2. 国家水运安全工程技术研究中心 可靠性工程研究所，湖北 武汉 430063;

  尾轴承是船舶推进系统的重要组成部分，对螺旋桨轴起着支撑的作用，其常规使用的寿命和工作可靠性直接影响着船舶在航行过程中的安全性和可靠性。由于尾轴在运行过程中的不稳定性，以及其承受着各种不均匀的附加负荷，故其工作条件比较恶劣，难以形成有效的动压润滑，这就导致摩擦、磨损的产生。尾轴承材料对轴承的性能起着决定性作用。人们始终致力于研究具有减振降噪、耐磨可靠、高承载能力及抗老化等高性能水润滑轴承材料。近年来，国内外科研人员在有关水润滑尾轴承材料研发和改性方面做了大量研究工作，也取得了一系列的相关成果。

  金属材料是最早应用在水润滑尾轴承上的材料，比较有代表性的是黄铜[1–2]和白色金属。这些由金属材料制造成的轴承内衬，在运行过程中的磨损极为严重，导致失效。此后，人们用铁犁木代替金属材料用于水润滑尾轴承，在多数情况下，铁犁木能明显地改善尾轴承的磨损情况。但是铁犁木轴承并没有完全解决磨损问题，在污染的水质特别是泥沙环境下，铁犁木轴承对轴颈的磨损比黄铜和白色金属更严重。此后，以橡胶作为水润滑尾轴承材料的研究加快速度进行发展[3]。近年来，除了橡胶材料外，许多高分子复合材料，如加拿大的赛龙、英国的ACM、飞龙、日本的陶瓷等材料相继问世，除此以外还有一些其他的添加剂材料应用到水润滑轴承中[4–6]。表1中列出了几种传统的水润滑材料的优缺点[7]。

  Bhushan等[8]在水润滑轴承和密封材料的性能改性研究过程中，通过在基体材料晴类橡胶中添加不同类别的添加剂，来获取摩擦、磨损性能更好的橡胶材料。一种是在基体材料中添加润滑油；另一种是在基体材料中添加固体润滑颗粒。经过2种方式改性后，材料的摩擦性能都有明显提升。肖科等[9]以纳米级氧化晶须作为添加剂、胡志孟等[10]以纳米级凹凸土作为添加剂、周扬波等[11]以3种改性纳米碳酸钙（CCR，M-CCR，M-CaCO3）为添加剂，以丁腈橡胶为基体通过添加纳米级材料来研究，根据结果得出改性后的橡胶性能有显著变化，可以显著改善丁腈橡胶的摩擦性能。秦红玲等[12]在丁腈橡胶中加入UHMWPE和石墨粉末进行共混改性，制备了一种低摩擦的新型水润滑尾轴承用复合橡胶材料SPB-N，其物理力学性能达到中国船标CB/T769-2008和美国军标MIL-DTL-17901C （SH）的要求，摩擦系数达到了美国军标MIL-DTL-17901C （SH）的标准，尤其在低速下更优于标准，局部最大比压可达到0.70MPa。赵华松等[13]通过对合成的橡胶-碳纤维复合橡胶水润滑轴承材料来性能实验分析，发现复合橡胶材料的力学性能、摩擦、磨损性能均优于普通橡胶，说明碳纤维的加入能大大的提升普通橡胶水润滑轴承材料的综合性能。

