英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
窗体顶端
对船舶尾轴承的水润滑和冷却不当情况下导致磨损的实验研究
WojciechLitwin, CzesławDymarski
摘要：
在船舶螺旋桨、水轮机、泵轴的滑动轴承的选材中，水润滑高分子材料的运用日益广泛。这种材料相对的更加环保而且耐用。
然而，在实际经验人们也可观察到这种材料的轴承在润滑油供给不足的情况下快速磨损，严重的甚至产生故障。所以开展这项研究的主要目的是研究这类轴承在无润滑剂流量的条件下的不同工作情况。
关键词：水润滑轴承 螺旋桨轴承 主轴承
1. 简介
水润滑高分子聚合物轴承在被发明后逐渐被大量应用于船用螺旋桨，水轮机和泵轴。这种兴起它的结构简单，这也表明这种水润滑高分子聚合物轴承造价相对低廉。这类轴承的三种工作系统在实际应用中占最主导的地位。
第一种系统，也是最简单的一种，这种系统是一个开放系统：由水自由的通过轴承并润滑轴承。运用于船舶轴承和水轮机以及泵轴。
第二种系统，有些更为复杂的系统，周围的水经泵的过滤并通过轴承排到系统外部。这种解决方案具有明显的优点。首先，润滑剂通过轴承的流流量能通过调节泵来控制。在泵有故障或过滤器被堵塞的情况下，流量传感器能够监测并指出故障。这种警报监测是十分重要的。在大多数情况下，它能够避免船舶在产生故障后未被发现而产生更严重的故障。经过滤的水一般是不含较大颗粒高硬度杂质的水，这大大降低了轴承磨损损坏的风险。这种系统通常运用于螺旋桨的轴承部件。
第三种系统是优点最多的，但也是最昂贵的。它包含水了循环系统。这种系统的轴承部位两侧是密封的，能够有效防止它被外界杂质污染。显然，海水是不接触轴承的，而是通过泵将温度适宜的经过滤的淡水送至轴承。化学中的中性水，没有杂质，并且有适宜的流动参数，能够实现对环境潜在变化的控制，为轴承提供了良好的工作条件。这种轴承系统尤其适用于河流上的船舶，河流涡轮机和排水泵等系统（开荒，露天开挖，矿山作业等）。
基于大量的实践经验，一般来说，在正常的情况下，水润滑轴承具有至少一个十年左右的使用寿命。在使用寿命结束后，轴承中的轴瓦被替换为新的然后与原轴承一起继续使用，通常只需要重磨轴瓦的滑动面。如果它的表面磨损比较 严重，那么就有必要进行焊和研磨。在另一些情况下可以运用一些其他的方法，例如重新加工轴，用薄的不锈钢材质或青铜材质的套筒套上它。
多亏了世界各地的轴承制造商和科研研发部门的努力，这种轴承的耐用性与可靠性都得到了很大程度的改善。研究内容包括关于研究流体膜润滑条件下工作情况的重要理论著作。经过测试可以发现过大的径向间隙和润滑槽位置的不妥可能会很大程度的降低轴承的水动力的承载能力。在这些研究中，制造商专注于生产具有低摩擦、高耐久、低浸水性的材料，使得溶胀特性可以忽略不计。
不幸的是，这种类型的轴承在实际中发生过很多故障。其中的一些故障可能是由于通过轴承的润滑剂不足进而导致其冷却不足造成的。应当牢记的是高分子聚合物轴瓦的导热性并不好，正常情况下在摩擦区所产生的热量会被流经的润滑剂吸收。
摩擦是确定摩擦区是否发生过热现象的决定性因素。在冷却系统发生故障的情况下，热量肯定会被直接传递到周围环境中。随着摩擦加剧，轴承中产生的热量增多。冷却系统发生故障时，热量必然被直接传递到周围环境。当与周围环境的热交换有问题时，主要原因是因为轴瓦的热传导系数低，轴瓦升高的温度较轴升高的温度较小。如果这样的工作条件一直保持，那么一段时间温度会趋向稳定。在轴承的设计中，设计者试图确保轴承在摩擦区的温度在可接受的范围之内。
