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摘要：高分子船舶尾轴承具有重量轻、自润滑、耐磨损、异物包覆性能等优点得到越来广泛的应用。本文主要综述介绍了高分子船舶尾轴承材料的分类以及目前高分子尾轴承摩擦磨损性能和振动性能研究进展，最后对目前高分子尾轴承材料存在问题进行全面的分析。
关键字：高分子 尾轴承 摩擦 振动
船舶尾轴承是其推进系统的重要组成部分之一，船舶尾轴承的最主要作用是支撑船舶的尾轴和螺旋桨。船舶尾轴承一直处在很复杂恶劣多变的工作环境下,使得其润滑条件也十分恶劣，因此对船舶尾轴承选用的材料提出很高的要求，所选材料的好坏直接的关乎到船舶能否可靠、安全、平稳的运行[1-7]。
水润滑轴承的材料性能的优劣是关乎到尾轴承性能优劣的主要因素之一，因此水润滑轴承材料的选择对轴承起到了至关重要的作用。目前，船舶尾轴承所用材料主要有木质材料、金属材料、陶瓷材料和高分子材料为主，其中木质材料抗泥沙性能很差，在泥沙环境中性能很差；金属的尾轴承材料容易遇水由于发生电化学反应从而对产生腐蚀的问题，同时金属材料与水会比较容易发生化学反应，而这种化学反应生成的氧化物对尾轴承的润滑会产生不良的影响；陶瓷材料的缓冲性能很差，抗振动性能能很差且质地比较脆限制了其大规模应用；而高分子材料具有重量轻、自润滑、耐磨损、异物包覆性能优异等优点得到越来越多的应用。
1.高分子尾轴承分类
1.1橡胶材料
赛龙是加拿大Thordon Bearings Inc.生产的系列水润滑轴承材料，是合成树脂和合成橡胶的混合物，是由三次元交叉结晶热凝性树脂制造而成的聚合物，在国外有合成橡胶之称。[8-10]赛龙轴承的特点是摩擦系数低、具有很好的抗损性能、不易老化的性能，能承受较高的比压和较大的载荷冲击性能，可以承受尾轴承经常遇到的一些恶劣的工作环境，有较好的自恢复性，能适应干摩擦和边界摩擦，而且还具有较好的抗振减噪性能，对于抗振减噪性能要求较高的工作环境更能体现其优越性。同时还具有很好的自恢复的弹性。赛龙作为水润滑轴承性能要优于很多传统的水润滑材料。但是赛龙轴承的缺点同样明显，与其他非金属材料相同，赛龙的热传导性差，赛龙材料的尺寸稳定性差，在吸水后体积会膨胀，使轴承内径变小，影响尾轴承精度，在完全处于在60°C以上的水中会出现材质分解，其使用受到环境温度的制约，在温度较高的工况下赛龙材料就很不适用，因此赛龙材料一般只能运用在轴承运转温度60°C的条件下使用。
1.2尼龙材料
尼龙材料作为一种尾轴承材料是由美国科学家卡罗瑟斯及其科研团队首先研制出来的合成纤维。尼龙作为水润滑尾轴承材料具有良好的自润滑性能，摩擦因数比较高，但其耐磨性能比较好，尼龙材料已经广泛应用在轻载轴承上。但是尼龙材料吸水性比较强，容易使得尼龙轴承的尺寸遇水之后尾轴承的尺寸稳定性很差，轴承尺寸在水中会发生较大变化，影响尾轴承的精度，这也是尼龙在水润滑轴承应用中非常致命弱点。
尼龙塑料具有杰出的耐磨性能，便于制造，制造工艺比较成熟且简单，主要采用注塑成型制造，尼龙塑料中添加一些填料更是能大大提高了尼龙塑料性能，其填料中的碳纤维具有较好的热传导性，摩擦热易于散出，从来使得工作稳定变低，填料中的聚四氟乙烯具有很好的自润滑性能，其摩擦系数很小，因此尼龙塑料制造的轴承可以在连续长时间在干磨条件下工作，对尾轴承的润滑条件要求较低，尼龙材料主要用于制造轻载轴承，但尼龙塑料在水中会产生一定的溶胀，使得尾轴承和轴的间隙变小，因此在设计时应该考虑到尼龙材料的这个特点而留有充分设计间隙。
1.3超高聚乙烯材料
超高分子量聚乙烯是一种新型的线型结构的热塑性工程塑料,具有的耐磨性能非常卓越、摩擦系数很低、冲击强度极高、硬度大、抗振防噪性能好、摩擦因数低、不易沾附异物、价格便宜成本低廉、工作的温度范围非常广泛、无毒性、无污染及可再循环回收利用环保等优点，已经得到广泛应用，而且在水润滑尾轴承中也开始逐步应用到，目前美国军方已经整体式超高分子量聚乙烯水润滑的尾轴承运用在军舰上了。
