谢 心 郭智威 蒋劭力 袁成清

(1.武汉理工大学能源与动力工程学院 湖北武汉 430063；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)

在船舶轴系结构中，用水作润滑介质不仅具有无污染、来源广泛、节省能源、难燃和安全等特点，而且还能减少因摩擦副相对运动而产生的磨损、冲击、振动和噪声，解决可靠性差和寿命较短等问题[1]。因此，研究水润滑轴承对于提高机械的效率、减少摩擦和磨损等有着重要的意义。随着水润滑轴承的推广与应用，改变了长期以来机械传动系统中都是以金属构件组成摩擦副的传统观念，不仅节省了大量油料和贵重有色金属，并且简化了轴系结构。近些年来，国外设计并生产了许多新型水润滑轴承材料[2]，如增强酚醛树脂、陶瓷、新型尼龙、飞龙、赛龙和聚四氟乙烯等材料[3-6]。我国对水润滑尾轴承的研究起步比较晚，很多材料都是通过进口得到，比如英国的ACM和飞龙、加拿大的赛龙等。因此，研究新型的水润滑轴承材料迫在眉睫。

目前国内使用的水润滑轴承主要以橡胶材料为主，但橡胶材料的弹性模量低，承载能力差，大大限制了其在水润滑轴承领域中的广泛应用。聚氨酯(PU)以其优异的耐磨性，很宽的硬度范围，高弹性，耐疲劳性和减震能力，良好的耐油和耐多种溶剂性等特性，成为水润滑轴承的首选材料[7]。特别是聚氨酯弹性体材料是一种高性能“人造橡胶”，是被认为最接近“赛龙”的材料。近年来，聚氨酯用于水润滑轴承材料的研究也越来越受到人们的关注[8]，但是PU自身承载能力低、干摩擦因数高和抗干摩擦学性能差，这些缺陷极大地限制了它在水润滑轴承中的应用。为提高聚氨酯的性能，可采用物理或者化学的方法对聚氨酯进行改性，从而制备成摩擦学性能优越的复合材料。通常采用的物理改性法是通过添加纤维或者无机填料进行共混改性，而化学改性法则是指通过化学接枝、嵌段或者添加有机聚合物进行高分子共混。李方等人[9]用聚氨酯与硅烷偶联剂反应，采用溶胶-凝胶方法制备了耐高温的有机-无机杂化聚氨酯复合材料。李裕琪等[10]以环氧树脂(EP)和短切碳纤维(SCF)为改性剂对聚氨酯(PU)进行了改性。WANG等[11]用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)共混改性聚氨酯弹性体，制备出新型抗磨损复合材料。

本文作者通过在聚氨酯预聚体中加入不同含量的润滑脂、合成蜡和消泡剂，再和固化剂混合浇注成型，然后在不同的工况下对制备的几种材料进行摩擦学性能测试，探究添加剂对聚氨酯材料摩擦性能的影响，并探讨材料在水润滑条件下的磨损机制。

1 试验部分

1.1 试样的制备

聚氨酯材料制造工艺如下：以科聚亚公司生产的甲苯二异氰酸酯(TDI)为预聚体，将其加热到80 ℃，在恒温下真空脱泡，与在110 ℃下经过4 h烘干后的粉料混合制成A料；将固化剂的4,4′-亚甲基双(3-氯-2,6-二乙基苯胺)在95 ℃恒温下熔融得到B料；将A、B料混合后浇注到恒温110 ℃的模具内，在10～30 MPa的模压下制成聚氨酯材料。为探讨添加剂对聚氨酯材料性能的影响，在制备A料时分别添加不同成分的添加剂，其中第一组材料添加了0.2%的润滑脂和0.5%的消泡剂，以PU-1表示；第二组材料在第一组材料的基础上又加入5%的合成蜡，以PU-2表示，第三组材料为不添加润滑脂、合成蜡和消泡剂的空白对照组，以PU-3表示。

