPE在含沙水质下的摩擦学性能，结果表明：在水润滑条件下，泥沙对试验材料的摩擦学性能有很大的影响，且泥沙浓度影响大于泥沙粒度；材料的摩擦性能随着泥沙浓度的提高逐渐下降；泥沙粒度影响摩擦副间的切应力和沙粒进入摩擦副间隙的难易程度。在泥沙粒度48μm/浓度1.2%的环境下，试样具有更加恶劣的摩擦学性能。适当提高滑动速度会加强润滑性能，但过高的速度会使泥沙颗粒严重破坏磨损表面；材料的摩擦性能随载荷的增大而逐渐恶化，在高载工况下的磨损机制主要是磨粒磨损和黏着磨损。

其次，在TPU中加入亲水性PVA纤维，制备了TPU/PVA纤维复合材料。结果表明，适当添加亲水性PVA纤维可以有效改善TPU材料的摩擦学性能。亲水性PVA纤维不仅提高了对水介质的亲和力和材料表面的储存能力，而且在水环境下吸水并形成膨胀凸起织构，从而增强了流体润滑效果。当PVA纤维的质量分数达到15%以上时，在载荷和纤维连接的作用下，碎片聚集形成固体润滑膜，有效地提高了材料的自润滑性能。但当PVA纤维含量达到30%则不利于材料的摩擦学性能。在试验条件下，PVA纤维含量为15%-20%的材料具有较好的摩擦学性能。

另外，采用3D打印技术制备了带有12种球状凸起织构的TPU试样，以探究该织构能否改善水润滑轴承的性能和使用寿命。分析结果表明，球状凸起织构有效地改善了TPU的摩擦学性能。摩擦系数与试验转速和载荷直接相关。无织构试样的主要磨损机理是磨粒磨损和粘着磨损，而球状凸起织构有利于磨屑的去除，降低了摩擦副之间的粘着，强化了水流的楔块效应和空化效应。与无织构试样相比，S=38%的1/3球织构试样的摩擦学性能得到改善，在0.7 MPa和250 rpm下，摩擦系数降低了64.47%。这些结果为水润滑轴承表面的织构化设计和优化提供了试验依据。

关键词：水润滑轴承；超高分子量聚乙烯；热塑性聚氨酯；摩擦学

Abstract

As an important part of propulsion system, stern bearing has an important impact on ship safety. In order to improve the reliability of the water-lubricated bearing under the actual working conditions, this paper takes the typical water lubricated bearing materials, UHMWPE and TPU as the research objects. Then conducting different simulation tests on the friction-wear testing machine, and studies the effects of different working conditions, sand water, fiber addition and surface texture on its tribological performance. The wear characteristics of the sample surface in the process of wear were studied, and the wear mechanism was analyzed.

First, studying the tribological properties of UHMWPE in sand water. The results showed that sand had a great effect on the tribological properties of materials under water-lubricated condition, and the influence of sand concentration on the tribological properties was greater than that of sand size. The tribological properties of materials decreased gradually with the increase of sand concentration. The particle size affected the shear stress between friction pair and the difficulty degree of sand particles entering friction pair. The tribological properties of materials were more severe when the sand size was 48 µm and the sand concentration was 1.2%. Properly increased the sliding speed would enhance the lubrication performances of friction pair, but excessive speed made the sand seriously destroy the worn surfaces. The tribological properties of materials deteriorated gradually with the increase of applied load. The wear mechanisms were mainly abrasive wear and adhesive wear under the high applied load running condition.

The hydrophilic PVA fibers were added to TPU, to fabricate TPU/PVA fiber composites. The results revealed that the addition of appropriate hydrophilic PVA fibers can effectively improve the tribological properties of TPU materials. The hydrophilic PVA fibers not only improved the affinity and the material surface storage ability to water medium but also absorbed water and formed swelling convex texture under water environment, thereby enhanced the hydrodynamic lubrication effect. When the mass fraction of PVA fiber reached 15% or more, the debris gathered under the action of loading and fiber connection, formed solid lubrication film. Thus, it effectively improved the self-lubrication performance of the material. But that is not conducive to the tribological performances of the composites when the mass fraction of PVA fiber reached 30%. Generally, the materials with 15% to 20% PVA fiber content showed better tribological properties under the experimental conditions.