但是超高分子量聚乙烯材料的吸水性能比较差即亲水性不好，水润滑超高分子量聚乙烯尾轴承在实际工作环境下应用时形成水膜动压弹流润滑比较困难因此会使得尾轴承经常处于边界摩擦甚至干摩擦的状态。由于超高分子量聚乙烯的加工制备相对比较复杂，不用于一起其他的尾轴承材料有成熟的完备的加工设备和工艺技术，而超高分子量聚乙烯材料工艺上也不成熟，运用较少，将其用于水润滑轴承的研宄和制备的时间较短，目前更多的处于实验室实验研究阶段，即使运用在实际的水润滑轴承上也是小部分的，没有开展大规模制备和运用，但由于超高分子量聚乙烯材料自身具有优越的摩擦性能和良好的自润滑作用，所以随着加工设备的发展和工艺的改进,超高分子量聚乙烯材料的研宄己经成为了一个热门的话题，因此超高分子聚乙烯材料今后必然会成为制造水润滑尾轴承的重要材料之一。
1.4改性复合材料
由于单一材料综合性能一般不是很理想，没有一种完美的尾轴承材料，因此通过共混改性来研制新的复合材料是目前很热门的研究方向。通过两种或两种以上的物质的混炼取长补短，选取两种材料各种性能的优点来综合，以提高材料的综合性能。SPA和赛龙材料是共混改性的成功的例子，通过共混改性之后其综合性能都得到了大幅度的提高。SPA是超高分子聚乙烯、石墨、硫化橡胶三种材料的粉末共混而成。共混改性之后复合成的SPA材料的主要优点是承载能力提高了很多，能更好的适应在重载的工况下，同时可以大大减少尾轴承长径比，从而减小尾轴承的尺寸和重量使得船舶更灵活更轻便，这对军舰、潜艇等具有突出的意义；改性之后材料的硬度得到了较大的提高，可以直接的方便的进行机械加工，加工工艺变得更加简单，加工成本更低廉；改性之后材料的耐磨性能好，并且在轴运转时对轴的磨损也小，可以有效的延长了轴和尾轴承的使用寿命，不仅节约了运营成本而且也节省了由于延长轴和轴承而节省的维修和更换轴和轴承的时间能提高经济效率，主要应用在大型水面舰船上。[11-14]
2.高分子尾轴承摩擦性能研究进展
研究尾轴承的磨损特性主要是由以下几个方面：润滑介质（淡水、含泥沙的水、海水)、载荷的大小、转速的高低、运转时间的长短、轴承与轴颈的摩擦表面的粗糙度大小、轴承与轴颈的配副材料特性等等因素的影响。
国内外对水润滑轴承的摩擦磨损性能都开展了的大量研究工作，国外的研究主要在20世纪80年代，这段时间国外对于尾轴承摩擦系能的研宄也有了较多的成果和较大的突破。研究主要集中在中尾轴承的厚度和长度、尾轴承的硬度、轴瓦材料、尾轴承的板条形式和数目、摩擦面形状等尾轴承结构因素，以及加载时间、速度、负荷等工况因素对摩擦系数和磨损的影响趋势。
国内对水润滑尾轴承的摩擦性能的研究工作开展的较晚，国内对水润滑尾轴承的摩擦性能的研究也比较多，研究比较集中和连续的主要在以下三个高校：武汉理工大学在水润滑尾轴承试验台架SSB-100，SSB-100V上相继开展了MCS-2-1木质层压板、3133石墨布质层压板、华龙、SF-1、飞龙、橡胶[15-20]等水润滑尾轴承材料的摩擦磨损性能研究。其研究的特点和特色是在于针对船舶尾轴承的特点建立模拟舰船在航行中的实际工作特点的试验台架SSB-100，SSB-100V，其试验台架SSB-100，SSB-100V是最早的专门研究水润滑摩擦磨损的，考虑了轴的转速、润滑水的温度、尾轴的倾斜、尾轴承的变形、轴承的加载对水润滑尾轴承摩擦副对接触、摩擦及磨损的影响特性。
重庆大学在水润滑尾轴承材料的研究方面也开展了大量的研究，在试验台架MPV-20屏显式摩擦磨损试验机针对其和重庆奔腾科技发展有限公司合作研制的并运用于船舶中的BTG、丁腈橡胶[21-22]，通过共混改性的UHMWPE复合材料[23-25]，聚四氟乙烯等尾轴承材料进行了全面的摩擦磨损性能试验研究。
青岛理工大学在材料的润滑条件和润滑介质方面开展了大量的研究MRH-3型数显式高速环块摩擦磨损试验机上对橡胶试块材料与镀镍钢环，赛龙材料，陶瓷材料[26-29]分别在干摩擦条件下、边界润滑条件下及海水和淡水不同的水质润滑条件下用进行了摩擦磨损性能的研究，对橡胶材料、赛龙材料和陶瓷材料的在三种不同润滑状态和不同的润滑介质下的（淡水、海水）摩擦磨损特性进行了对比分析。
3.高分子尾轴承振动特性研究
船舶尾轴承材料优良的减震性能对其具有重要作用，可以有效地减少尾轴承受到的冲击、尾轴承振动和噪声。船舶尾轴承的振动研究也越来越受到国内外广大学者的重视，目前相关的研究成果和文献仍然较少。
