摘 要

根据润滑介质的不同，尾轴承可分为水润滑和油润滑两种。传统尾轴承大多采取油润滑方式，难以避免润滑油泄漏污染水资源，对水环境造成严重破坏。随着科学技术的发展，人们的环境保护越来越强，船舶采用水润滑尾轴承将成为未来的趋势，许多发达国家都相继开展了新型水润滑轴承材料研究。通过对国内外水润滑轴承材料的研究现状及多种应用于水润滑轴承材料的基本特性进行整理和研究。

本文主要研究了四种不同添加剂组成的聚氨酯试样在不同工况下的摩擦性能。利用CZB-1船舶轴系摩擦磨损试验机对聚氨酯试样进行水润滑摩擦磨损试验研究，从摩擦系数，磨损量及表面形貌三个方面进行对比分析。对四种聚氨酯试样，在三种不同载荷情况下进行了比较，所得结果对于不同添加成分对聚氨酯基体材料的摩擦性能研究具有重要的指导意义。

研究结果表明：（1）不同添加成分对聚氨酯的摩擦性能有显著影响；（2）在水润滑环境中，相同载荷条件下试验，起初阶段的摩擦系数数据偏大，但随着试验时间的增加，摩擦系数会慢慢减小并趋向稳定；（3）润滑脂作为添加成分，有效地提高了聚氨酯材料的耐磨性和摩擦性能；（4）分析试验后铸铜圆盘试验的磨损表面形貌，纯聚氨酯的对磨盘表面最差，磨痕较深，相反聚氨酯改性后的材料虽然有划痕，但是划痕较轻；（5）综合比较，在0.1 MPa、0.3 MPa载荷条件下，纯聚氨酯的摩擦系数最低，摩擦性能好，改性后的聚氨酯在0.5 MPa载荷下，摩擦系数低，耐磨性能好，摩擦学性能好。

本文特色：通过向聚氨酯材料中添加不同添加剂进行摩擦磨损性能试验，探究不同添加剂以及载荷条件对聚氨酯材料的性能影响。

关键词：聚氨酯；摩擦磨损；水润滑；改性；表面形貌；

Abstract

According to the different lubricants, it can be divided into water lubrication and oil lubrication. The traditional stern bearing mostly adopts oil lubrication and thus cannot to avoid the leakage of lubricating oil, which may pollute water resources and cause serious damage to water environment. With the development of science and technology, the environmental awareness has been raised. There will be a trend in the future for ships to adopt water lubricated stern bearings. Many developed countries have carried out research on new water lubricated bearing materials. The domestic as well as abroad research status of water lubricated bearing materials has been presented and the basic characteristics of many kinds of water lubricated bearing materials have been suggested.

In this paper, the tribological performance of polyurethane samples with four different additives under different working conditions were studied. The friction and wear tests were carried out by using CZB-1 ship shafting friction and wear tester. The friction coefficient, wear loss and surface morphology were compared and analyzed. Four kinds of polyurethane samples were tested under three different loads. The results are of great significance for the study of the friction properties of polyurethane matrix materials with different additives.

The results show that:(1)The friction properties of polyurethane were significantly affected by different additives;(2) In the water lubricating environment, the friction coefficient is larger at the initial stage under the same load, but with the test time increases, the friction coefficient gradually decreases and tend to be stable;(3) As one kind of additive, grease can improve the tribological properties of polyurethane material effectively;(4) The wear surface morphology of cast copper disc after test was analyzed. The surface of pure polyurethane was the worst and the wear depth was deeper. On the contrary, the modified material had scratches, but the scratches were unobvious;(5) In comparison, the friction coefficient of pure polyurethane is the lowest under the load conditions of 0.1 MPa and 0.3 MPa. The polyurethane sampleshave good tribological performance under 0.5 MPa load. The friction coefficient is low and the wear resistance is desirable.

Characteristics of this paper: the effects of different additives and loading conditions on the properties of polyurethane materials were studied by adding different additives to the polyurethane materials.

