（轮机工程专业论文）船用塑料轴承试验机的设计及应用.pdf

中文摘要 捅要 塑料轴承作为合金轴承和铁梨木轴承的替代品在船舶上获得了越来越广泛地 应用，加拿大赛龙公司的塑料轴承的快速发展就是一个例证。我国的塑料轴承虽 起步较晚，但是发展很快，其中有一些产品已经用作船舶艉轴承和船舶舵轴承。 但是，如何评价塑料轴承的性能，如何确定塑料轴承是否达到船舶建造入级规范 的要求成了塑料轴承应用于船舶行业的难题。 本文根据g b7 9 4 8 8 7 塑料轴承极限p v 试验方法的要求，设计了用于测量 船用塑料轴承极限p v 值的摩擦试验机。实验机搭建好后，得到了中国船级社大连 分社的验收，选择了国内某塑料轴承厂家生产的塑料轴承进行了定速变载p v 值实 验，测量塑料轴承的极限p v 值。实验过程中分别对塑料轴承在线速度为0 2 5 m s 、 0 5 m s 、0 7 5 m s 、i m s 和1 2 5 m s 条件下进行极限p v 值的测量，测量结果依次 为2 9 3 、8 1 5 、1 2 2 3 、1 6 3 和2 0 3 8 。 为了检验塑料轴承的磨损量，本文对塑料轴承摩擦试验机按照挪威船级社塑 料舵轴承衬套材料认证标准的要求进行了改进，设计出了塑料轴承磨损量试验 机并且通过了中国船级社大连分社的验收。按照挪威船级社塑料舵轴承衬套材 料认证标准的要求对塑料轴承的磨损量进行了检测。塑料轴承在1 0 n m m 2 的表 面压力下以3 5 m m s 转速与对磨钢套做正负1 5 。的摆动运转。实验过程中，每隔 4 8 h 测量一次塑料轴承的磨损量，磨损率稳定后记录塑料轴承与对磨钢套间的摩擦 力，计算出摩擦系数。在进行了1 9 2 h 的磨损试验后，测得塑料轴承的磨损量为 0 0 1 m m 。 关键字：塑料轴承；水润滑；极限p v 值；磨损量 英文摘要 a b s t r a c t a st h es u b s t i t u t ef o r a l l o yb e a r i n ga n dl i g n u m v i t a eb e a r i n g ，t h ep l a s t i c w a t e r - l u b r i c a t e db e a r i n gh a sb e e nw i d e l ya p p l i e do nv e s s e l s t h er a p i dd e v e l o p m e n to f p l a s t i cb e a r i n gm a n u f a c t u r e db yt h o r d o nb e a r i n gi n c i sa l le x a m p l e d e s p i t eo fi t s s h o r th i s t o r y , p l a s t i cb e a r i n g sd e v e l o p e dv e r yf a s ti nc h i n aa n ds o m eo ft h e mh a v eb e e n u s e da ss t e mt u b eb e a r i n g sa n dr u d d e rb e a t i n g s h o w e v e r , h o wt o t e s tt h ep e r f o r m a n c e o fp l a s t i cw a t e r - l u b r i c a t e db e a r i n ga n dw h e t h e rt h o s eb e a r i n gc a nm e e tt h en e e d so f m a r i n ei n d u s t r ya n dm a t c ht h er u l e sf o rs h i pb u i l d i n g so rn o tb e c a m eas e r i e so f p r o b l e m s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fg b 7 9 4 8 8 7 t e s tm e t h o df o rp vl i m i to fp l a s t i c s b e a r i n g s ”，af r i c t i o nt e s t i n gm a c h i n ei sd e s i g n e dt om e a s u r et h ep vl i m i tv a l u eo f m a r i n ep l a s t i cb e a r i n g a f t e ri t ss u c c e s s f u lb u i l d u p ，i tw a sc h e c k e da n da c c e p t e db y d a l i a nb r a n c ho fc h i n ac l a s s i f i c a t i o ns o c i e t y ap l a s t i cb e a r i n g ，p r o d u c e db ya d o m e s t i cm a n u f a c t u r e r , w a st e s t e do ni tu n d e rc o n s t a n ts p e e da n dv a r i a b l el o a d s i nt h e e x p e r i m e n t ，t h ep vl i m i t so fp l a s t i cb e a r i n ga r em e a s u r e du n d e rd i f f e r e n tb e a r i n gl i n e s p e e d s0 2 5 m s ，o 5 m s ，0 7 5 m s ，lm s ，1 2 5 m s ，t h er e s u l t so fm e a s u r e m e n tt u mo u tt o b e2 9 3 ，8 1 5 ，1 2 2 3 ，1 6 3a n d2 0 3 8 i no r d e rt ot e s tt h ew e a r i n gc a p a c i t y ，t h ef r i c t i o nt e s t i n gm a c h i n ei st r a n s f o r m e di n a c c o r d a n c ew i t hd n v s t a n d a r d sf o rc e r t i f i c a t i o no ns y n t h e t i cr u d d e rb e a r i n gb u s h i n g m a t e r i a l s ”aw e a r i n gt e s t i n gm a c h i n ei sd e s i g n e da n da c c e p t e db yd a l i a nb r a n c ho f c h i n ac l a s s i f i c a t i o ns o c i e t y 1 1 1 ew e a r i n gc a p a c i t yi sm e a s u r e du n d e rt h er e q u i r e m e n t s o fd n v “s t a n d a r d sf o rc e r t i f i c a t i o no ns y n t h e t i cr u d d e rb e a r i n gb u s h i n gm a t e r i a l s ”t h e p l a s t i cb e a r i n go s c i l l a t e sp l u sa n dm i n u s15d e g r e e sr e l a t i v et ot h es t e e lja c k e tu n d e rt h e s u r f a c ep r e s s u r eo f10 n m m za n dt h ev e l o c i t yo f3 5 m r n s i nt h ee x p e r i m e n t ，t h e w e a r i n gc a p a c i t yi sm e a s u r e de v e r y4 8h o u r s t h ef r i c t i o nf o r c eb e t w e e np l a s t i cb e a t i n g a n dr e l a t i v er o t a t i o ns t e e lj a c k e ti sr e c o r d e da f t e ras t a b l ew e a r i n gr a t ei sa c h i e v e d ，t h e n t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sf i g u r e do u t t h et e s ts h o w st h ew e a r i n gc a p a c i t yi s0 0 1 r a m a f t e r19 2 hc o n t i n u o u sw o r k s k e yw o r d s ：p l a s t i cb e a r i n g ；w a t e 卜l u b r i c a t e d ：p vl i m i t ；w e a r i n gc a p a c i t y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文! 盥旦塑料勉丞达坠扭的遮过壁廛旦：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密酉( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名f 研艺导师签名： 牟李7 日期- 伽卢年月丫日 船用塑料轴承实验机的设计与应用 第1 章绪论 1 1 课题的背景和现实意义 轴承是机器中用来支持轴及轴上零件的个常用的机械零件，分为滑动轴承 和滚动轴承。