通过精加工将制备的聚氨酯复合材料制成销试样，销试样为圆柱体，其直径和高度分别为10 mm和20 mm。对摩圆盘为铸铜盘，其材料为ZCuSn10Zn2(9%～11% Sn，1%～3% Zn，Pb不大于1.5%，Ni不大于2%，Fe不大于0.25%，Mn不大于0.2%，S不大于0.1%)，外径为60 mm，高度为10 mm，中心开一个内径为8 mm的圆孔。材料表面粗糙度Ra不高于3.2，硬度约为HB785。

1.2 试验设备

试验在武汉理工大学CBZ-1型船舶轴系摩擦磨损试验机上进行，所有参数均为在线测量，每隔1 s采集一次摩擦因数、转速、扭矩、功率和载荷等，速度测试精度为±1%，载荷测试精度为±5%，扭矩测试精度为±0.2%。摩擦机试验原理图如图1所示。

图1 试验机原理图

在盘-销摩擦副对摩试验时，摩擦力对主轴产生扭矩，根据摩擦学库仑定律，摩擦因数计算公式为

(1)

式中：T表示试验机摩擦力矩，N·m；R表示滑动半径，mm；F表示试验机轴的试验力，N。

1.3 试验方案

参照美国军标MIL-DTL-17901C(SH)相应标准，设计了销的静态实验，即同一转速下进行4种不同载荷试验。试验时，试验机转速设定为250 r/min；试验销在铜盘上的平均滑动半径为23 mm，其相应的滑动速度为0.55 m/s；销试样与铜盘接触面直径为10 mm，摩擦副接触面面积为78.54 mm2。为探究聚氨酯材料的可靠性，设定4种载荷，分别为1.1、1.5、1.9、2.3 MPa，其相对应的压力分别为88、120、152、184 N。所有试验均在室温状态下进行，试验润滑介质为蒸馏水。

2 试验结果与讨论

2.1 添加剂对聚氨酯材料摩擦因数的影响

静态试验中每个试验时长为7 800 s，图2给出了在载荷1.1、1.5、1.9、2.3 MPa下3种试样的摩擦因数随时间的变化趋势。

图2 不同载荷下3组试样摩擦因数变化趋势

从图2(a)、(b)可以看出，在1.1和1.5 MPa工况下，随时间的增加3组试样的摩擦因数均呈现出逐渐减小并趋于稳定的趋势，这是因为刚开始接触时摩擦副表面直接接触还未形成水膜，此时处于干摩擦状态下，所以摩擦因数较大；随着试验的进行，销试样和铸铜盘的相对运动产生的动压效应形成了流体润滑膜，避免了摩擦副界面之间的直接接触，因而摩擦因数降低并逐渐趋于稳定。如图2(c)、(d)所示，随着比压的增大，水膜产生过大的润滑压力导致润滑表面发生变形，局部压力过大导致水膜的黏度发生变化，反过来会影响水膜的厚度，也会影响动压润滑的形成，由此造成3组聚氨酯材料的摩擦因数普遍升高，比压越大摩擦因数越高[12]。

在低压工况下，未加入添加剂的PU-3试样的摩擦因数降低的趋势明显快于其他2组试样，这是因为在水润滑条件下，聚氨酯含有大量的极性羟基和氨基酸，水分子很容易与羟基、氨基酸通过氢键结合形成水分子吸附膜；另一方面复合材料与金属表面都有粗糙度及微观孔穴等，这些都有利于水的存留与渗透，从而改善了摩擦副表面的润滑状态[13]。这说明在低压工况下添加剂对降低聚氨酯的摩擦因数并没有很好的效果。而在2.3 MPa高压工况下PU-2试样的摩擦因数远低于其他2组试样，这是因为消泡剂在聚氨酯试样浇注过程中能有效地抑制或消除试样内部的微小气孔，改善了化学稳定性，提高了承载能力；同时润滑脂和合成蜡的添加提升了试样本身的自润滑性能，因此能更好地适应在高压工况下的摩擦。

综上，润滑脂、消泡剂、合成蜡3种添加剂可以改善聚氨酯的润滑状态，提高其承载能力。

2.2 添加剂对聚氨酯材料稳定性的影响

为探讨添加剂对聚氨酯材料稳定性的影响，表1给出了3组聚氨酯试样的平均摩擦因数以及方差分析结果。

方差的大小是反映随机变量和其数学期望之间的偏离程度，表1中的方差分析则是衡量摩擦因数的全部数值的波动程度，方差大则波动大，方差小则偏离平均值的程度小。结合4种工况下的数据得出结论：润滑脂和消泡剂能改善聚氨酯的稳定性，添加合成蜡后效果更加明显。

