PTFE复合轴承的开发与应用

Mr. Seiji Yamajo.

Kobelco Eagle Marine Engineering Co., Ltd.

2-3-1, Shinhama Arai-cho, Takasago, 676-8670, Japan

Mr. Fumitaka Kikkawa.

Mikasa Corporation

11-2, 3-Chome, Kusunoki-cho, Hiroshima, 733-0002, Japan

摘要:聚四氟乙烯（PTFE）复合轴承是一种水润滑尾轴轴承，是合成橡胶和聚四氟乙烯的结合物。本论文概述了聚四氟乙烯复合轴承的发展和应用,它使尾轴轴承能够在没有初始润滑水的情况下启动。它的特点是三层结构，使用夹在聚四氟乙烯结合物和外部的金属外壳之间的弹性合成橡胶。这种特殊的结构是被设计用来解决轴承互不兼容问题。这个轴承有足够的硬度去很好的对抗磨损，同时也能灵活的补偿尾轴的偏差和振动。摩擦特性和性能数据通过对照聚四氟乙烯和传统橡胶轴承来进行介绍。长时间运转测试在很苛刻的条件下进行，实验数据会显示。超过15年在海军舰艇和高速、远距离的巡航渡轮上测得的实际运行服务数据被介绍。

介绍

现有的船舶上有两种艉轴承系统，一种是水润滑的系统，主要应用于小型船舶。而另一种是油润滑系统，主要应用于大型船舶。这种分类是出于经济和技术原因。从技术角度来看，油润滑系统适用于大型船舶，因为相比于水润滑轴承，油润滑轴承能承受高负荷。美国的古德里奇80多年前发明了橡胶尾轴承，它非常适用于水润滑系统。

然而，由于轴承压力低，所以这种应用仅限于小型船舶。聚四氟乙烯复合轴承的性能十分优越，特别是在承受压力方面。

与橡胶轴承相比，可应用于大直径尾轴的船舶。该轴承在1982年发明出来，已从大型海军舰艇和巡游渡轮中获取了许多服务数据。本文介绍了聚四氟乙烯复合轴承的特性和性能测试数据显示了一些实用的服务数据（Yamajo等）。

结构

聚四氟乙烯复合轴承有一个独特的三层结构如图1所示。弹性橡胶夹在聚四氟乙烯和青铜制外壳之间。PTFE是聚四氟乙烯的缩写，虽然其成分不是纯聚四氟乙烯，它包括一些碳纤维以提高耐磨性。

图1 三层轴承的结构

水润滑轴承，必须具有优异的抗磨损性能，也要能灵活地应对恶劣条件下的轴对中问题。如表1所示，这些要求互不兼容，所以设计了三层结构来解决这个问题。FFB ( 无摩擦轴承 ) 是根据修改后的聚四氟乙烯以及本文概述的特殊结构命名的。

性能要求	橡胶	塑料	三层轴承
优良的耐磨性 材质必须是 坚固的	软	硬	硬
灵活应对恶劣工况 材料必须是 韧性高的使轴承压力较小	灵活	不灵活	灵活

表1 三层轴承的特点

用橡胶粘着聚四氟乙烯是制造轴承的一项关键技术。专用设备如图2所示是为了制造它而开发的，其制造工艺如下：(a)在模具中固定有一个青铜外壳和一些聚四氟乙烯。在聚四氟乙烯的外表面和外壳的内表面这两个地方都涂有粘合剂。(b) 橡胶原料由下列材料以一个螺杆机构啮合使粘度降低。然后通过一个长孔由高压注入到模具中。聚四氟乙烯与橡胶之间的粘合强度大于橡胶本身的强度。当我们尝试用试件测量粘接强度时，橡胶会在聚四氟乙烯和橡胶分离之前损坏。

图2 聚四氟乙烯的制造设备

有三种聚四氟乙烯轴承。全塑型、节段型和桶型，如3所示。分段式的优点是只有磨损的部件才能更换。全型更适合于小直径轴承。

图3 聚四氟乙烯轴承结构

基本特点

和橡胶轴承的比较

橡胶轴承是水润滑系统中最常用的轴承。聚四氟乙烯轴承和橡胶轴承之间特性的比较见表2。表2中的摩擦系数取决于如图4所示的周向速度。 表2 橡胶轴承和聚四氟乙烯轴承的比较 图4 摩擦特性

测量了聚四氟乙烯（PTFE）轴承的摩擦系数，并与军事规范（MIL-B-17901B（5H）修改3）中所要求的橡胶轴承的摩擦系数进行了比较，结果如下。试验是用轴尺寸为140毫米（5.5英寸）的轴承进行的。测试条件如表3所示，测试结果如图5所示。试验结果表明，聚四氟乙烯复合轴承的摩擦系数远小于橡胶轴承。