摩擦区域的过热通常会导致聚合物处于快速粘附磨损的过程中。材料的分层脱落（材料层的分离）在复合材料轴承中频繁的发生。因此，保证良好的散热是很重要的。
拥有在温度上升的条件下工作的能力对聚合物轴瓦是非常重要的，也是它作为特殊材料的一个很大的优点。正是出于这个原因，一些摩擦材料的制造商密切关注这方面的问题，从而提高他们的产品质量。
二、起源与目的
目前已有的专业文献中并没有有关船舶螺旋桨轴承或水轮机轴承过度磨损而引起事故或故障描述。撇开其他因素，这是因为法院或船级社使得作者言论均受保密条款的约束。对于制造商，如果让他们展示研究成果，那他们自然会展示他们的产品中最好的部分。但客观的说，在这些年大部分的有名的的制造商都在研发它，这使得市场上出现了对能够改善摩擦学性能的新型现代化产品的投资大大增加的景象。
研究课题的主要动机是因为目前缺少轴承在有限的润滑和冷却条件下工作运转的研究。在多大负载的情况下轴承能够在没有润滑剂的情况下转动？是否所有的轴承类型在这种情况下都会出现过热现象？从事研究的目的就是寻找这些问题的答案。
在现实情境下的操作中，尾轴承在螺旋桨轴承中发生击穿时，通常会导致非常严重的事故，这会使船舶停止前进。这样的故障可能由泵系统（见图1）的故障引起的。这在许很多情况下，按要求在冷却系统中装配流量和温度传感器冷却系统可以防止此类严重故障。
有的时候，意外的堵塞而使其无法流动而使轴承产生过热的故障。举个例子比较常见的例子，一个有钩子的钓鱼线被缠绕在渔船推进装置的传动轴上，。在单片环中由于摩擦产生的高温而使自身融化的尼龙线会很大程度上阻止水从轴承中流出（见图2）。
图1 熔融聚合物 - 冷却系统故障造成尾轴承过热;轴承直径350毫米
图2 渔船螺旋桨上阻挡水流过轴承的聚合物钩线。箭头表示其中的一个鱼钩
目前，世界各地的科研中心对水润滑轴承的一些基于实验的研究都在进行，其研究成果可以在科学文献中找到。其中经常被提及的根本问题之一是有关用低粘度润滑剂来进行流体动力润滑，比如水。由此开始对如轴瓦的材料，轴瓦的形状，润滑槽的位置，以及滑动表面的病症的类型的分析等方面进行研究。
三、对测试范围和轴承测试的说明
对一组的六种常见海洋工程水润滑轴承进行试验测试（表1）。所有轴承类型都是可以用作船级社规定下的螺旋桨轴承类型。轴承在制造商的建议下采用了不同的材料和几何形状。
采购了用橡胶（NBR）制作的轴瓦，不做任何加工，作为原件准别进行装配（A和B）。另外选用两个由知名生产商提供的三层轴瓦和高分子材料的轴瓦（C，D，E），准备进行组装。另选取一个复合材料的轴瓦（F）根据制造商的指导进行加工。
表1轴承实验测试
所有轴承都经历了几十个小时的打磨过程。打磨过程的方式是由生产商之一所建议的，并且所有轴承经历的打磨过程时间都相同。打磨方式的第一阶段是以3转/秒（1米/秒）的速度并加载0.25兆帕，以此持续六小时。在第二阶段中，负载增加至0.5兆帕，转动速度保持不变。
这种情况下三层的轴承摩擦阻力较小，最终负载为1兆帕。由于某些局限性，对不同的轴瓦进项相同的打磨是不可能的。丁腈橡胶（NBR）轴瓦的变形太大，在密封后会产生造成泄漏。聚合物和复合轴承运动时产生非常打的摩擦阻力，实验装置的推进系统没有强大到能够是它不断运动。
所有的测试轴承在形状上（非圆柱形状）都有一定的故障。它们的大小程度可根据表1所提出的轴承间隙值估算。这种故障是典型的，是由于弹性轴瓦材料在机械切工困难而造成的。