  戴明城等[14]在SSB-100型船舶尾轴试验机上对SF-1高分子石墨轴承进行水润滑条件下的摩擦性能测试，通过对试验结果的分析，发现SF-1材料具备优良的自润滑性能，摩擦系数低，承载压力高以及耐磨性好，在船舶行业具有广阔的应用前景。彭晋民、王家序等[15]采用MPV-20B屏显式摩擦磨损实验台，对水润滑塑料合金轴承进行摩擦性能研究。通过对水润滑塑料合金轴承的实验研究，能够准确的看出轴承间隙、转速、载荷对轴承摩擦系数的影响都非常显著。尽管水的粘度很小，但根据摩擦系数的测量能得出，在塑料合金轴承用水作润滑介质时，仍旧能产生弹流润滑。孙文丽等[16]利用数显式高速环块摩擦试验机对水润滑赛龙轴承材料在不同润滑条件下进行摩擦、磨损试验研究，结果发现相较于其他非金属材料，赛龙材料在干摩擦条件下，摩擦性能较好，缺点是不耐高温；湿润滑时赛龙材料比干摩擦时低，此时已处于边界润滑状态；海水润滑时，摩擦系数较低，此时润滑状态逐渐变为完全流体动压润滑状态。

  B Basu等[17]对Sialon-TiB2氮化硅陶瓷复合材料和ZrO2-TiB2陶瓷复合材料分别在水润滑和油润滑条件下的摩擦磨损性能进行了研究，发现氮化硅陶瓷复合材料/钢配副有很高的摩擦因数，油润滑能够很好地降低摩擦因数和材料磨损，在水润滑条件下ZrO2-TiB2复合材料具有最好的抗磨损性能。Anderson[18]对多种陶瓷材料（Al2O3，SiC，PSZ和Sialon陶瓷）制作的水润滑轴承进行了测试，根据结果得出：SiC轴承临界载荷更高，摩擦副表面品质也优于其他轴承，更适于应用在需要长时间运行、频繁启停车的工况下。

  近年来水润滑尾轴承材料研究取得了很大进展，前述几种水润滑尾轴承材料因其各自的优良性能也有广泛应用，但是这几类水润滑尾轴承材料由于自身属性原因也有各自明显的缺陷。例如，橡胶基水润滑尾轴承存在着承载能力小，耐高温性能差的缺陷。塑料基水润滑尾轴承在环境和温度达到90 ℃以上便失去正常工作上的能力，且干运转能力平平。陶瓷基水润滑尾轴承也存在着严重的磨粒磨损，由于陶瓷材料硬度高、强度高，磨粒无法压入陶瓷表面，磨粒进入切削轴面对轴损伤很大。因此，有必要开发具有优良性能新型水润滑尾轴承材料。本文以水润滑尾轴承为对象，进行了新型高分子材料的设计、制备，并对其力学性能、摩擦性能、磨损情况等展开相应的试验研究。

  铁犁木用作水润滑轴承材料，能显著改善船舶尾轴承的磨损情况。铁犁木在水环境下存在着自润滑现象，通过一系列分析铁犁木的结构发现此现状跟铁犁木自身分泌油脂有很大关系。通过试验分析，铁犁木分泌油脂在性能上和愈创树脂相似。依此机理，选取高密度聚乙烯作为基础材料，同时以愈创树脂为添加剂，来合成愈创树脂-高密度聚乙烯高分子材料（B型、C型、D型号）进行一些材料性能测试，通过对合成的复合材料做试验分析，依此来探究愈创树脂能否提升材料润滑，以及该系列材料用作水润滑尾轴承材料的可行性。

  复合材料制备所需原料：愈创树脂和HDPE（5000S），原料信息见表2。其中愈创树脂是由旷愈创树木脂酸、β-愈创木脂酸、少量胶质精油等组成。外表呈白色至微黄色结晶或无色到微黄色液体，有愈创木酚特有的香味。高密度聚乙烯是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂，一般表面呈白色粉末颗粒状，无毒、无味，密度在0.940～0.976 g/cm3。

  将干燥后的愈创树脂按照特殊的比例（质量分数分别为0.5%、1%和3%）加入到HDPE（5000S）中，经过混合、熔料、挤出、水冷、风干和切粒。将制成的颗粒通过注塑和机械加工得到所需试样，用于性能测试，整一个完整的过程中主要用到的设备和仪器见表4。