根据史料记载，早在4 5 0 0 多年前，传说黄帝就制作和使用了车子， 3 0 0 0 年前，出现了辘轳，其后出现了滑车和纺车，都使用了轴承，所以几千年来， 滑动轴承一直在人们生活生产的机械中应用【1 1 。到了近代，人们又在生活中利用滚 动的原理创造了滚动轴承。1 8 8 3 年，在德国的s c h w e i n f u r t 施威因福特小城，f a g 轴承创始人f r i e d r i c hf i s c h e r 设计了一种专用钢球磨床，第一次使得利用研磨工艺 生产出完全球体的钢球，该发明被认为是滚动轴承工业的奠基石。因为滚动轴承 的摩擦系数比较小，故在许多场合下取代了原来的滑动轴承。 轴承一方面支持轴及轴上零件，另一方面要减少转轴与支持之间的摩擦与磨 损。据有关资料统计目前世界上约有1 3 的能源消耗在不同形式的摩擦上，其中滑 动轴承消耗约占1 1 0 ，磨损是摩擦的必然结果，据美国1 9 7 7 年统计，由磨损造成 的损失相当于国民经济总产值的1 2 【2 1 。在一定的载荷以及转速且无润滑条件下， 滚动轴承的摩擦系数的大小基本取决于滚珠、轴承内外圈的制造精度以及相互之 间的配合间隙，其摩擦力的大小与轴承材料本身并没有直接关系，滚动轴承一般 均需要定期外加润滑剂；而在同等载荷和转速且无润滑条件下，滑动轴承的摩擦 系数的大小主要取决于轴承材料本身的自润滑性能，由于滑动轴承材料本身具有 良好的自润滑性能，可以不加油或少加油地长期工作；同时滚动轴承使用寿命较 短，承受冲击的能力差，价格较贵，故其应用也受到一定的i 眼n t 3 , 4 1 。由于滑动轴 承实现了轴承的自润滑技术，滑动轴承可以实现自润滑免维护的特性决定了滑动 轴承越来越多的被工程设计人员所采用。所以滑动轴承在目前工业生产中用途广 泛，轮船、离心式压缩机、各种内燃机、大型电机、水泥搅拌机、滚筒清砂机、 破碎机等机械常采用滑动轴副5 7 1 。 人类造船的历史已经有几千年的历史，工业化革命以来古老的帆船由汽轮机 和内燃机代替，船舶艉轴轴承和舵轴轴承的选材就一直为造船科学家关注，早期 都是以木材特别是铁梨木制作的，随着铁梨木资源的消耗价格日趋昂贵，后期慢 第1 章绪论 慢发展以金属构件组成，并用油作为工作介质【8 , 1 0 】。但是这样耗费了大量油料和贵 重金属等战略资源，并且造价较高。而且为了防止油泄漏，需要进行密封，使其 结构相当复杂，并很难解决各种摩擦副因运动而产生的摩擦、磨损、振动、冲击、 噪声、无功能耗、可靠性差和寿命较短等问题，同时也存在因油泄漏而污染水环 境的严重问题，维护要求也较高。由于用水作润滑介质具有无污染、来源广泛、 节省能源、安全性、难燃性等特点，而且还能降低和减少摩擦副运动而产生的磨 损、冲击、噪声、无功能耗、可靠性差和寿命较短等问题，一直以来都有科技工 作者在研究水润滑轴承，随着新材料技术的发展，近年来尼龙、赛龙、酚醛树脂、 橡胶、聚四氟乙烯等塑料材料也被用来做水润滑轴承。塑料轴承对于提高机械的 效率、减少摩擦、磨损等有着重要的意义【1 1 , 1 2 】。 1 2 水润滑轴承的研究现状 1 2 1 水润滑轴承材料的研究现状 作为润滑剂来说，水膜的厚度比油膜厚度要薄很多，且理论上来说，水膜厚 度小于金属的微观几何不平整度，同时又由于金属材料弹性系数大、硬度高，所 以传统的金属材料制成的轴承难以用在水润滑情况下。自1 9 世纪以来，人们对于 除了金属外用于水润滑的轴承材料的研究就从未停止，主要来说有以下几种【1 3 , 1 4 】： ( 1 ) 铁梨木轴承 铁梨木是自1 8 5 4 年以来一直被用作海船水润滑艉轴承的传统轴承材料。铁梨 木主要产在热带地区，在中美洲、西印度群岛和南美北部较多。铁梨木生长缓慢， 材质细密、坚硬、比重约为1 2 ，有丰富的树脂，具有耐水浸、耐蚀和耐磨等特点。 铁梨木含有2 6 的树脂2 8 的树脂精汁l 的硬树脂和o 8 的苦性精汁。树脂精 汁与水作用形成乳状粘液，具有润滑作用使摩擦系数大大降低。例如，铁梨木与 青铜在水中相对运动时，摩擦系数仅为0 0 0 3 0 0 0 7 。此外，铁梨木的摩擦系数随 水温升高而增大。如果保持水温低于5 0 。( 2 ，则铁梨木具有很高的耐磨性【1 5 】。 2 船用塑料轴承实验机的设计与应用 表1 1 铁梨木的物理一力学性能 t a b 1 1p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so fl i g n u m v i t a t e 项目参数 密度 比热( 千卡千克) 导热性( 千卡米小时) 最大工作温度 树脂含量( 重量百分比) 吸湿性( 重量百分比) 压缩强度( 与纤维平行) m p a 抗拉强度( 与纤维平行) m p a 弯曲强度 ( 与纤维平行) m p a 硬度 ( 与纤维平行) m p a 压缩扬氏模数( 与纤维平行) m p a 弯曲扬氏模数( 与纤维平行) m p a 压缩强度 ( 与纤维垂直) m p a 抗拉强度( 与纤维垂直) m p a 弯曲强度( 与纤维垂直) m p a 硬度( 与纤维垂直) m p a 压缩扬氏模数( 与纤维垂直) m p a 弯曲扬氏模数( 与纤维垂直) i d p a ( 2 ) 桦木层压胶木轴承 由于铁梨木价格较高，所以多年来国内外均致力寻找铁梨木廉价的代用材料。 