论文总字数：20705字

摘 要

尾轴承用于支撑螺旋桨轴，是船舶推进系统的关键部件之一。其工作环境复杂，常常要承受由于船舶吨位增加而引起的边缘负荷和不匀流场对螺旋桨的激振力、螺旋桨不平衡力等各种不确定性载荷，这导致尾轴承经常处于恶劣的工况，面临磨损和导常摩擦噪声等问题。尾轴承按照工作介质可分为水润滑轴承和油润滑轴承，其中以水代替矿物油为工作介质的水润滑轴承，具有环境友好、成本低、无污染，维修方便等优点，越来越得到相关企业及高校研究者的重视。

热塑性聚氨酯弹性体（TPU）是一种环保的聚合材料，它有较好的弹性，承载能力突出，同时还具有很好的机械性能，有着较大的硬度范围，而且硬度随着其结构中的硬段含量的升高而逐渐增大。然而，价格较为昂贵、不高的拉伸强度等缺点使其使用范围得不到进一步扩大，故若要作为船舶的水润滑尾轴承材料，TPU材料是存在缺陷的，改善缺陷的方法就是材料改性，通过添加纤维来改善材料性能是简单易行的常用改性方法之一。

本文主要研究以TPU为基体，以聚丙烯腈（PAN）纤维和聚乙烯醇（PVA）纤维为改性材料的复合材料的摩擦学性能，包括了试样制备、磨损实验、微观观测、数据分析等系列步骤。使用CBZ-1船舶轴承摩擦磨损实验机进行实验并采集数据，经过分析得到摩擦系数和磨损量等参数随时间、载荷、转速变化的相关规律并探究试样相关参数变化的原因。运用接触式表面轮廓仪和SEM显微电镜观察改性试样表面的特性,为理论分析提供依据。

结果表明，两种纤维的加入都可使复合材料拥有更好的摩檫学性能，对聚丙烯腈纤维（PAN）含量不同的TPU复合材料试样进行的摩檫学性能试验表明： 0%到30%范围内，聚丙烯腈纤维含量的增加使被加强的TPU复合材料的摩擦系数降低，硬度增加，磨损情况得到一定缓解。同样工况下，改性材料的硬度高于未改性材料，而且改性材料的磨损量更小，这表明改性后材料的耐磨性得到了提升。在高速（500r/min）重载（0.8MPa）的条件下，对于PAN纤维含量不同的纤维改性复合材料，随着纤维含量的增加，复合材料的硬度在逐渐增大，呈现正相关关系，而试样磨损量在渐渐减少，呈现负相关关系。

关键词：尾轴承；水润滑；摩擦磨损；聚合物；纤维改性

Abstract

The stern bearing supports the propeller shaft and is one of the key components of the ship propulsion system. It operates in a complex environment and often needs to withstand the rising edge due to the increasing tonnage of the ship and various uncertain loads such as excitation propeller force and unbalanced propeller force due to irregular flow area.It causes the stern bearing to be in a bad working condition and face with the problems of wear and friction noise. In terms of working medium, the stern bearing can be divided into water-lubricated bearing and oil-lubricated bearing. A stern bearing that uses water instead of mineral oil as working medium has the benefits of a friendly environment, low cost, no pollution, convenient maintenance and so on, and is increasingly valued by relevant enterprises and University researchers.

Thermoplastic Polyurethane Elastomer (TPU) is a relatively environmentally friendly polymer material，which has good elasticity, outstanding bearing capacity, and also has good mechanical properties. TPU has a large scope of hardness, and the hardness increases with the hard segment content in its structure gradually increases. However, the shortcomings of relatively expensive and low tensile strength make its use range not further expanded. As a water lubrication bearing material for ships, TPU has some defects, but it can be made up by modification. Adding fiber is one of the common modification methods to improve the material performance.

In this paper, the tribological properties of the composite modified by polyacrylonitrile (PAN) fiber or polyvinyl alcohol (PVA) fiber based on TPU were studied, including sample preparation, wear experiment, microscopic observation, data analysis and other steps. CBZ-1 marine bearing friction and wear experiment machine is used to carry out the experiment and collect the data. Based on the analysis, the relevant laws of friction coefficient ,wear amount and so on changing with time, load or speed are obtained, and the reasons for the change of friction coefficient and wear amount of the sample are explored. The SEM and contact surface profiler were used for the contact characteristics of the surface of the modified samples, which served as the basis for the theoretical analysis.

