高分子材料轴承在远洋渔船上的应用研究

万会发，张海波，邵 峰，陈勇刚(.浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山 360；.浙江舟山定海区渔船检验站，浙江 舟山 36000)

高分子材料轴承在远洋渔船上的应用研究

万会发1，张海波1，邵 峰2，陈勇刚2
(1.浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山 316021；2.浙江舟山定海区渔船检验站，浙江 舟山 316000)

文章阐述了高分子材料轴承在渔船上应用的意义，对比了几种轴承材料的耐磨性能，介绍了高分子材料轴承在渔船上应用的优势，解决了高分子材料轴承在渔船上设计、安装中需要注意的问题，并对高分子材料轴承的研究现状和发展趋势进行了分析和综述。

高分子材料轴承；远洋渔船；水润滑；设计安装

随着环境污染和能源危机问题的日益严重,以及可持续发展的需要,为了减少贵重金属的消耗和滑油对水域的污染, 高分子材料轴承以其独特的性能，得到越来越广泛的应用，开展高分子材料艉轴承研究对于提高艉轴承的润滑性能,延长使用寿命,减振降噪,以及实现“绿色航运”具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 材料及方法

1.1高分子材料轴承的主要性能

高分子材料轴承是以不同单体共聚的高分子为基础，采用合成的稀土金属化合物及多种改性添加剂改性,通过特殊的合成工艺制造而成的均质聚合物。其承压性、抗冲击性、摩擦磨损特性优良、自润滑性能良好，且质量轻、耐酸、耐碱、防腐。

高分子材料轴承的力学性能：密度，1.16 g/cm3；压缩强度，133 MPa；压缩模量，3 580 MPa；冲击强度(无缺口)，90 kJ/m2；邵氏硬度(HD)，≥65；线涨系数，5.81×10-5℃-1；吸水率，0.20%(24 h)；吸水率，2.95%(672 h)；摩擦系数(水润滑)，0.09；磨痕宽度(水润滑)，2.20 mm；磨损率(水润滑)，0.54×10-6mm3/(N·m)。

1.2水润滑轴承材料性能比较

在目前的远洋渔船中常用的轴承减摩材料主要有以下几种：①碳石墨；②铜合金，包括铅铜合金、铅青铜、锡青铜、磷青铜、铝青铜等；③铁梨木；④橡胶制品；⑤尼龙制品；⑥高分子材料。

由于水是一种低黏度液体,在50 ℃时水的绝对黏度约为透平油黏度的1/65。而润滑液膜的承载能力与黏度成正比,与膜厚的平方成反比。因此在其他条件都相同的情况下,为获得相等的承载能力,则水膜的厚度仅为油膜厚度的1/8。这表明水润滑轴承承载能力比较低,而且很有可能在非流体摩擦工况下工作,容易产生轴瓦和轴颈配用材料间的相互接触。因此,水润滑轴承材料的耐磨性能是决定其工作性能和使用寿命的一个主要因素。因此，我们把上述6类轴承衬里材料的耐磨性做一个比较，如图1所示。

图1 水润滑条件下各种轴承材料磨损对比图

通过对比可以发现在同样的水润滑条件下，高分子材料轴承的磨损程度比其它材料要小得多，而且本身润滑剂是水，即使万一泄露，也不会对海洋造成污染，所以高分子材料轴承在远洋渔船上应用前景广阔。自2010年起，我所在舟山范围内设计了70条左右的远洋鱿鱼钓船及金枪鱼钓船，其中80%左右的船采用高分子材料轴承，通过这5年来我所持续的调查，从船东反馈的情况来看，轴承实况良好，艉轴承正常使用寿命可达5年以上，而舵轴承使用年限预计可以达到10年，得到船东的一致赞誉。

1.3高分子材料轴承的工作特点

通过以上的对比及对船东使用意见的咨询反馈，我们得出高分子材料轴承应用在远洋渔船上有以下优点。

1)摩擦系数小。橡胶轴承在水润滑条件下具有很小的摩擦系数,摩擦功耗很小,因而轴颈表面磨损很小与加工良好的金属轴承在油中的摩擦系数相近，性能非常优越。

2)耐磨耐用耐腐蚀。由于润滑剂是水，特制的表层橡胶材料柔软而富有弹性,具有良好的包容性,使嵌入杂质通过轴颈的回转导入通水沟槽内被润滑水冲走。因此轴承表面摩擦很小,使得轴承寿命较长，而且可以在pH值2～11的化学液体中使用，多数有机溶剂和酸、碱、盐以及海水、油等对其无影响。

3)机械强度大。由于橡胶材料弹性好,内阻尼大,能够承受较大的冲击或稳定载荷，在正常运转条件下，其使用峰值承压可以达到65 MPa，静止峰值承压可达81 MPa。

4)安全环保。因为高分子材料轴承采用水作为润滑剂，万一损坏泄漏不会对海洋造成污染。

2 高分子材料轴承的设计安装要点

2.1高分子材料轴承的设计要点

以我所为舟山市金海远洋渔业有限公司设计的“8.60 m型宽鱿鱼钓船”为例，该船在艉轴部及舵轴部均采用高分子材料轴承(图2)。

图2 高分子材料轴承轴系装配图

轴承具体参数如表1所示。

表1 轴承具体参数 mm

按照加工经验，最低水温t1设定5 ℃，加工温度t2设定20 ℃，最高运转温度t3设定50 ℃。

2.1.1 轴承壁厚δ

轴承结构采用圆筒形，轴承最小壁厚：

δ=0.0435D+6.35,

式中：D为轴的直径，mm。

代入公式得：艉轴前部轴承壁厚δ1=0.043 5×280+6.35=18.530 mm；艉轴前部轴承壁厚δ2=0.043 5×290+6.35=18.965 mm；舵轴承壁厚δ3=0.043 5×210+6.35=15.485 mm。实船艉轴轴承壁厚δ1=δ2=30 mm，舵轴承壁厚δ3=20 mm，均满足要求。