我国研究试验成功的层压胶木艉轴承已应用于生产，它以桦木为原料，将桦木薄 板浸于酚醛中制成板坯。再经高温、高压制成板材。桦木层压胶木具有材质致密、 耐热、坚硬、绝缘性好、较好的耐磨性和可承受冲击负荷等优良特点。此外。成 材率高达8 5 ( 铁梨木只有2 0 ) ，价格便宜。但其缺点是脆性较大，切削性能不及 铁梨木，耐磨性不及铁梨木，其磨损量大于铁梨木，摩擦热较大。目前用做水润 滑轴承材料的桦木层压板的型号有m c s 2 和m c s 2 1 两种。其物理力学性能见 表1 2 。 一一吣一一一一一一蚴一一一一 1 o 2 k 第l 章绪论 表1 2 桦木层压板的物理一力学性能 t a b 1 2p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so f b i r c hp l y b o a r d ( 3 ) 橡胶轴承 以天然橡胶与矿物成分硫化加工制成的橡胶具有弹性好、吸振性好、耐磨和 耐泥沙等优点，特别适用于含有泥沙较多的内河。缺点是工作温度低，超过6 5 0 c 就会很快老化，不耐油，遇油老化较快。橡胶艉轴承较适合在含泥沙的水域工作， 充分的冷却条件下使用寿命为铁梨木艉轴承的2 - 4 倍。橡胶艉轴承工作平稳、容 易安装校中、轴承负荷分布均匀，但橡胶中的硫会对艉轴产生一定的腐蚀作用 1 6 - 1 9 1 。下表是国内某轴承厂生产的橡胶轴承的物理力学性能参数。 表1 3 橡胶轴承的物理一力学性能 t a b 1 3p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so f r u b b e rb e a r i n g ( 4 ) 合成材料轴承 4 船用塑料轴承实验机的设计与应用 近年来，船舶艉轴承采用尼龙、赛龙等合成材料。尼龙轴承具有很高的机械 性能，良好的抗磨损性能和抗冲击载荷，良好的自润滑性，低摩擦系数，很好的 稳固性。赛龙轴承是使在尼龙轴承的基础上由加拿大赛龙公司专业生产，于九 六六年推出市场并逐步完善，现在世界造船和修船行业中，已广泛地采用赛龙轴 承作为艉轴承、舵轴承及甲板机械轴承。赛龙作为艉轴承材料已被世界各大船级 社认可，如英国劳氏船社( l r ) 、美国船级社( a b s ) 、挪威船级社( d n v ) ，法国 船级社( b v ) 、日本海事协会( n k ) 和中国船级社( c c s ) 等。赛龙是由高性能热固 性树脂合成的均质聚合物。具有弹性好、耐磨性好、耐腐蚀和不会剥落的特点， 但其导热性差，不耐高温 2 0 2 3 1 。下表是国内某轴承厂产的m c 尼龙轴承的物理力 学性能参数。 表1 4m c 尼龙的物理一力学性能 t a b 1 4p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so fm cn y l o n ( 5 ) 陶瓷轴承 国际上从1 9 7 2 年美国研制成功陶瓷轴承以来，日本、德国也投入巨资研究， 很快得到发展。从试验研究到投入工业生产，由高度保密到公开销售，陶瓷轴承 取得了引人注目的成就。陶瓷是一种良好的摩擦材料，其耐磨性高，摩擦系数低， 耐腐蚀性能好，耐高温，是一种不错的轴承材料。但由于其加工制造比较困难， 因而成本高，另一方面其质脆且抗振性能差，尤其是其对磨粒的嵌藏性能差，一 旦磨粒进入轴颈与轴承表面之间，就很容易造成轴承颈与轴承表面之间较为严重 的磨粒磨损，由于陶瓷硬度比一般金属的硬度还高，轴的磨损会比轴承还要严重。 在很大程度上限制了其在轴承上的应用2 4 2 6 】。 5 第1 章绪论 上述几种常见的水润滑轴承，其各自的特点如表1 5 【2 7 1 。 表1 5 几种常见水润滑轴承材料性能比较 t a b 1 5c o m p a r i s o na m o n gt h ep e r f o r m a n c e so fs e v e r a lw a t e rl u b r i c a t e dp l a s t i cb e a r i n g s 1 2 2 水润滑轴承材料的磨损机理研究现状 在水润滑的条件下，根据相对滑动表面间的摩擦与润滑的状态，导致磨损的 机理主要有以下几种【2 8 - 3 0 1 。 ( 1 ) 由摩擦导致的磨损。 当两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜时，即出现固体表面间直接接触的摩 擦，工程上称为干摩擦。此时，必有大量的摩擦功耗和严重的磨损。在滑动轴承 中表现为强烈的升温，使轴与轴瓦产生胶合。所以，在滑动轴承中不允许出现干 摩擦。对于干摩擦的机理，现状广为接受的是黏着理论，黏着理论认为两个摩擦 表面接触时，在外载荷作用下只有表面上少数微凸起处接触，接触点上的应力很 大，产生弹性变形，进而产生塑性变形使接触面积增大。