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新型UHMWPE/石墨/NBR水润滑轴承材料的摩擦学性能和振动性能的研究

摘要:超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和石墨的混合粉末混入到腈基-丁二烯橡胶（NBR）进行改性，开发的一种新的化合物水润滑橡胶轴承具有高性价比，低摩擦性能。为了研究新材料的摩擦学性能和振动性能，在试验台SSB-100上进行了一系列的实验。在不同工况下的摩擦系数和振动特性：速度、比压、温度用转矩计及脉冲信号分析器获取和分析。复合橡胶材料SPB-N的机械物理性能已达到中国船舶标准CB/ T769-2008的要求。结果表明，这种拥有更好的摩擦学性能的新材料符合美国军用标准（MIL-DTL-17901C（SH））的要求。新材料的粘滑效应引起的临界速度为0.27米/秒，这表现出优异的低速性能。此外，它的摩擦系数在速度为0.54米/秒时达到最低值，新材料的局部比压为0.7MPa。新型复合橡胶材料作为一种水润滑轴承材料，具有优异的全方位性能。

关键词：水润滑艉管轴承,摩擦学性能,振动,粘滑

1.引言

水润滑橡胶艉轴承（WLRSB）已经由于其良好的振动衰减和抗冲击性能，以及资源节约和环境友好性能，在船舶推进系统中广泛使用，尤其是其在二战期间海军作战潜艇上的应用，使其在全世界得到了公认的辉煌业绩[ 1 ]。但它仍有一些缺陷，如低的设计比压，低的承载能力，和粘滑效应。这些缺陷将使潜艇暴露在一个先进的电子探测仪器之下。因此，迫切需要开展对WLRSB的材料开发/修改的系统性研究，并调查该喘鸣的机理及影响因素，找出抑制振动和WLRSB噪声的解决方案。

文献综述表明共混改性，是通过添加填充物，诸如超高分子量聚乙烯和石墨NBR能有效降低摩擦和水润滑艉轴承[2,3]的磨损，所取得新的橡胶。但是，一直缺乏对改性橡胶在不同工况条件下的摩擦学特性和振动噪声的系统研究。

基于丁腈橡胶的标准公式，该研究的目的是：通过按一定比例和过程加入超高分子量聚乙烯，石墨和其它添加剂，开发水润滑低噪声和低摩擦系数的复合橡胶轴承材料，即SPB-N。然后，研究了不同压力、转速、温度下的摩擦性能和振动噪声，并对其进行了分析，以及对其进行了减振降噪。

2.配方及工艺

根据橡胶的基本公式（ASTM），SPB-N如表1所示。

以丁腈橡胶为基体，混合的超高分子量聚乙烯和少量的抗摩擦材料如石墨和DOP被填充到注塑成型模具。保温及硫化后，具有光滑的表面会产生SPB-N。对SPB-N制造过程如图1所示。

表格1 SPB-N的标准公式。

图.1. SPB-N的工艺.

3.测试设备和解决方案

3.1．水润滑艉轴承试验台

如图2和3所示，试验是在船舶尾管轴承试验台ssb-100进行，由武汉理工大学设计。与轴承样品配对的试验主轴由GB 45钢（ISO钢C45E4; AISI/ SAE1045钢）制成，轴颈部被覆盖ZCuSn10Zn2（一种铸铜合金：GB/T 1176-1987）衬套。用清水进行润滑（水润滑系统可调节水温）。主轴的速度是由测速机测定，轴承的水平和垂直振动信号是由加速度传感器采集。安装方法如图2所示。

用转速转矩计测量主轴的摩擦力矩，然后计算出摩擦系数。所有信号被发送到由多道分析器显示和分析的计算机。

3.2．试样

如图3所示，检体是由SPB-N材料制作的一个整体圆柱面轴承。此结构由注射压缩技术制成具有紧密的组织，小的启动摩擦转矩和设立流体动压润滑的优点。轴承内表面（SPB-N）的粗糙度小于0.2毫米，橡胶7572 A（邵氏A硬度）的硬度。背衬材料是铜H62（黄铜）。使轴承得到足够的水用于冷却和润滑，12个润滑槽均匀地分布在轴承内部，安装时其中一个杠必须位于测试主轴的下方。

3.3．测试程序

该实验是参照摩擦系数的测定概略进行，MIL-DTL-17901C（SH）[4]。具体压力分别为：0.28，0.42，0.56，0.70，0.84兆帕。转速：3.60（400），2.25（250），0.90（100），0.54（60），0.36（40），0.27（30），0.18（20），和0.09（10转/秒）米/秒。温度：20℃，30℃，40℃和50℃。

1-液压站; 2-主轴; 3-立式液压缸; 4-轴向轴承; 5-密封装置;

6-压力传感器; 7-轴瓦; 8-尾管轴承; 9-加速度传感器; 10-出水口;

11-进水口; 12-弹性联轴器; 13-转速扭力计; 14-测速发电机; 15-转换器电机

图2.舰艉轴承试验系统和SSB-100的实物图.