  将基体树脂（HDPE）和水润滑添加剂（愈创树脂）按相应比例，加入到反应容器中，加热到160±5 ℃；抽线 min，此段温度保持在170 ℃；按比例加入相应催化剂，后脱水15 min，此段温度保持在170 ℃；脱水后用于挤出机中挤出样条，此段反应温度保持180±5 ℃；将挤出的样条进行水冷，然后对样条进行风干；对样条进行切粒，便于在注塑机上进行注塑；按照试验要求在注塑机上注塑成形然后机加工成要求尺寸形状。

  力学性能测试大多分布在在如下几个维度：拉伸强度、断裂拉伸应变，按GB/T1040-2008测试，室温，拉伸速率50 mm/min；弯曲强度按GB/T9341-2008测试，速率2 mm/min；冲击强度按GB/T1043.1-2006测试；

  2）摩擦学性能测试试验用四种材料采取使用同样形状和尺寸的圆柱销：直径6 mm、长20 mm。对应摩擦副采用铸铜盘：外径60 mm、内径7 mm、厚度10 mm。试验的润滑介质是蒸馏水。试验在CBZ-1船舶轴系摩擦磨损试验机上进行。

  在摩擦试验中，4种材料试样和铜盘在水环境下进行，试验载荷为88N，转速取50 r/min，150 r/min，250 r/min，350 r/min，500 r/min，1 000 r/min，每个转速进行15 min的试验。试验按转速从50 r/min依次递增进行直到1 000 r/min，当转速1 000 r/min试验结束后，再按照上面转速要求递减进行到50 r/min。试验总时长2.75 h。摩擦系数在线 s采集一次摩擦系数、转速、扭矩、功率和载荷。在水润滑条件下，试样磨损前利用电子分析天平秤其质量。试样经蒸馏水试验后，为确保排除试样吸水性干扰，先用纯净水清洗试样，然后在烘箱中烘烤48 h，烘箱温度为45 ℃，然后秤其质量。试样磨损前后单位时间内质量差为该试样在蒸馏水水润滑条件下的平均质量磨损量。

  本文中所合成复合材料若作为船舶尾轴承材料，一定要满足相应标准中对船舶尾轴承材料力学性能的基础要求。对4种样条（A树脂含量0%的聚乙烯材料、B树脂含量0.5%的复合材料、C树脂含量1%的复合材料、D树脂含量3%的复合材料）进行力学性能测试，3种复合材料和聚乙烯材料的拉伸强度、断裂标称应变、弯曲强度、规定扰度应力和简直梁缺口冲击强度（23 ℃）结果见

  可以看出，纯HDPE材料和加入愈创树脂后得到的3种材料拉伸强度，均符合中国船标CB/T 796-2008规定的拉伸强度，4种材料拉伸强度和断裂标称应变都符合中国船标和美国军标要求。加入愈创树脂后得到的3种材料和原始高密度聚乙烯材料的弯曲强度和简直梁冲击强度符合中国船级社对船用塑料材料标准要求。从表5所列性能参数能够准确的看出，该系列材料主要力学性能基本符合船用材料要求，说明该系列材料具备良好的机械物理性能，具备用作船用水润滑尾轴承材料的门槛。3 复合材料摩擦学试验分析

  Friction coefficient f- rotation rate(increase progressively) relationship curve

  中可以看出，在相同载荷（88N）情况下，从低速到高速的摩擦过程中，4种材料A（0%愈创树脂）、B（0.5%愈创树脂）、C（1%愈创树脂）、D（3%愈创树脂）在开始低转速区时（50 r/min、150 r/min），B型、C型和D型材料的摩擦系数相较A型材料均有明显降低。在低转速区时，摩擦副接触面还没能形成良好的边界水膜，摩擦表面部分区域非间接接触，处于干摩擦和边界润滑的混合润滑状态，润滑情况不甚理想，添加了愈创树脂的B型、C型、D型三种类型材料摩擦系数相较纯高密度聚乙烯材料A均有明显减小，说明在摩擦副之间低速转动时，添加愈创树脂能大大的提升高密度聚乙烯材料的润滑性能。而在这3种复合材料中B型材料摩擦系数最低，说明加入0.5%愈创树脂在提高高密度聚乙烯材料润滑性能方面表现最好。