接触点上的氧化膜被压 碎，致使两个摩擦表面分子相互吸引和扩散而融合，形成接触点处两种材料的黏 着，称为冷焊。当两个摩擦表面相对滑动时，冷焊点被切断，随后又在新形成的 接触点黏着和冷焊点被切断，直至实际接触面积增大到足以承受所加载荷为止。 影响黏着磨损的因素主要有两个：一是运动副本身的材质与特性，二是运动副的 工作条件，如载荷、运动速度、工作温度、润滑条件等。 另一种情况是两摩擦表面间有润滑剂存在，但润滑剂不充分，在摩擦副表面 上形成极薄的边界膜，边界膜不足以将两摩擦副表面分隔开，所以相互运动时， 两摩擦副表面的微观的高峰部分仍将互相搓削，这种状态摩擦称为边界摩擦。 6 船用塑料轴承实验机的设计与应用 般而言，摩擦副表面有一层边界膜后，虽然不能消除表面的磨损，却可以在边界 摩擦下减轻磨损。这种摩擦过程就是黏着和滑动交替作用的过程，其结果造成了 表面的磨损。 ( 2 ) 由应力和材料相互作用导致的磨损。 摩擦使运动副工作表面间产生磨损，但它不是产生磨损的唯一原因。磨损是 包括摩擦在内的各种因素共同作用的结果。在摩擦条件下，应力相互作用会导致 表面的疲劳磨损和磨粒磨损，材料相互作用将会导致腐蚀磨损和黏着磨损。 疲劳磨损是指两个接触表面相对滚动或者滑动时，在接触区形成的循环交变 应力超过材料的疲劳强度使接触表面产生塑性变形和微裂纹，进而扩展，剥落。 这种由于材料表面疲劳产生物质损失的现象称为疲劳磨损，这种摩擦副由于受交 变应力作用的形成的磨损也成为接触疲劳磨损。 磨粒磨损是指在运动副的相对运动过程中，硬的粗糙表面或者硬的颗粒对软 的摩擦表面的微切削、刮擦作用和造成表面材料的损耗。主要是由于运动副两表 面硬度不同，若两表面有直接接触时，硬的表面上的微凸体嵌入软表面使之发生 塑性变形，并对相对运动时对软表面进行微切削和犁划。当两表面间存在磨粒， 在相对运动时磨粒对表面进行微切削和挤压，使表面产生塑性变形，不断地作用 致使表面疲劳破坏。此外磨粒还在软表面上犁出沟槽，形成拉痕，拉痕两侧材料 变形并在其他磨粒作用下脱落而成磨屑。 腐蚀磨损是指运动副相对运动时，由于摩擦表面材料与周围介质发生化学、 电化学和机械作用而使摩擦表面物质损失的现象。腐蚀磨损是腐蚀和磨损相互促 进共同作用的结果。摩擦表面材料与周围介质发生化学、电化学作用，产生腐蚀 产物，摩擦过程中腐蚀产物的脱落形成磨粒构成二次磨粒磨损，新表面又会继续 与介质作用而被腐蚀。不断地腐蚀、磨损致使运动副工作表面受到破坏。腐蚀磨 损受到环境、温度、介质、润滑条件、滑动速度和载荷的影响。根据介质的性质、 介质与表面的作用及运动副材料性能等的不同，主要有以下几种腐蚀磨损形式有 氧化磨损，特殊介质的腐蚀磨损和微动磨损。 在水润滑情况下，轴承与轴直接接触的机会比油润滑多，并且还必须考虑杂 质侵入问题，因此其磨耗特性很重要。材料的磨损主要表现为四种形式：黏着磨 耗、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。在边界润滑和混合润滑状态下，粘着 7 第1 章绪论 磨耗和磨粒磨耗占主导地位。 1 2 3 水润滑轴承的润滑机理研究现状 水润滑作为流体润滑，在流体动压润滑领域中最早的工作是由英国人b t o w e r ( 托尔) 进行的。他在十九世纪八十年代研究和改进了铁路轴箱轴承的润滑与设 计问题。b t o w e r 进行了一个著名的实验，在轴承上开- - , j , 孑l ，孔内充油并用一 木塞塞住。尽管如此，润滑油还是不断从孔中流出，b t o w e r 发现，在流体动力 润滑轴承中会自动形成压力。b t o w e r 发表一篇报告提出了滑动轴承中有压力存 在。这一现象立即引起英国自然科学家们极大的兴趣【3 i 】。0 r e y n o l d s ( 雷诺) 用 流体动力学中的定律，发表了托尔实验结果的理论分析论文，分析润滑剂在间隙 中的流动，从而求得了表示轴承中压力分布的基本微分方程，即雷诺方程，奠定 流体动力润滑的理论基础【3 2 】。 雷诺认为油进入收敛的狭窄通道时，其流速增加由于油具有粘性油膜内产生 的压力可以举起转动的轴，使轴和轴承完全分开【3 3 1 。由于收敛油楔的存在当两运 动表面具有一定的相对速度，油膜又有一定的粘度时，这样就会形成压力油膜， 从而使油膜具有平稳外载的能力。反之，就不会出现流体动压润滑。处于流体充 分润滑状态下的滑动轴承，摩擦面被一层厚的润滑膜隔开，不发生固体直接接触， 摩擦仅仅发生在流体内部，故流体润滑具有极小的摩擦系数，大约为0 0 0 1 一 0 0 0 8 。 当摩擦副的两摩擦表面由一层具有一定厚度( 1 5 - - 21 2m ) 的粘性流体分开时， 靠流体内的压力平衡外载荷，流层中的大部分分子不受金属表面离子电力场的作 用，可以自由移动；摩擦阻力主要是由流体的内摩擦引起的，即流体润滑状态。 此时，摩擦副的两摩擦表面完全被流体隔开，不发生表面间的直接接触：当两表 面发生相对运动时，摩擦现象只发生在流体分子之间，该摩擦副的摩擦磨损特性 与两个表面的材料及表面形貌无关，完全取决于流体本身的粘性。所用粘性流体 可以是液体，如各类润滑油、水等；也可以是气体，如空气、氮气、氢气等。 