图.3. SPB-N轴承（a）和结构图（b）.

试验步骤：（1）调整具体的压力为0.28兆帕，水温20℃，启动；（2）一旦0.36米/秒已达到，该轴须在上述条件下连续运行33小时，而在33小时内，则不须记录该轴的扭矩和加速度传感器；（3）当系统稳定，速度将提高到3.6米/秒，并开始定期记录摩擦系数和振动曲线。然后以2.25、0.9、0.54、0.36、0.27、0.18、0.09至0.045m/s减慢速度，并在每一个速度水平保持速度稳定15分钟；（4）改变温度至30℃，40℃和50℃，分别重复步骤（1）和（2）；（5）当它结束之后，更换新的轴承，并调整具体的压力至，0.42，0.56，0.70和0.84 MPa，分别重复步骤（1）、（2）、（3）和（4）。

3.4.摩擦系数

图4所示，摩擦系数的计算公式：

(1) (2) (3) F-摩擦力，N-压力，D-内径，L-长度，P-具体的压力，T-轴承，TS-轴的载荷扭矩，T0 - 轴无负载的扭矩。

因此，可以从（1），（2）及（3），绘制出摩擦系数：

4.测试结果及分析

4.1.机械物理性能

图4.摩擦系数的计算原理图.

表2 SPB-N的机械物理性能.

表2显示了复合橡胶材料SPB-N之间的机械和物理性能指标与中国船舶标准CB/ T769-2008[5]和美国军用标准MIL-DTL-17901C（SH）的比较。

从表2可以看出，化合物材料SPB-N的每一个机械和物理性能指标都在中国船舶标准CB/T796-2008的规定的范围内，拉伸强度，断裂伸长率，硬度和体积变化率浸没在蒸馏水中时，也符合美国的海军军用标准MIL-DTL/1790C（SH）。因此，该化合物橡胶材料SPB-N的机械和物理性能均达到中国船舶标准CB/ T769-2008的要求

4.2.速度特点

图5.SPB-N轴承转速特性曲线.

从图5可以看出，随着速度的增加，摩擦系数迅速下降，并逐渐趋于平稳，当水的温度是20–50℃，SPB-N轴承的速度是0–0.56米/秒，当速度大于2.25米/秒，摩擦系数略有增加。结果表明，线速度对SPB-N轴承的摩擦特性影响很大。当速度低时，接触面之间存在少量的水。轴承与尾轴之间的局部接触将处在半干摩擦或边界润滑条件下，从而导致更大的摩擦系数。当速度逐渐攀升，更多的水将会参与到接触面。润滑条件得到了改善，且摩擦系数急剧下降。随着接触面之间水的逐渐增加，速度对改善润滑状态的作用将逐渐减少。系统进入弹流润滑状态。在弹性流体润滑状态下，随着速度的增加，摩擦系数增大不明显，这是因为流体粘度具有拖拽作用[ 10，12 ]。而在0.09–0.18 m/s，50℃时，摩擦系数随着速度的增加而增加。提高润滑效果，带来速度增加，小于基于初始阶段的高温，承载能力低，导致的摩擦系数小对速度的增加。

4.3.具体压力特性

图6.SPB-N轴承比压特性曲线.

图6所示,在约0.38兆帕,当线速度是0.09-3.6米/秒,温度为20-40℃,随着比压的增加，摩擦系数先增大后减小并逐渐稳定。然而， 50℃时，在每个速度，随着比压的增加，摩擦系数逐渐减小。结果表明，比压对SPB-N轴承的摩擦特性影响很大。这种现象可以解释如下：在20-40℃，当比压低于0.38兆帕，橡胶的弹性变形很小，不足以形成摩擦副表面上的水膜或水囊，所以摩擦系数增大。轴承内部主压力区的曲率半径与轴颈表面相当不同，实际的接触面积也相对较小。因此，橡胶的弹性变形随着比压（0.38-0.84兆帕）的增加而逐渐增加。根据橡胶层在流体-结构耦合作用下的合规性，摩擦副的实际接触面积增大，单位面积的承载力减小，摩擦系数减小。当负荷增大到一定量时，弹性变形达到最大，此时的实际接触面积接近表观接触区域。当达到一定程度的饱和时，负载继续增大，摩擦系数就不再增加，所以摩擦系数呈现稳定值。

4.4.温度特性

图7.SPB-N轴承的温度特性曲线.

分析图7得到：每一个具体的压力下,随着温度的升高，摩擦系数增大（除了0.84 MPa ,20–30℃下，略有下降）。这是因为润滑介质水的粘度随温度的升高而降低。当水粘度降低，流动性增强，橡胶和轴颈部表面之间所形成的水膜的厚度减小，承载能力下降，所以SPB-N摩擦系数随着温度的升高逐渐升高。当温度40℃（30℃，0.84兆帕），曲线的斜

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