Key Words：friction and wear；polyurethane ; modification ;water-lubrication；surface morphology

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景与研究意义 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 主要研究内容与技术路线 4

1.3.1 主要研究内容 4

1.3.2 技术路线 5

第2章 试验设备 7

2.1 试验设备 7

2.1.1 摩擦磨损试验设备 7

2.2 分析仪器 7

2.2.1 恒温真空干燥箱 7

2.2.2 激光干涉表面轮廓仪 8

2.2.3 超景深三维显微镜 8

2.2.4 电子天平 9

2.3 本章小结 10

第3章 不同添加成分聚氨酯实验过程结果分析 11

3.1 摩擦磨损试验 11

3.1.1 试验目的 11

3.1.2 试验材料 11

3.1.3 试验设计及原理 11

3.1.4 试验测试 12

3.2 实验结果与分析 13

3.2.1 摩擦系数对比 13

3.2.2 磨损量对比 18

3.2.3 表面形貌对比 19

3.3 本章小结 23

第4章 聚氨酯销试样与铸铜圆盘的摩擦磨损机理分析 25

4.1 销试样与铸铜圆盘之间摩擦力的形成 25

4.2 销试样与铸铜圆盘试样的磨损过程 28

4.3本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.1.1 选题背景

随着工业化进程的加快，能源危机和环境污染已经成为亟待解决的难题，节能减排、环境保护已成为全世界共同关注的焦点问题之一。按照轴承润滑方式分类，轴承可分为油介质润滑和水介质润滑两种。国内内陆水域船舶推进系统基本上都采用油润滑轴承，船舶推进系统在工作过程中，难以避免的会出现因密封不良导致润滑油泄露问题，这些润滑油直接或者间接地被排放到水中，对航区水生态环境造成破坏性污染，甚至会对整个自然生态造成不可逆转的影响^[1]。据中国船级社对民用船润滑油泄漏的统计研究，可以发现总功率在880 KW上下的民用船，因油润滑轴承密封的原因，年均泄漏的滑油重量达三吨左右。按照中国船级社中规定的油润滑轴承密封检验合格标准，规定油润滑方式密封的滑油泄漏技术要求为2~3滴/分钟；现如今我国广泛采用的黄氏密封HKT系列要求规定旋转轴密封装置的润滑油泄露量每天不大于1L^[2]。每年因船舶滑油泄漏造成国内许多水资源环境被破坏，污染严重^[3]。目前国内航行中，各类船舶总数约为两百万艘，假设每一艘船舶年均泄漏的滑油重量以1.5 t计，那么国内各类船舶每年润滑油泄露量可达三百万吨^[4]，十分严重地污染和破坏航行水域周边的水资源环境，危及到人和动物赖以生存的生态环境。

与油润滑轴承相比较，纯净水作为一种无污染，不可燃烧，可持续性高的特点，是最具备发展前景的润滑介质。采用水润滑轴承可以很好实现环境的可持续性、节能和低成本，水润滑轴承不仅节省了滑油的使用，而且几乎不污染水资源，摩擦因数小，易维护保养等特点。因为水润滑轴承不需要很多的滑油，不用去考虑大量滑油泄漏导致水生态系统污染。除此以外，水润滑尾轴承的制造相对于简略，水润滑尾轴承没有专用的润滑机构和专用的轴承空间。截止至今，铁犁木，橡胶，陶瓷，聚合物等相关材料已经被应用在船舶轴承中。橡胶基体聚合物由于具有良好的减震、抗冲击和抗磨性能已成功地应用于轴承中，如丁腈橡胶材料。然而，研究发现橡胶基体聚合物具有承载力差、弹性模量低和低速鸣音等缺点，使其性能和应用上存在局限性，限制其进一步应用。在各种可替代的水润滑轴承材料中，聚氨酯由于可以用各种典型的方法加工聚合物，以及具有非常良好的耐磨性能，高弹力性能，耐疲劳能力，高承载能力和减震能力等优点，成为传统水润滑尾轴承制造材料的替代品，引起了专家和企业研发的广泛关注。