流体润滑具有许多优点、摩阻低、摩擦系数小，通常为0 0 0 1 - 0 0 0 8 或更低， 润滑膜避免了摩擦副材料间的直接接触、减少了磨损；同时，润滑膜具有吸振作 用，使机器运转更加平稳：流体的流动降低了摩擦热，并对摩擦表面具有一定的 8 船用塑料轴承实验机的设计与应用 冲洗作用，改善了摩擦副的工作条件，延长了其使用寿命。按流体润滑膜压力的 产生方式，可以分为流体动压润滑和流体静压润滑两大类。流体动压润滑，是由 摩擦面的几何形状和相对运动形成收敛油楔，借助粘性流体的动力学作用，产生 润滑膜压力平衡外载。流体静压润滑，是由外部向摩擦表面间供给具有一定压力 的流体，借助流体的静压力平衡外载。而水润滑轴承正是借助于水膜的收敛楔形 形成流体压力来平稳外载荷的【3 4 枷。 长期以来，人们应用雷诺理论对面接触摩擦副进行润滑设计，而用赫兹理论 对点接触表面进行接触强度计算。直到近3 0 年来，人们才将这两个理论成功地统 一应用于分析点线接触摩擦副的接触与润滑研究中，形成弹性流体动压润滑理论， 其特征为雷诺方程和弹性方程的结合。弹性流体动压润滑理论考虑了润滑表面弹 性变形的影响，填补了传统流体动压润滑和边界润滑之间的鸿沟【3 8 4 0 1 。 1 3 本文的研究工作 目前，国外的合成材料轴承如塑料轴承发展非常快，应用范围较广泛。水润 滑塑料轴承作为合金轴承和铁梨木轴承的替代品在船舶上获得了越来越广泛地应 用。加拿大赛龙公司的塑料轴承的快速发展就是一个例证，加拿大赛龙公司生产 的赛龙轴承，具有优良的性能和较大的市场占有率【4 。但是其价格较高，不具有 成本优势。我国水润滑塑料轴承起步较晚，但是发展非常迅猛，现在国内生产塑 料轴承的虽然厂家很多，产品质量却参差不齐，并且我国塑料轴承的研究较为缓 慢，厂家一般无法提供所生产的塑料轴承的参数指标，或者使用轴承的生产单位 无法判断其塑料轴承的耐磨性，因此如何衡量水润滑塑料轴承的性能指标成了塑 料轴承应用行业的难题。水润滑塑料轴承在船舶上作为船用艉轴承和船用舵轴承 也屡见不鲜，但是如何确定塑料轴承是否达到船舶建造入级规范的要求成了塑料 轴承应用于船舶行业的难题。 大连海事大学刘硕曾根据g b7 9 4 8 - 8 7 进行了塑料轴承摩擦试验机的搭建工 作，重点集中在试验机的硬件系统的搭建上，并对其试验机进行了相关的实验 4 2 , 4 3 】。其搭建的系统适用于1 0 0 0 0 n 以下的载荷，实验机没有考虑塑料轴承用在舵 轴承的磨损方面的测量设计。 也有一些仪器厂生产摩擦磨损试验机，限于试验机的生产目的非局限于船用 9 第1 章绪论 水润滑轴承材料，在结构设计方面不针对船舶行业。如济南试金集团( 原济南试 验机厂) 所产m p v 一1 5 0 0 、m p v 一2 0 b 等系列摩擦磨损实验机，在国内占有重要地位， 可用于测量塑料轴承极限p v 值，但无法做摆动试验来模拟如船舶舵轴承的摩擦磨 损实验【4 4 1 。 本文按照g b7 9 4 8 8 7 塑料轴承极限p v 试验方法和挪威船级社( 缩写为 d n v ) 的塑料舵轴承衬套材料认证标准( s y n t h e t i cr u d d e rb e a r i n gb u s h i n g s m a t e r i a l s ) 要求设计了一套船用塑料轴承摩擦磨损试验机，用来检测水润滑塑料 轴承材料的p v 值，极限载荷和磨损量，检验其能否满足船舶应用要求f 4 5 , 4 6 。 1 0 船用塑料轴承实验机的设计与应用 第2 章水润滑塑料轴承p v 值试验机设计 水润滑塑料轴承p v 值实验设计主要包括试验台的设计与组建、塑料轴承试样 及配对轴套的设计尺寸及加工标准和塑料轴承p v 值测量标准以及参数计算三个部 分。其中试验台的设计与组建又包括电机及传动系统的设计、载荷系统的设计、 水润滑系统的设计和控制与测量系统的设计。 2 1 试验台的设计与组建 水润滑塑料轴承p v 值测量试验台由四部分组成，分别是电机传动轴承系统、 载荷系统、水润滑系统、控制与测量系统。 图2 1 试验台的构成 f i g 2 1c o m p o s i t i o no ft e s t b e d 2 1 1 电机及传动系统的设计 电机传动系统主要包括：变频调速器、电动机、轴承、轴承座。下面就电机 传动系统的设计作一一介绍： ( 1 ) 变频调速器的选择 本次试验选用台湾普传公司生产的普传p 1 9 7 g v 4 系列变频调速器。p 1 9 7 g v 4 泛用型变频调速器是高性能的交流电机驱动器。具有各种操作方式( 键盘、多段 速度、电位器、电压电流信号) ，较强的功能( s 曲线、寸动优先权、直流制动、 电流限幅、转速追踪再起动等) 及齐全的故障诊断系统。本实验选用的变频器额 定功率为7 5 k w 。由其带动试验台额定功率为5 5 k w 主电机，完全满足要求。 