由此可知：艉轴前轴承轴壳外径Dz1=280+30+30=340 mm；艉轴后轴承轴壳外径Dz2=290+30+30=350 mm；舵轴承轴壳外径Dz3=210+20+20=250 mm。

2.1.2 轴承外径Dw

轴承外径与轴承壳必须过盈配合：由于高分子材料冷缩性能比较大，而船用轴承工作环境温度变化较大，为防止遇冷时轴承松动，过盈是必要的。过盈量计算如下：当温差Δt=t2-t1=20-5=15 ℃时：

Cg=2.67×10-3Dz+0.13，

式中：Cg为轴承过盈量，mm;Dz为轴壳外径，mm。

而轴承外径Dw=Dz+Cg。

将各轴壳外径代入公式得：艉轴前轴承外径Dw1=340+2.67×10-3×340+0.13=341.04 mm；艉轴后轴承外径Dw2=350+2.67×10-3×350+0.13=351.06 mm；舵轴承外径Dw3=250+2.67×10-3×250+0.13=250.80 mm。所以在设计过程中必须留足上面的过盈余量。

2.1.3 轴承内径Dn

轴承运转中需考虑多种因素，以防止抱轴现象发生，轴承内径由以下几个因素确定。

1)过盈收缩量Cy与内径收缩百分比成以下关系。由图3可知：艉轴前轴承过盈收缩量Cy1=Cg1×1.27=1.32 mm，艉轴后轴承过盈收缩量Cy2=Cg2×1.25=1.33 mm，舵轴承过盈收缩量Cw3=Cy3×1.21=0.96 mm。

图3 轴承不同壁厚与壳体内径收缩百分比的关系图

2)最小运转间隙Cj=2.4×10-3D+0.32。由此公式可知艉轴前轴承运转间隙Cj1=0.99 mm，后轴承运转间隙Cj2=1.02 mm，舵轴承运转间隙Cj3=0.82 mm。

3)预留水胀间隙Cs=0.01δ，δ为轴承壁厚。由此公式可知艉轴前轴承、后轴承水涨间隙Cs1=Cs2=0.30 mm，舵轴承水涨间隙Cs3=0.20 mm。

4)预留热胀间隙Ct=2δαΔt。

式中：α为材料热胀系数，α=8×10-5；Δt为使用最高温度与加工温度之差Δt=50-20=30 ℃。

艉轴前、后轴承热胀间隙Ct1=Ct2=0.14 mm，舵轴承水涨间隙Ct3=0.10 mm。

5)轴承内径Dn=D+Cy+Cj+Ct+Cs。将上述计算数值代入公式得：艉轴前轴承内径Dn1= 280+1.32+0.99+0.30+0.14=212.75 mm；

艉轴后轴承内径Dn2= 290+1.33+1.02+0.30+0.14=292.79 mm；舵轴承轴承内径Dn3= 210+0.96+0.82+0.20+0.10=212.08 mm。

2.1.4 轴承长度L

依据《钢质海洋渔船建造规范》(1998年)及《渔业船舶法定检验规则》(2000年)中“ 对海水润滑的铁梨木、合成橡胶或酚醛石墨基塑料后轴承和前轴承，其长度应分别不小于所要求的螺旋桨轴直径的4倍和1.5倍”的规定及参考实船使用情况：艉轴前部轴承最小长度L1=1.5D=1.5×280=420 mm；艉轴后部轴承最小长度L2=4D=4×290=1 160 mm；舵轴承最小长度L3=1.8D=1.8×210=378 mm。

实船艉轴前部轴承长度L1=450 mm,后部轴承长度L2=1 200 mm，舵轴承长度L3=600 mm，均满足要求。

2.2高分子材料轴承的安装要点

1)高分子材料轴承切削性能良好，可像金属材料一样，采用车、铣、镗等工艺，车削时，工件不宜夹得过紧，以防变形。

2)必须严格控制轴承游隙的过盈量，保证轴承与轴中心线平行且在同一水平面上，轴承长度不够时，允许多节安装。

3)高分子材料轴承一般采用海水进行润滑，当用作艉轴承时必须加工流水槽，用作舵轴承时，可不必加工水槽。

4)安装时，用干冰冷缩是最佳冷配方法，即轴承置于保温筒内，内放干冰，保持1～2 h，取出时，先测量外径，如合适则迅速将轴承推入轴承壳内。

5)如遇轴线与轴座孔成不同柱度时，须先拉线，确定准确的偏心方法方位及偏心距，然后对轴承可用机床加工偏心，再安装。

3 结束语

高分子材料轴承在远洋渔船上的应用具有普遍而重要的意义，它将改变目前我国远洋渔船长期采用铁梨木和夹布胶木作为滑动轴承材料的历史,并能提高使用寿命和生产效率,节约贵重有色金属材料,其经济效益和社会效益将是十分可观的。

In this paper,the significance is described of polymer materials bearing applied on the fishing vessel.Compared several kinds of bearing materials with their wear resistance,the advantages of polymer materials bearing are introduced on fishing vessels,which solves the design and installation issues of polymer material bearing that should be paid attention to.Analysis to current situation and reviews for status and development are given to polymer materials bearing research.

polymer materials bearing;ocean fishing vessel;water lubrication;design and installation

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.014

万会发(1985-)，男，山东泰安人，助理工程师，大专，研究方向为节能减排。

2015-06-26