对两种不同形状轴瓦的轴承进行比对研究。轴承槽周围的整个圆周（A，C），表现出径向负载不高或者润滑剂携带了坚硬的固体颗粒所造成的情况。基于它的几何形状，这种类型的轴承的流体动力容量十分有限。这种轴瓦仅加工于表面的轴承，负载只有一半（B，D，E，F）从而使其拥有更好的水动力动态属性。这对它的使用寿命和运动水平阻力都产生了影响。这些因素导致它也影响了摩擦时所产生的热量，这对防止轴承即将损坏和润滑剂停止流动可能是至关重要的。
四、研究方法
使用一台特殊的试验装置来进行作者自己设计制造的水润滑轴承的研究工作。钻机的关键部位在这（图3）。钻机能够对与船舶螺旋桨轴和水涡轮轴承实物等大小实验对象进行试验。
图3 测试轴承组件 实验台
主轴，采用直径为100毫米的，材料使用船用的不锈钢X10CrNi18-8，这是经常使用的主轴类型，尤其是在咸海水工作船舶使用的类型。动力由一台装配了减速齿轮的电动机提供。这种情况下最大起动转矩允许超过160Ntimes;M。静态径向载荷向一个特殊的杠杆增加重量来实现。由此得到三组测量值4KN,8KN和12KN，将三组负载值进行计算，换算为压力值，分别为0.2，0.4和0.6兆帕。 0.2MPa的压力值是比较低的，0.4兆帕为正常，和0.6兆帕是比较高的。根据过去的研究，某些材料所制成工件即使在压力高达0.8兆帕时也能正常工作。
专用测试装置的使用提供了广泛的研究的可行性。它能记录下试验轴承的摩擦力矩，齿隙圆以及轴颈和轴瓦之间压力选定点。当然它也会由于施加在测试轴承的径向力的方式而产生某些限制。负载是通过包含两个滚珠轴承的滚轮来施加。正是由于这个原因，所记录的摩擦系数随施加的负载滚子的运动阻力而减小，也随增加由两个密封环的阻力而增大，使水被挤压而流过轴承单元的密封区。
被测试的轴承组件配备了三个温度传感器，这使得实验数据在试验期间能够被测量。其中的两个传感器能够测量并记录轴承边缘的附近的水温。第三个传感器用来测量钢套的温度，也就是轴承壳体的温度。
对通过轴承的润滑剂流动性不足的影响的调查以下列方式进行。在主轴转速为11转/秒的稳定的条件下工作期间，通过使用在进口和出口侧的阀门使流过该轴承的水流停止。图3中呈现的轴承组件充满水，但在该摩擦区域中产生的整个热量通过壳体壁和驱动轴的外部环境散失。室温为20℃。
测量是在没有润滑油流时进行的并一直持续到：
在轴承的一侧的周围的水的温度记录达到约80℃。一旦此值达到，为了冷却轴承，阀被打开，水循环恢复。正是由于这，才避免了轴瓦损坏。
周围水温稳定：在一定假设的时间段内，没有温度的变化。
模拟的试验台的工作条件比那些通常出现的实际情况差，特别是在与周围环境进行热交换的情况下。在实际的船，在摩擦区域中产生的热量通过轴瓦传送到螺旋桨轴的钢制保护管，然后进一步通过船体进入水，这是经常低于10℃。在试验台的情况下，来自套筒的热量被转移到周围的空气，并且因此在测试过程中的温度达到超过50℃的水平。为了解决这个问题，在测试过程中，让整个轴承组件淹没在水中。但是，该解决方案使得一些只能在水下工作装置的某些测量难以进行。
五、实验结果
【左边为图4，温度升高图，轴承A，轴转速speedfrac14;11rev./s，（a）压力frac14;0.2兆帕，（b）压力frac14;0.4兆帕】
【右边为图5，温度升高图，轴承B，轴转速speedfrac14;11rev./s，（a）压力frac14;0.2兆帕，（b）压力frac14;0.4兆帕】