And 12 types of spherical convex surface textured TPU samples were produced using 3D printing technology to determine if these surfaces could improve the performance and service life of water-lubricated bearings. The analysis results showed that the spherical convex texture effectively improved the tribological properties of the TPU material. The friction coefficients between the friction pair were directly related to the test rotation speed and applied loads. Abrasive wear and adhesive wear were found to be the major wear mechanisms of the non-texture specimen, while the spherical-convex textures appeared to facilitate the removal of friction pair debris from the surfaces, reduced the adhesion between the friction pairs and strengthened the wedge effect and cavitation effects of the water flow. Compared to the non-texture samples, the 1/3 spherical texture samples with an S=38% exhibited improved tribological properties, and the friction coefficient of these samples was decreased by 64.47% at 0.7 MPa and 250 rpm. These results provide an experimental foundation for the textured design and optimization of the water-lubricated TPU bearing surface.

Key words: Water-lubricated bearing; Ultra high molecular weight polyethylene; Thermoplastic polyurethane; Tribology

目 录

第1章 绪论1

1.1 目的和意义1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 水润滑轴承在含沙水质中性能研究 1

1.2.2 水润滑轴承纤维复合材料研究 2

1.2.3 水润滑轴承表面织构研究 3

1.3 课题来源4

1.4 本文主要研究内容5

第2章 试验设备及分析手段6

2.1 滑动摩擦磨损试验设备6

2.2 摩擦副表面分析手段6

2.3 其他设备7

2.4 小结 7

第3章 泥沙颗粒对UHMWPE材料水润滑性能的影响规律研究9

3.1 前言9

3.2 试验部分9

3.2.1 试验材料9

3.2.2 试验设计 9

3.3 试验结果与分析10

3.3.1 泥沙浓度和粒度对摩擦性能的影响 10

3.3.2 滑动速度对摩擦性能的影响 14

3.3.3 载荷对摩擦性能的影响 15

3.3.4 磨损过程分析 17

3.5 小结17

第4章 亲水性PVA纤维改善水润滑轴承材料摩擦性能研究19

4.1 前言 19

4.2 试验方法 19

4.2.1试验材料 19

4.2.2 试验设计 21

4.3 试验结果 21

4.3.1 亲水性和膨胀性分析 21

4.3.2 摩擦系数分析 23

4.3.3 铜盘磨损表面形貌分析25

4.3.4 复合材料磨损表面微观形貌分析27

4.3.5 磨损量分析28

4.4 讨论 28

4.4.1 润滑机制理28

4.4.2 综合分析29

4.5 小结 30

第5章 半球状凸起织构对水润滑轴承材料摩擦学性能的影响32

5.1 前言 32

5.2 材料和方法 32

5.2.1 表面结构的设计与制备 32

5.2.2 试验材料和摩擦磨损试验 33

5.3 实验结果 33

5.3.1 摩擦系数分析 33

5.3.2 磨损表面形貌分析 36

5.3.3 磨损量分析 39

5.4 讨论 40

5.5 小结 42

第6章 结论与展望44

6.1 结论 44

6.2 展望 44

致谢46

参考文献47

攻读学士学位期间发表的论文与参加的科研项目52

1. 绪论
   1. 目的及意义

近年来，随着石油资源的逐渐枯竭，新能源技术的不断进步，可持续发展理念日益深入人心，世界航运大国越来越重视清洁能源技术、开发节能环保的新型绿色船舶，其中水润滑轴承正逐步取代船舶轴系中的油润滑尾轴承。使用润滑油作为润滑剂不仅消耗了石油资源，而且产生的石油泄漏是造成环境污染的一个重要因素^[1-4]。另外，水润滑轴承能有效地降低传动轴的磨损、振动、噪声、可靠性差和寿命短，具有结构简单、维修方便、原材料丰富、资源节约、环境友好等特点，符合节能、环保、绿色航运的发展需要^[5]。因此，水润滑轴承的广泛适用性逐渐引起了工业界的关注和青睐，这使得水润滑轴承的概念成为一个热门的研究课题。

但由于水的粘度较低，与油润滑相比，在运行过程中很难在轴与轴承之间形成稳定的润滑水膜。尤其是在极端工况下，水润滑轴承处于边界润滑、甚至干摩擦状态，导致摩擦副局部发热、轴瓦烧灼、异常噪音和严重磨损。这些严重影响了水中航行器的安全性、隐蔽性和寿命^[5-6]。因此，提高尾轴承的耐磨性，促进水润滑轴承在工作过程中形成稳定润滑水膜是非常重要的，对提高整个船舶的效率、使用寿命和安全性具有重要意义。

• 1. 国内外研究现状

水润滑尾轴承的摩擦学问题主要是研究外界条件和内部条件对尾轴承与转轴之间的摩擦、磨损和润滑影响关系。其中外部条件包括转速、载荷、温度、运行时长及润滑介质的作用等；内部条件包括轴承结构、材料性能和摩擦副表面微结构等。自水润滑轴承的优势被逐渐发现以来，国内外学者对其摩擦学性能展开了大量的研究，对提升轴承性能和保证机械系统安全可靠运行做出了巨大贡献。