表3 摩擦系数测试的测试条件

图5 动、静摩擦系数

与塑料轴承的比较

与轴套接触的聚四氟乙烯轴承材料是含碳纤维基料的聚四氟乙烯也是优秀的耐热材料。耐热性能与聚氨酯相比较，如表4所示。（聚氨酯是塑料复合轴承的材料之一） 表4 耐热性

一般而言，塑料复合轴承在海水中比聚四氟乙烯更具有膨胀特性，聚四氟乙烯基本不膨胀。将两轴承都浸在海水中，测量其内部的变化，结果示于图6中。 图6 海水中的膨胀特性

弹性

由于其独特的结构，聚四氟乙烯轴承的弹性介于橡胶轴承和聚氨酯轴承之间，。在支架轴承长度为2000毫米，轴径459毫米的条件下，计算了三种材料的承载压力。表5显示每个材料的杨氏模量，这是在计算中使用的。

计算结果如图所示。7.图7表明聚四氟乙烯轴承的弹性很好接近橡胶轴承。 表5 轴承的杨氏模量 图7 托架轴承承压

干燥条件下的耐久性

采用两种试验方法研究了聚四氟乙烯（PTFE）轴承在干态下的性能。干燥试验–轴承直径140mm，长度140mm。运行时间：聚四氟乙烯轴承在各种周向速度和负载条件情况下，可以在干燥的情况下不燃烧而进行轴承的测量。试验结果示于图8。 图8 干燥条件下的耐久性

我们可以从图中看到。当轴承压力为0.4Mpa，周向速度为6米/秒时，临界运行时间大约为80秒。这意味着聚四氟乙烯轴承润滑状态由于海水蒸发，即使从水润滑状态变为干燥状态，仍可运转1-2分钟。这就是为什么提供了聚四氟乙烯的轴承可以开始在干燥条件下旋转（佐藤等）。

无供水测试–轴架上的一个关注问题是，由于两边有捕鱼网，供应给轴承的冷却水突然停止。测试设备图9模拟这种情况。聚四氟乙烯轴承内部充满了水，然后在两端密封。水箱内的水温在冷却器和电磁阀的作用下保持恒定（32°），三个温度计放置在轴承的A、B和C位置。 图9 无水供应测试装备

图10显示了橡胶和聚四氟乙烯轴承中这些温度的变化。橡胶轴承的温度急剧上升，两分钟后达到临界水平，这时两端停止供水。相比之下，聚四氟乙烯轴承的温度只上升大约10°C，然后保持不变。这些不同是由于聚四氟乙烯轴承的摩擦系数小。这些数据证实，，即使两端都挂有渔网，仍然可以使用聚四氟乙烯轴承，不会出什么严重的问题。我们通常认为在干的船舱转轴处没有必要倒水进去。也没有必要在轴托架处安装供水管道。

图10 轴承温度

抗磨损性能

水润滑轴承最重要的特点是其抗磨损性能。对其进行了两种试验研究。

高负荷试验

在试验设备中装配了直径为200毫米的轴承，并通过弹簧施加高压如图11所示。把轴承放在水箱里冷却轴承，将沙子混入水中如图12所示，测试条件见表6。

图11 磨损测试设备（轴直径-200毫米）

图12 试验设备给水管路

表6 测试系统（1）

分别在90小时、 500小时和1000小时后分别测量轴承和轴套的磨损情况。最大磨损率示于图13。大部分磨损发生在启动后100小时内这通常被称为初期磨损。初期磨损后磨损率没有提高太多。

图13 1000小时后的摩损

图13.显示了聚四氟乙烯轴承在高负荷条件下具有优异的抗磨性能。1000小时后轴套的磨损为0.05mm，低于轴承磨损。根据我们在实际船舶上的经验，轴套的磨损程度与船舶轴承磨损差不多。

低转速试验

在高载荷条件下，如1Mpa的磨损性能在前一节中得到了体现。那本节研究了在更苛刻的条件下的磨损性能，因此本试验以轴承失效为前提，试验条件如下；

(a) 轴直径大于300毫米；

(b) 轴承压力较高，p=1.5兆帕

(c) 轴旋转次数较低，N＝60转/分(v＝1米/秒)