磨损量也能反映材料在摩擦过程中的稳定性和可靠性，图3所示为3组聚氨酯试样在4种载荷下的磨损量。在载荷1.1、1.5、1.9 MPa下，3组试样的磨损各有高低，显然每种试样在不同比压下的适应能力以及润滑状态不尽相同，而在载荷2.3 MPa下PU-2试样的磨损量极低，说明润滑脂、合成蜡和消泡剂能显著提高聚氨酯材料的耐磨性以及稳定性。

表1 3组聚氨酯试样的平均摩擦因数及方差分析

图3 不同载荷下3组聚氨酯试样的磨损量

2.3 磨损表面分析

为了探究聚氨酯用作水润滑轴承的安全性可靠性，下面以2.3 MPa高压工况为例，通过激光干涉位移表面轮廓仪以及超景深显微镜2种3-D测量系统，观察摩擦副的表面形貌并分析聚氨酯复合材料的磨损机制。

由图4可见：PU-1的对摩铜盘表面上分布着较为均匀但深浅不一的沟槽，PU-2的对摩铜盘表面有密布的凸峰，但高度相差不大，没有出现明显的犁沟形磨损，而PU-3的对摩铜盘表面微凸峰和凹谷比较明显，犁沟现象十分突出，磨损较为严重。

如图5所示，通过超景深显微镜可以看到，与PU-1试样对摩的铜盘表面呈现密布均匀的划痕，粗糙度较大，可能是在重载工况下无法形成水膜或者水膜厚度不够，材料和铜盘表面尖峰接触；与PU-2试样对摩的铜盘表面有部分的轻微划痕，可以看出沟槽较浅也较小，且粗糙度很小，说明润滑状态处于流体动压润滑，有良好的润滑效果；与PU-3试样对摩的铜盘表面显而易见有较深的犁沟，表面擦伤现象严重，而且铸铜盘的磨损量较大，可能为磨粒磨损。由此可见，润滑脂、消泡剂和合成蜡能有效地改善聚氨酯材料在高压下的润滑状态，减轻对摩擦副的磨损情况。

图4 激光干涉位移表面轮廓仪下的铸铜盘表面形貌

图5 超景深显微镜下的铸铜盘表面形貌

同样，也可以从磨损量的角度来验证材料的磨损状况，如表2所示，在载荷2.3 MPa下，PU-2试样与之对摩的铸铜盘的磨损量都极低，表明润滑脂、消泡剂和合成蜡能有效提高聚氨酯材料的耐磨性以及降低配副摩擦铸铜盘的损耗，避免摩擦副磨损严重导致一些危害的发生，由此提高了聚氨酯材料作为水润滑轴承的安全性和可靠性。

表2 在2.3 MPa下3组试样及对摩铜盘的磨损量

3 结论

(1)在低压工况下，不加添加剂的聚氨酯材料的平均摩擦因数较小但数据波动较大，添加0.2%润滑脂和0.5%的消泡剂后聚氨酯材料的摩擦因数略大但稳定性更好，进一步添加5%的合成蜡后对材料稳定性能的改善效果更加明显。

(2)在高压工况下，润滑脂、消泡剂和合成蜡的添加能有效地改善聚氨酯材料的承载能力，减小了摩擦因数和材料的磨损量，对聚氨酯材料的耐磨性有较大的提升。

(3)在2.3 MPa下，不加添加剂的聚氨酯材料出现了剧烈磨损，对摩铜盘表面出现大量深而密集的沟槽，而加入0.2%润滑脂、0.5%消泡剂以及5%合成蜡后明显地改善了聚氨酯材料在水润滑条件下的润滑性能，使得对摩铜盘表面较为光滑，划痕较浅也较少。因此，润滑脂、消泡剂和合成蜡添加剂提高了聚氨酯材料作为水润滑轴承的安全性和可靠性。