• • 1. 水润滑轴承在含沙水质中性能研究

船舶水润滑尾轴承的工作条件十分恶劣，既要承受螺旋桨转动时的不均匀负荷及产生的振动，又要承受尾轴和螺旋桨的重量。尤其是在低速、重载、启停过程中，水润滑轴承还要承受边界润滑以及干摩擦带来的局部温升、摩擦磨损等一系列严重问题。水域质量（泥沙浓度、颗粒大小等）、水域温度和天气变化等环境因素对水润滑尾轴承的正常运行也有很大影响^{[5, 7]}。我国河流的泥沙问题较为突出，武汉理工大学的郭智威^[8]和董从林^[9]都模拟了长江中的砂粒特征，并将典型轴承材料丁腈橡胶（NBR）放入所模拟的环境进行测试，发现了泥沙的粒径、滑动速度和外加载荷对摩擦副的磨损性能有显著影响，泥沙颗粒破坏了水膜，降低了摩擦副的性能。研究橡胶尾管轴承在不同粒径砂土下的磨损性能，为合理设计橡胶尾管轴承，减少磨损，延长使用寿命提供指导。许全喜等^[10]对长江上游主要控制站的水沙量进行了统计分析：长江中沙粒的平均质量浓度约为0.58 %，在长江的一些地区则超过1.1 %；长江中的泥沙颗粒粒度主要在0~60 μm之间，少部分大于60 μm。船舶在富含泥沙的水环境中运行，其沙粒不断进入轴与轴承所构成的摩擦副当中，造成磨粒磨损，严重影响船舶动力系统中轴系的安全和寿命，并且后续的维护需要花费大量的人力与物力。因此很有必要对水润滑轴承材料在含沙水环境下的摩擦磨损性能进行分析研究。

• • 1. 水润滑轴承纤维复合材料研究

水润滑轴承材料的应用经历了3个阶段^[11]：①以铁犁木为代表的木质材料阶段，铁犁木具有愈创树脂能起到润滑的作用，但其抗沙性差，且资源日益短缺。②橡胶材料应用阶段。目前仍大量使用。③赛龙、飞龙等以橡塑材料为基体的复合材料阶段。

近年来，为了减少水润滑艉轴承因润滑不良而引起的磨损，许多学者重点研究了水润滑轴承复合材料的摩擦学性能。比如在基体材料中添加了纳米碳材料^[12]、纳米金刚石^[13]、纤维^[14,15]、润滑树脂^[5]、微胶囊^[16]和聚乙烯蜡^[17]，研究其摩擦学性能是否有增强作用。Li等人^[18]用Pickering乳液聚合法制备的含有润滑油的二氧化硅来包裹聚苯乙烯微胶囊（润滑剂）。这项工作表明了微胶囊在涂层中具有优异的分散性和良好的减摩效果。此外，Li等人^[19]还研究出一种含新型润滑油的多层复合材料聚脲醛（PUF）壳与聚多巴胺功能化的氧化碳纳米管（CNTs-o-PDA）组装而成的微胶囊。研究结果表明，自润滑复合材料的摩擦磨损系数降低，且含润滑油的微胶囊与碳纳米管之间存在协同效应，使复合材料的摩擦学性能得到显著改善。Guo等人^[5]通过仿生铁梨木，将自制树脂加入到HDPE中，发现随着磨损的进行，树脂逐渐流出至摩擦副表面形成润滑油，有效的提高了材料的自润滑性能。Yang等人^[16]将MoS₂合成的微胶囊加入HDPE基体中制备复合材料。发现了在磨损过程中微胶囊壁破裂后，摩擦副间隙释放出包裹的二硫化钼，降低了摩擦系数和粘着磨损。Wu等人^[17]将石蜡加入TPU中，也有效提高了材料的润滑性能。周新聪等人^[20,21]在丁腈橡胶中加入UHMWPE和石墨等进行共混改性，制备一种性能优异的新型舰船尾管水润滑轴承材料，其物理力学和摩擦学性能达到了国内外标准。崔旨桃等人^[22]通过HDPE与PA66的共混，发现了PA66的添加使得表面微织构以及转移膜的生成，有效保护摩擦副表面。谢心等人^[23]在PU中分别添加不同含量的润滑填料，发现了润滑脂、消泡剂和合成蜡能有效提高了PU的耐磨性。此外重庆大学机械传动国家重点实验室等都对此有着大量的研究^[24-26]。

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