在p v 试验过程中，变频器的接线方法如下图： 第2 章水润滑塑料轴承p v 值试验机设计 7 5 4 5 k w 主回路端子 主电源输入端 端子功能说明： 接地端 图2 2 变频器接线方法 f i g 2 2i n v e r t e rc o n n e c t i土 电机输出端 表2 1 变频器的主回路端子 t a b 2 1t h em a i nc i r c u i tt e r m i n a lo fi n v e r t e r 变频器的具体的接线方法为：主电源三根线分别接变频器主回路端子的r 、s 、 t 接线端。变频器输出端u 、v 、w 分别接电机的输入端。变频器主回路端子e 接地。 电动机的运行方式采用模式4 ，模拟输入+ 键盘运行。操作键盘中的f o r 、r e v 键控制电机的正反转运行，模拟输入信号进行调速。选用该控制方式的优点是便于 ；，；工tl|；- 端流；|，i且 船用塑料轴承实验机的设计与应用 调节电动机的转速和正反转。在实验的过程中可以通过变频器上面的旋钮调节试 验机的转速。 ( 2 ) 电动机的选择 本实验选用大连第四电机厂生产的功率为5 5 k w 的三相异步电动机。其主要 技术参数为：接线方式为三角形接法，极对数6 个，额定转速为9 6 0 r p m 。额定电 流为1 2 6 a ，额定电压为3 8 0 v 。此电动机能在较低转速下提供较大扭矩，经过试 验过程中的测试，完全符合该实验要求。在实验过程中，在其控制变频器上显示 的电机工作参数均在其额定范围以内。实验过程中曾用过一台功率为3 o k w 的异 步电动机，由于其低转速下扭矩不够，无法正常完成低转速下的试验，故改用该 5 5 k w 的电机。 ( 3 ) 台架支撑轴承的选择 通过查阅生产厂家的塑料轴承技术资料，确定此次试验用塑料轴承的极限压 强约为1 6 3 2 m p a 。 根据公式： w = p * l * d( 2 1 ) 式中： w ：塑料轴承极限载荷( n ) p ：塑料轴承极限压强( m p a ) l ：塑料轴承长度( m m ) d ：塑料轴承内径( m m ) 根据g b 7 9 4 8 8 7 塑料轴承极限p v 试验方法要求，试验用塑料轴承的长度 为3 5 m m ，内径为3 5 m m ，根据公式( 2 1 ) ，则塑料轴承的极限载荷 w = p 木i ，i d = 】6 3 2 * 3 5 * 3 5 = 2 0 0 0 0 n = 2 0 k n 1 3 第2 章水润滑塑料轴承p v 值试验机设计 图2 3 轴承的受力图 f i g 2 3t h el o a do f b e a r i n g 由图可见， f i = 2 0 0 0 0 n 。 以f 2 的受力点为支点，由设计的试验装置可计算： f 1 术8 0 = f 3 木2 8 0 得出f 3 = 5 7 1 4 n = 5 7 1 4 k n f 2 = f 1 一f 3 = 2 0 0 0 0 5 7 1 4 = 1 4 2 8 6 n = 1 4 2 8 6 k n 由于该实验在转动过程中主要受径向力，故选择采用经济实惠的深沟球轴承， 本实验选用两个瓦房店轴承，型号为z w z 6 4 1 0 ，其参数指标为： 表2 2 轴承参数表 t a b2 2b e a r i n gp a r a m e t e r s 基本尺寸基本额定负荷安装尺寸极限转速 ddbr s m l nc rc o rd s m i n d s m a x d h m a xr m a x脂润滑油润滑 5 01 3 03 l2 19 2 05 5 06 11 1 925 3 0 06 3 0 0 由以上技术指标可以有看出，该轴承能承受的动载荷c r 为9 2 o k n ，静载荷 c o r 为5 5 o k n 。远远大于该实验所需要求。 另外还需要进行滚动轴承寿命的校核。滚动轴承的基本额定寿命厶。与当量动 载荷p 的关系图2 4 所示，曲线方程为 尸占l l o = k ( 2 2 ) 1 4 船用塑料轴承实验机的设计与应用 式中：k 为常数，s 为寿命指数，球轴承占- - 3 。 故 p c o 图2 4 基本额定寿命厶。与当量动载荷p 的关系 f i g 2 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n 厶oa n dp 由基本额定动载荷的定义知，当厶。= 1 时，轴承的载荷恰为基本额定动载荷c ， 所以， 尸占l l o = c 1 = k ( 2 3 ) 厶o= ( 2 4 ) ( 2 4 ) 式中，厶。是以1 0 6 转为单位的。实际计算中常以小时作为寿命单位。 若取轴承的工作转速为1 1 ( r m i n ) ，则上式可改写成以小时数为单位的寿命计算式： 七= 而10 6 占 ( 2 5 ) 基本额定动载荷c 是以工作温度低于1 2 0 。c 为条件的。温度过高，将使金属组 织、硬度和润滑条件发生变化，导致c 值降低【2 9 1 。 现通过以上公式对实际使用情况中的深沟球轴承使用寿命进行校核。 深沟球轴承占取3 ；径向载荷p 取2 0 0 0 0 n ；该轴承的c 取9 2 k n 。根据公式( 2 5 ) 第2 章康润滑塑料轴承p v 值试验机瑷计 = 篆( 铲而1 0 + 。：( 9 2 0 。