UHMWPE与橡胶共混胶料舰船尾轴承的摩擦学问题研究

尾轴承是舰船推进装置的重要部件，其性能优劣对舰船，尤其是地下航行器的航行的快速性、安全性和隐蔽性、生存能力有重要的影响。本项目针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与橡胶共混胶料舰船尾轴承的摩擦学特性及水润滑机理进行研究。在清水和含沙两种水质情况下，在试验台上测出轴承的磨损率，通过实验研究摩擦因数、磨损率随载荷、速度、运行时间、间隙、温度的变化规律；基于弹流润滑理论，计算轴承内各点的弹性变形，并分析其对润滑性能的影响；基于雷诺方程，推导UHMWPE与橡胶共混胶料舰船尾轴承在水润滑条件下的流体润滑方程、水膜厚度方程及承载能力方程，给出求解流程和并用多重网格法进行求解；计算出轴承的承载能力，确定在轴承的承载能力范围内形成均匀润滑水膜的工况条件，为保证UHMWPE与橡胶共混胶料船舶轴承有较低的摩擦因数、较高的效率和较长的使用寿命提供设计方法和依据。

水润滑橡胶尾轴承是舰船推进系统的重要组成部分，其性能的优劣对舰船航行的快速性、安全性、隐蔽性、经济性等有重要的影响。本项目针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与橡胶共混胶料舰船尾轴承的摩擦学特性及水润滑机理进行研究。首先，对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与橡胶共混胶料配方及工艺进行了优选，认为丁腈橡胶、UHMWPE、石墨质量分数分别在60%~90%，5%~30%、2%~10%之间，硫化温度范围为：160~170℃，硫化时间范围为：20~30 min时，其物理力学性能最佳，可达到甚至超越中国船标CB/T 769-2008和美国军标MIL-DTL-17901C（SH）要求。其次，基于雷诺方程和弹流润滑理论，推导了UHMWPE与橡胶共混胶料舰船尾轴承在水润滑条件下的雷洛方程、水膜厚度方程及计算轴承内各点的弹性变形、承载能力方程，并用多重网格法进行了求解；再次，在清水和含沙两种水质情况下，进行了水润滑橡胶尾轴承摩擦学性能的研究，其摩擦系数达到美国军标MIL-DTL-17901C（SH）要求，在低速下优于该标准要求，表明该材料具有优异的摩擦学性能和低转速性能；最后，进行了该种材料的减振降噪性能的研究，通过理论计算与试验相结合，发现其产生粘-滑现象的临界转速为0.27m/s，且局部比压可达0.7MPa，减振降噪性能明显优于目前船舶在用的材料。以上研究结果表明，UHMWPE与橡胶进行共混改性是制造低噪声、低摩擦、低磨损、高比压的舰船尾轴承材料的一种有效的手段。该种材料优良的低速及减振降噪性能正好可以克服水润滑舰船尾轴承在低速、启停机等工况下的抱轴及高噪声辐射的问题。可见，UHMWPE与橡胶共混胶料水润滑尾轴承材料的研制，具有重要的理论意义以及军事应用价值。