The results show that the addition of two types of fibers can give the composite better tribological properties. TPU complex tribological trials with different polyacrylonitrile fiber contents show that increasing the polyacrylonitrile fiber content in the range from 0% to 30% can reduce the friction factor of the reinforced composite TPU, increase hardness and reduce wear.

Key Words：stern bearing; water-lubricated friction and wear; polymer；fiber material modification

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 水润滑轴承国内外研究现状 1

1.2.1 水润滑轴承润滑机理 2

1.2.2 水润滑轴承磨损理论 3

1.2.3水润滑轴承材料研究 3

1.2.4 目前存在的问题 4

1.3 研究目标与内容 6

1.3.1 研究目标 6

1.3.2 研究内容 6

1.4 本章小结 7

第2章 实验材料制备 7

2.1 设备介绍 7

2.1.1 密炼机 7

2.1.2 破碎机 8

2.1.3 注塑机 8

2.2 材料制备流程 9

2.3 本章小结 9

第3章 纤维增强的TPU复合材料摩擦学性能实验设计 9

3.1 摩擦磨损实验设备介绍 10

3.2特征参数的的测量设备介绍 11

3.2.1电子天平 11

3.2.2 表面轮廓仪 11

3.2.3 SEM扫描电镜 12

3.3 实验技术方案设计 13

3.4 本章小结 13

第4章 实验结果与讨论 14

4.1 摩擦系数 14

4.1.1 摩擦系数随滑动时间的变化 14

4.1.2不同载荷条件对摩擦副摩擦系数的影响 15

4.1.3 不同纤维含量对摩擦副摩擦系数的影响 16

4.2 硬度与磨损量 17

4.3 材料的磨损形态分析 19

4.3.1 磨损形态分析依据 19

4.3.2 表面形貌分析 19

4.3.3 磨损形态分析 21

4.4 本章小结 23

第5章 结论与展望 24

5.1主要结论 24

5.2 本文创新点 24

5.3 研究展望 25

致谢 25

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

在船舶的推进系统中，用于支撑螺旋桨轴的尾轴承是关键部件之一,与此同时它也是一种易损部件。水润滑轴承以水代替矿物油作为工作介质，其优点是环保，便宜，没有污染，易于维护，这些优点使之成为了船舶尾轴承的主要形式^[1]。但是，水润滑轴承一般使用船体周围的水来进行润滑，室温下水的粘度约为一般润滑油的1/65，低粘度导致弹性粘流难以形成，使轴承的承载能力下降。而且水润滑轴承运行环境复杂，船舶体积的增加会导致螺旋桨轴在重力的影响下倾斜变形，从而导致轴承边缘部位的负载增加。同时还存在着激振力，螺旋桨不平衡力等不定负荷，以及面对低速、启停和沙粒侵扰等恶劣工况时，轴与轴承之间不能形成厚度合适的水膜，将会让轴承处于边界润滑甚至干摩擦状态^[2]。所以，船舶水润滑尾轴承常存在异常振动、噪声和严重磨损等问题。根据相关研究表明，70%船舶尾轴承与尾轴的失效成因是摩擦磨损。水润滑轴承的性能可以决定其性能和船舶的寿命^[3]，因此关于水润滑尾轴承材料的研究设计和相关配置是水润滑轴承研究中非常重要的一环，比如寻找诸如含泥沙水质、高比压的工作条件下的润滑状态良好、可以减轻轴承磨损的材料。研究出可改善水润滑轴承机械性能尤其是摩檫学性能的材料或者结构对提高它的可靠性和延长其使用寿命具有实际应用价值，对提高整个船舶的效率、使用寿命和安全性也具有重要意义。

现有的水润滑轴承材料分主要有铁梨木、层压板、塑料、橡胶、巴氏合金等，但存在各种各样的不足，比如铁梨木自然资源有限、层压板加工工艺复杂繁复、抗泥沙性能表现不尽人意，金属和合金不耐腐蚀，海水的腐蚀会造成过度磨损^[4]等，所以研究者目前都将水润滑轴承材料的研究方向聚集到了塑料、橡胶等高分子合成材料上。

请支付后下载全文，论文总字数：20705字