下面介绍的实验结果是近两年的工作努力的成果。在这段时间里，一些轴承进行了研究和采取其他测量，主要旨在界定的流体动力学负载能力和运动水平的阻力。
曲线图表明在轴瓦附近的平均水温以及钢套筒的温度作为时间函数增加，在润滑油流的阻塞的时刻开始测量(图4–10）
【左边为图6，温度升高图，轴承C，轴转速speedfrac14;11rev./s，（a）压力frac14;0.2兆帕，（b）压力frac14;0.4兆帕】
【右边为图7，温度升高图，轴承D，轴转速speedfrac14;11rev./s，（a）压力frac14;0.2兆帕，（b）压力frac14;0.4兆帕】
六、讨论
在分析的温度上升随着时间的测量结果的过程中，可以观察到在模拟故障中最佳的工作特性，是通过有PTFE滑动表面和在轴瓦上部放置润滑槽（D）的三层衬套轴承来呈现的。接下来两小时的工作中，轴承的周围冷却水的温度达到稳定。轴承单元内的水温低于50℃，钢衬套的温度为40℃左右。这些积极的结果表明了摩擦损耗水平很低，也为大于1.2 KN（压力frac14;0.6兆帕）（见图10）的负载的传导测试提供了很大支持。这些试验也证明了轴承温度本身就很稳定，如同在早期试验的结果一样。然而，由于负荷更大，因此，摩擦也相应的增加，所以所记录的温度有一些偏高。在被收录的早期的摩擦特性，轴轨道，和压力分布的研究就已经表明，该轴承（D）具有非常好的摩擦性能:在启动和混合润滑状态下对运动的抗力比较低。该轴承还具有很高的如同水润滑轴承一样的水动力性能。并不是绝对的无误的结果，但是，对于材料特性是绝对可信的。它也是在流体动力润滑状态，这是由于衬套处于最佳几何状态工作的结果。这也被在一个拥有相同材料（C）的带有衬套的轴承工作温度达到大约80°C (见图6)，在这个温度范围内轴承在0.4MPa压力下工作20min，又在0.2MPa压力下工作大约一小时的事实所证明。
比较早期对轴承组中的槽的整体圆周（A，C）和其典型集合形状的研究已经表明，他们的流体力学能力比较低。负载承载能力会因摩擦面表面的粗糙度和明显的圆柱度问题而进一步受到限制。
根据试验的结论，表明这种经典几何形状的轴承（A，C）过热最为迅速。这是因为当它们在混合润滑的条件下工作时，摩擦产生的能量是非常大的的。所以在这样的情况下，温度会急剧上升。
根据已经完成的试验测试可以得知，这种具有经典几何形状的轴承的过热非常快。但是，我们应该记住的是，被我们研究的的轴承的特点是轴套的长度等于轴颈直径的两倍。
在船舶制造工业中，这种材料（A和B）是在它们的长度等于最多四个轴颈的直径的情况下，被用作制造船舶传动轴轴承的材料。这样做的结果是负载下降了一半。因此，我们可以推断出，特别是在橡胶轴承
【左边为图8，温度升高图，轴承E，轴转速speedfrac14;11rev./s，（a）压力frac14;0.2兆帕，（b）压力frac14;0.4兆帕】
【右边为图9，温度升高图，轴承F，轴转速speedfrac14;11rev./s，（a）压力frac14;0.2兆帕，（b）压力frac14;0.4兆帕】
具有这种槽（B）的上半部分的情况下，轴承不会在
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[151030]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