0 0 卜z ， 26 经过轴承寿命校核，深沟球轴承的使用寿命约为2 3 7 9 小时，而作组试验的 时间是1 0 0 小时左右，所以该轴承的选择可以达到使用要求。 ( 4 ) 轴承座的选择 轴承座的选择主要是根据轴承的型号进行。轴承座的材料有铸铁的和合金的 两种。铸铁的轴承座一般适用于中小载菏环境，台金轴承鹰较适用于太载荷环境。 本实验台选择的是与轴承相配合的瓦房店轴承厂生产的铸铁轴承座，型号为1 5 1 5 ， 轴承鹰形状如图25 所示。 目25 轴承座 f i g25b e a r i n gb r a c k e t 、 ( 5 ) 传动轴的选择。 本试验机用到的传动轴的具体结构如图26 所示，轴的村科为4 5 优质钢。传 动轴结构主要由七部分组成，对应于图26 。 第一部分开有螺纹，拧t 螺母以后就可以对上面的钢套进行固定 第二部分的作用主要是与钢套进行配合，配合如图27 所示： 装上钢套后的第三部分用于装配轴承，直径等于轴承内径。 船用塑料轴承实验机的设计与应用 第四部分的阶梯主要是用于对轴承进行轴向定位。 第五部分用于调整传动轴长度。 第六部分用于装配滚动轴承，作用同。 第七部分用于与联轴节相连，上开有键槽。 图2 6 传动轴结构示意图 f i g 2 6t h es t r u c t u r eo ft r a n s m i s s i o ns h a f t 图2 7 轴与钢套配合 f i g 2 7t h ea s s e m b l a g eo fa x i sa n dc y l i n d e rc o v e r 以上就是传动轴的整体结构。在传动轴的第7 部分，传动轴与连轴器采用平 键连接。 ( 6 ) 传动轴平键应力的校核。 平键连接传递扭矩时，其受力由下图所示： 1 7 第2 章水润滑塑料轴承p v 值试验机设计 h b l 图2 8 键的受力示意图 f i g2 8t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff o r c eo fk e y 对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联接，其主要失效是 工作面被压溃，而一般不可能会出现键的剪断。因此，根据简化的机械设计通常 只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。 假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为： = 2 t d l k 纠 ( 2 7 ) 式中： t 一传递的转矩，单位为n m ； k 一键与轮毂键槽的接触高度，k = 0 5 h ，h 为键的高度，单位为m m ； l 一键的工作长度，圆头平键l = l - b ，平头平键i = l ，单圆头平键1 - l - b 2 ，l 为键的长度，b 为键的宽度，单位均为m m ； d 一轴的直径，单位为咖； op 一键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位为m p a ： 由于电动机轴与传动轴采用直联方式，所以 t = 9 5 5 1 0 3 * p n( 2 8 ) 船用塑料轴承实验机的设计与应用 式中： 卜电动机的额定功率( 5 5 k w ) n - 电动机的额定转速。( 9 6 0 r p m ) t = 9 5 5 1 0 3 木5 5 9 6 0 = 5 4 ( n m )( 2 9 ) 设计采用普通平键： l = 4 0 m m ：k = 4 m m ；d = 3 5 m m l 歹= 2 t d l k = 2 ：l c 5 4 ( 3 5 * 4 0 * 4 ) ：i c l 0 9 = 1 9 3 1 0 6 p a = 1 9 3 m p a ( 2 1 0 ) p 远远低于键、传动轴、轮毂、联轴器的许用应力。 2 1 2 载荷系统的设计 载荷系统要求能够对塑料轴承施加要求的一定值载荷，并且误差在2 以内。 由于条件限制，本实验采取手动加载，对塑料轴承部位施加一个垂直向下的径向 载荷。因为我们的加载目标载荷是求轴承所能承受的最大载荷，载荷数值可能较 大，所以试验装置通过一个杠杆施加载荷，具体结构见图2 1 2 ，这样可以解决人 工加载时人的力量不足的问题，在杠杆靠近塑料轴承的一侧加一个压力传感器， 用来精确控制加在塑料轴承上的加载力。 2 1 3 水润滑系统的设计 本实验为了模拟海上环境，采用人造海水作为润滑冷却液。水润滑系统由一 个水泵和一个蓄水池组成。根据蓄水池和试样的距离选择水泵的扬程，一个小型 普通的离心泵就可以符合要求。本实验装置采用的是一额定功率为l o o w ，最大扬 程为4 5 m ，最大流量为4 5 0 0 l h 的海水泵。在轴承的入水口处设计一个储水机构来 保证进入到轴与轴承之间的海水有足够的平稳压力，以保证轴与轴承之间润滑水 膜的形成和带走摩擦副间因摩擦而产生的热量。具体的结构见下图2 9 和图2 1 0 ， 润滑机构中间的侧立挡板是测量摩擦力的，也即是测力挡板。 1 9 第2 章水润滑塑料轴承p v 值试验机设计 圈29 水