陈明、陈泽智等[30]在轴系试验台上通过选择硬度不相同的橡胶轴承材料对轴系振动影响开展了试验研究。其研究表明，橡胶尾轴承材料的硬度大小的改变对轴系振动特性有比较大的影响，因此橡胶尾轴承的硬度的选择对于轴系振动而言显得比较重要,在设计橡胶尾轴承时应该要合适选择橡胶尾轴承材料的硬度橡胶尾轴承材料，以达到减小推进轴系振动的目的。
吴晓金[31]等建立了水润滑橡胶轴承三维动力学模型，运用有限元的方法来分析尾轴承的不同结构和不同材料对激励的振动响应特性以及其压力的分布规律。利用有限元来仿真分析了不同的尾轴承外壳材料对尾轴承固有频率的影响关系，并着重研究分析了不同的尾轴承材料和不同的尾轴承外壳材料的组合对谐响应的响应特性，通过软件仿真模拟为实际的试验研究降低了试验成本以及生产制备提供了改进提供了依据。
金勇[32]等对于船舶尾轴承的振动的测试设计了一种新的方案。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这种新的振动的测试方法主要是是利用BK公司的研发的Pulse软件对武汉理工大学自行研制的SSB-100尾轴承实验台架的尾轴承的振动情况在横向和垂向两个方向的振动进行实时的数据采集和分析，利用Pulse软件的FFT分析功能，得出橡胶尾轴承在不同转速、不同的硬度、不同的比压下由于自身材料的特性导致尾轴承的垂直和水平方向上的振动主要集中在2 kHz以下的结论，同时分析了橡胶尾轴承在不同硬度、比压、转度下的振动随工况的改变的振动变化趋势。
秦红玲[33]对于水润滑复合橡胶轴承的振动进行了研究，得出了水润滑复合橡胶轴承的振动受比压速度材料橡胶层硬度等影响的影响，而且振动幅值却不受上面这些因素的影响，主要集中在0-50HZ的低频段。同时研究发现比压对复合橡胶尾轴承的振动影响不大,只有当比压超过一定值就会在很大的速度范围内出现振鸣音。
4.存在不足和需要解决的问题
目前，在水润尾轴承的研究方面还有很多不足，主要体现在以下几个方面：
(1)目前对尾轴承的一些材料的性能研究都是零散的，没有系统的在同一实验台架同一条件下进行对比分析各自的特性，各单位的研究可比性不大。
(2)目前对水润滑尾轴承的研究更多的处于试验室试验阶段，主要的研究手段是试验，由于受限于实验平台的搭建合理性、试验设备、试验方案等因素的影响，得到的试验结果于实际中仍有偏差，因此限制了研究成果的应用。
参考资料：
[1]唐育民，杨和庭.船舶水润滑尾管橡胶轴承的设计[J].武汉造船.2000(2):19-22.
[2]张乐天，李文浩.对新型水润滑尾轴管装置的研制[J].武汉造船.1979(4):43-55.
[3]张乐天，蒋淦清.对船用橡胶轴承若干问题的探讨[J].武汉水运工程学院报.1979(2): 55-79.
[4]董从林，袁成清，刘正林，等.水润滑尾轴承磨损可靠性寿命评估模型研究[J].润滑与密封.2010(12): 40-43.
[5]Peng Engao，Liu Zhenglin, Tian Yizhong,等.Experimental study on friction-induced vibrationof water-lubricated rubber stern bearing at low speed[C] .2010 International Conference onFrontiers of Manufacturing and Design Science JCFMD2010,December 11,2010 -December12，2010,2011, Vol(44-47):409-413.
[6]Peng Engao, Liu Zhenglin, Lan Fang，等.Research on noise generation mechanism of rubbermaterial for water-lubricatedbearings[C].International Conference on Green Power, Materialsand Manufacturing Technology and Applications,GPMMTA2011，July 15,2011 -July18,2011，Vol(84-85):539-543.