  随着转速的提高（从150 r/min到1 000 r/min）4种材料的摩擦系数呈明显降低趋势，是因为在水环境下，摩擦副表面间存在水膜，随着转速的提高，表面逐渐形成稳定的水膜，流体动压润滑的比重增大，所以4种材料的摩擦系数随着转速增加均减小；在相同转速下，3种添加愈创树脂的复合材料的摩擦系数相较于材料D均有明显减小，这其中B型材料的摩擦系数最低。添加愈创树脂后复合材料摩擦系数比纯高密度聚乙烯材料摩擦系数低，说明在高转速区添加愈创树脂后某些特定的程度上同样有助于提高高密度聚乙烯材料润滑性能。

  Friction coefficient f- rotation rate n (decrease progressively) relationship curve

  为高转速渐变到低转速时4种材料摩擦系数的变化曲线种材料摩擦系数变化趋势基本上和上面一组实验结果对应，在从高转速渐变到低转速的过程中，摩擦系数随着转速的降低而增加。3种添加愈创树脂的复合材料摩擦系数和纯高密度聚乙烯材料摩擦系数相比均有明显降低，在整个摩擦过程中B型复合材料摩擦系数最低。通过由高转速渐变到低转速的摩擦试验进一步说明，添加愈创树脂能大大的提升HDPE材料的润滑性能，加入0.5%愈创树脂在提高HDPE材料润滑性能方面表现最好。

  1）比较4种材料的磨损情况，在恒定载荷88 N，转速从50 r/min渐增到1 000 r/min，再从1 000 r/min渐减到50 r/min的工况下，分别进行2.75 h的磨损试验，实验结果见

  Wear mate loss of the four kinds of materials

  中看出，在水环境下总时长2.75h的磨损时间内，比较4种复合材料A（0%愈创树脂）、B（0.5%愈创树脂）、C（1%愈创树脂）、D（3%愈创树脂）的平均质量磨损量，B型材料单位时间磨损量最小，D型比B型磨损量稍微严重一些，C型磨损量最大。与原始高密度聚乙烯材料A相比较，只有C型复合材料耐磨损性能减弱，B型、D型复合材料的耐磨损性能均有提升。B型复合材料耐磨损性能是3种添加愈创树脂的复合材料中最好的。

  1）在力学性能方面，在高密度聚乙烯中加入愈创树脂制备的复合材料在某些力学性能方面相较纯高密度聚乙烯材料会有所变化。通过对几种材料力学和摩擦学试验数据分析，几种复合材料主要的力学参数变化都在要求范围内，基本都满足船用材料要求。2）在摩擦系数方面，通过对4种材料在恒定载荷下进行的水润滑摩擦实验可知，在几种材料处于中低速、重载（88 N）环境下摩擦时，和纯高密度聚乙烯材料A相比，添加愈创树脂的3种复合材料B（0.5%愈创树脂）、C（1%愈创树脂）、D（3%愈创树脂）摩擦系数有明显减小，说明在水润滑条件下，当材料处在不良润滑状态时，添加愈创树脂的复合材料材，摩擦系数有明显减小，材料润滑性能有显著提升。3）在磨损量方面，在3种复合材料中，复合材料B（0.5%愈创树脂）的单位时间磨损量最低，复合材料D（3%愈创树脂）的磨损量略高于材料D（1%愈创树脂），材料C（1%愈创树脂）的磨损最为严重。和纯聚乙烯材料A相比，材料B的磨损情况在3种复合材料中表现最好。