轴转速低时，轴承的磨损率会大大加快。上述的情况（c）预计会非常严重。测试设备的安排见图14，测试条件示于表7。

图14 磨损测试设备（轴径=300mm）

表7 测试条件（2）

轴承的负荷比为7（船尾）与3（船首部）在船尾侧施加更高的负荷。加载条件见表8。

表8 加载条件

进行了4个月的试验，每个月测量轴承和套筒的磨损情况。如图15所示，最大磨损出现在尾部，试验后的轴承表面非常光滑，但在轴套表面上旋转方向有一些划痕。

图15 4个月的磨损测试

四个月后，最大轴承磨损直径为0.43毫米，超过之前实验中200毫米直径轴承磨损的两倍。差异主要来自轴旋转次数少。有趣的是即使在要求很高的试验条件下，轴承都没有严重的磨损，开裂和燃烧。通过本试验证实了聚四氟乙烯轴承的优良性能。

设计和应用

聚四氟乙烯复合轴承由澳大利亚统计局和纳戈尔诺-卡拉巴赫分类协会批准。澳大利亚统计局的设计评定见表9。

表9 澳大利亚统计局设计评定

图16提供了非常有趣的数据，其中橡胶轴承和聚四氟乙烯轴承是适用于同一船上。头五年在驱逐舰级船上安装了橡胶轴承，后来更换为聚四氟乙烯轴承。这项改变的测试已经进行了8年。轴承和轴套之间的间隙已测量了13年，如图16所示。图16中间隙的改变代表“轴承磨损 轴套磨损”。橡胶和聚四氟乙烯轴承的区别可从这个图中的数据清楚地看到。

图16 一个驱逐舰上间隙的改变

图17 一个导弹驱逐舰上间隙的改变

图17个显示了一个导弹驱逐舰9年的间隙变化。聚四氟乙烯的轴承内径是745毫米，9年后间隙增加了1毫米。9年后的轴承表面如图18所示。

图18 一个导弹驱逐舰上的轴承外观

之后介绍了一艘远航邮轮811年的使用效果。它有两个螺旋桨轴，其结构如图19所示。.聚四氟乙烯轴承应用于后托架轴承位置1上，因为其轴承压力是三个轴承中最高的一个。橡胶轴承应用于其他轴承2和3。后轴承直径493毫米的邮轮每年工作时间为6200小时。

图19 邮轮结构

实际服务数据如图20所示。左舷和右舷的聚四氟乙烯轴承已经使用了11年而没有被替换。在位置③处的左舷橡胶轴承和轴套7年之后出现严重磨损，两个橡胶轴承和轴套都被替换过。这就是为什么八年后左舷的间隙会比七年后小的原因。”。11年后的间隙约为1毫米。通过这些数据，我们期待着聚四氟乙烯轴承可以使用20年不被取代。

图20 位置①轴承的间隙

美国参考列表

如表10所示，自2003年5月起，聚四氟乙烯复合轴承已应用于美国商业船只。

表10 聚四氟乙烯轴承参考列表

结论

本文展示了各种特点的聚四氟乙烯轴承，并介绍了一些实际的测试结果。截至2003年年底，总供应记录为120多艘船舶，所有船舶都已显示良好的测试结果。不幸的是，与橡胶轴承相比，由于初期成本较高，所以在一般商业船只上（除了邮轮以外）的应用受到了限制。最近发现，聚四氟乙烯轴承的运行成本较低，因为它可以使用超过15年没有任何更换。聚四氟乙烯轴承现在正在从一个包含运行成本的经济角度重新考虑。这就是为什么聚四氟乙烯轴承已应用于美国商业船只，我们期待在未来的进一步应用。

参 考 文 献

[1] Yamajo, S. 和 Kikkawa, F，“聚四氟乙烯-聚四氟乙烯复合轴承在水润滑轴系中的应用”，国立成功大学，2003年9月

[2] Satoh, H. 和 Takeda, H.“第6届立式泵用干式轴瓦”用户研讨会，1989年4月

水润滑规格橡胶轴承中粘滑诱导的噪音

Bharat Bhushan

Mechanical Technology Incorporated,

Latham, N. Y. 12110. Mem. ASME

本研究报告的基本原则是对水润滑柔性橡胶轴承的噪声产生机理有一个基本的了解。为了直接测量振动现象的不同方面，并能够观察橡胶在滑动界面上发生的橡胶运动的类型，在实验模型研究中，使用了一种透明的玻璃滑块对着丁腈橡胶。这项研究清楚地表明，这种基本现象是橡胶表面的粘滑运动，有时还伴随着轴承部件的机械共振。轴扭转共振几乎不涉及。鼓励这种现象的设计、几何和物质条件已经确立。改进的方向是明确的，而且本文包含了结论和建议的纠正手段，将可能实现无声操作。

介绍

在转速较低时，船舶螺旋桨轴应

英语原文共 29 页

资料编号：[4624]