[7]Jin Yong Liu Zhenglin .The experimental modal analysis of wate-lubricated rubber sternbearing[C].2011 International Conference on Mechanical Materials and ManufacturingEngineering, ICMMME 2011,June 20,2011-June 22-011.2011 ,Vol(66-68) :1663-1667.
[8]孙文丽，王优强，时高伟.海水润滑赛龙陶瓷轴承的摩擦学性能研究[J].润滑与密封.2010(4): 65-67.
[9]孙文丽，王优强，时高伟.海水润滑赛龙材料磨损机制分析[J].润滑与密封.2011(7):48-51.
[10]孙文丽，王优强，时高伟.赛龙轴承材料摩擦学性能的试验研宄[J].润滑与密.2011(5):36-39.
[11]Roy L.Orndorflf Jr.Water-lubricated rubber bearings, history and new developments[J] .NavalEngineers Journal. 1985,10:39-52.
[12]Roy L.OradorflF Jr,Darren G Finck. New design, cost-effective，high performance water-lubricatedbeariiigs[J].WARSHIP.1996:367-373.
[13]Roy L.OrndorfF Jr, Ohio Kent. Thermoplastic-rubber polymer alloy and method for producingthe same. USA:The B. F.Goodrich CoMPany,Akron,Ohio,1988:9.
[14]Roy L.OrndorfF JrNew UHMWPE/rubber bearing alloy[J] Journal of Tribology 2000,122(1):367-373.
[15]金志鸿，唐育民，海鹏洲.Mcs-2-1船舶层压胶木与铁梨木尾轴承性能试验[J].武汉水运工程学院学报.1981(4): 14-25.
[16]樊发孝，陈业生，金志鸿等.船舶水润滑尾管轴承新材料-3133石墨层压板的试验与研究[J].船舶工程，1987⑷：17-22.
[17]戴明城，刘正林，樊发孝.SF-1材料水润滑尾轴承摩擦性能研究[J].武汉理工大学学报.2011(3): 58-61.
[18]朱汉华，刘焰明，刘正林，等.船舶尾轴承对其承载变形能力影响的理论及试验研究[J].润滑与密封.2007(6): 12-14,36.
[19]Wu Zhuxin, Liu Zhenglin, Wang Jun，等.Research on friction and wear testing of padmaterialsof water-lubricated thrust bearings[J]. Binggong Xuebao/Acta Armamentarii.2011,32(Compendex) :118-123.
[20]Wu Zhuxin, Liu Zhenglin. Analysis of Properties of Thrust Bearing in Ship PropulsionSystem[J]. Journal of Marine Science and Application.2010(02):220-222.
[21]彭晋民，王家序，余江波，等.水润滑塑料合金轴承摩擦性能实验[J].重庆大学学报(自然科学版).2001(6): 9-11，35.
[22]王家序，彭晋民，吴光杰，王海宝.丙烯酸酯对丁腈橡胶力学性能的影响[J].润滑与密封.2003(2): 64-65.
[23]陈战，王家序，秦大同.超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦磨损性能[J].重庆大学学报(自然科学版).2001(5): 135-138.
[24]何剑雄，郭源君，陈友明，等.纳米Si02颗粒和玻璃微珠共混改性超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦磨损性能[J].机械工程材料.2012(6): 72-75.
[25]雷毅，郭建良，张雁翔.纳米氧化锌填充超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究[J].摩擦学学报.2006(3): 234-237.
[26]王优强，林秀娟，李志文.水润滑橡胶/键镍钢配副摩擦磨损机理研究[J].机械工程材料.2006(1): 63-65.
[27]林秀娟，王优强.水润滑橡胶轴瓦/钢摩擦磨损机理的研究进展[J].青岛建筑工程学院学报.2004(2): 86-89，96.
[28]孙文丽，王优强，时高伟.赛龙轴承材料摩擦学性能的试验研究[J].润滑与密封.2011(5): 36-39.
[29]林彬，程学艳，陆卫娟.水润滑陶瓷滑动轴承的研宄与发展[J].轴承.2005⑶：37-38.
[30]陈明，陈泽智，彭旭.橡胶轴承材料硬度对轴系振动影响的试验研宄叽武汉造船2000(3):8-10.
[31]Wu Xiaojin,Wang Jiaxu^Xiao Ke,等.Numerical simulation study on water-lubricated rubberbearing[J] .Journal of Advanced Manufacturing Systems.2008,7(l): 111-114.
[32]金勇，刘正林，田宇忠，等.基于Pulse的船舶尾轴承振动监测[J].武汉理工大学学报.2010(6): 84-87.
[33]秦红玲.水润滑复合橡胶尾轴承摩擦学问题研宄[D].武汉.武汉理工大学.2012.
论文作者:王全军,王全兵
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/29
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