CN103788623B - 一种具有高承载力及自润滑性的水润滑轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高承载力及自润滑性的水润滑轴承。水润滑轴承由合成聚氨酯、固体润滑剂和纤维增强剂组成。轴承微观组织呈现均质结构，硬度为ShoreD55～65，压缩弹性模量为600MPa以上，干摩擦系数≤0.20，在水环境下，当线速度=0.05m/s时，摩擦系数（水）≤0.25；当线速度＞0.5m/s时，摩擦系数（水）≤0.03，可以满足径向载荷为5～70MPa的使用要求。当轴承处于缺水环境时，可以表现出优异的自润滑和耐磨损性能，具有防止噪声发生及轴承咬合等作用，可以广泛应用于水下推进器电机驱动、螺旋桨艉轴承、舵轴承和水泵等旋转或摇摆等滑动部位。

Description

一种具有高承载力及自润滑性的水润滑轴承

技术领域

本发明涉及一种具有高承载和自润滑性能的水润滑轴承，特别涉及一种在具有高承载和水润滑性能的同时，当轴承处于缺水环境时，表现出优异的自润滑和耐磨损性能。

背景技术

近年来，人们逐渐认识到保护环境、节约能源对人类的可持续发展的重大意义，因此开发新型节能无污染产品的呼声越来越高。水润滑轴承以水为润滑和工作介质，可以减少以油为润滑介质的传统轴承对环境的污染，节约大量油料。另外，水具有无污染、来源广泛、安全性和难燃性等优点，若用水来代替油作为润滑介质，将会为传统的机械传动系统带来前所未有的革命，水润滑轴承结构与材料也因此成为世界各国机械设计与材料研究者所关注的对象。根据我国船检部门调查报告显示，船舶工业中使用油润滑艉轴承的中型船只，每年平均从艉轴承中泄漏的润滑油高达312吨。这表明，仅润滑油泄漏就会造成严重的水资源污染。因此通过优化水润滑轴承的结构与材料，可以提高水润滑轴承的润滑性和承载能力，大幅度减少或降低摩擦副的摩擦、磨损、振动、噪声等关键问题，为船舶工业、水轮机、水泵等工业的技术改造和更新换代创造必要的配套装备条件。

随着船舶工业艉系、舵系和水下推进器等高端工业领域对水润滑轴承高承载能力和自润滑、耐磨损性能要求的日益提升，近年来研究者大量开展了轴承结构与轴承材料方面的研究工作。中国专利CN101334069A涉及了一种水润滑橡胶合金轴承，主要包括水润滑橡胶合金衬套和轴承外圈，水润滑橡胶合金衬套通过模压硫化粘结的轴承外圈的内圆周，显著提高了轴承的承载能力，具有良好的泥沙、杂质排泄能力，比同类轴承的使用寿命长3倍以上。同样，中国专利CN102003464A涉及了一种水润滑轴承，包括金属基体、轴瓦、水槽，主要特征是在金属基体的内表面上硫化橡胶轴瓦，并在轴瓦表面开有水槽，水槽可以起到散热作用，并且在水润滑条件下，可将轴承中的杂质去掉，不仅可以提高轴承的承载力，还可以提高其抗磨损能力。此类轴承虽然具有良好的抗承载能力，可是由于采用橡胶作为摩擦副材料，当轴承在缺水工况环境下轴承材料的摩擦系数较高，导致摩擦温升显著，从而使得轴承在低速运行或缺水环境下会发生明显的噪声振动现象。中国专利CN102011796A涉及了一种船用自调心球面滑动水润滑艉轴承，具有调整轴承的艉轴承和艉轴的同轴度功能，可使轴承承受较大的径向力，可有效避免边缘效应，使得压力峰值下降，总体分布趋于均匀。此类轴承在结构上有效降低了轴承在缺水环境下导致的振动现象，可是专利中并未考虑轴承材料对轴承结构的影响。

以上发明可以看出，轴承所采用的材料是保证高性能水润滑轴承的重要前提。随着水润滑轴承材料的广泛研究，从最初采用的铁犁木至现有采用的天然橡胶和合成橡胶，主要目的均是选择与设计和水具有良好匹配性，并且在水中具有优异润滑性能的轴承材料，但是当轴承处于缺水或低速条件，摩擦副间隙无法形成充足的水膜，从而导致弹流润滑无法形成。中国专利CN1098877C涉及了一种舰船艉轴承用高分子材料，是由已内酰胺单体，长链活化剂和氢氧化钠、晶核试剂以及油化合物组成，经阴离子引发聚合形成的浇铸型尼龙材料，此类材料的优点是可以方便成型水润滑轴承，并且材料具有较高的抗压缩性能，但是由于在技术实施过程中，由于添加的油化合物不能均匀的分散在材料内部，使得轴承材料在机械加工后，轴承在干摩擦条件下仍然表现出较高的摩擦系数。CN1233692C和CN101509519B也涉及了此类浇铸尼龙材料作为水润滑轴承材料。尼龙虽然具有良好的耐磨损性能，但是在低速缺水环境下仍表现出较高的摩擦系数，同时聚酰胺具有较高的吸水率，因此轴承会在长期水中浸泡后导致尺寸增大，会严重影响摩擦副的配合间隙，若在装配初期预留间隙，会导致在轴承初始运动过程中由于间隙过大，产生轴承的振动和径向力的不稳定，严重影响轴承的使用寿命。

发明内容

本发明的克服现有技术的不足而提供一种具有高承载力及自润滑性的水润滑轴承。

本发明的水润滑轴承由合成聚氨酯、固体润滑剂和纤维增强剂组成。

一种具有高承载力及自润滑性的水润滑轴承，其特征在于该轴承通过以下步骤来制备：

A. 预聚体的制备：在具有密封结构的不锈钢反应器或玻璃反应器中将聚醚多元醇加热至100-110℃，进行真空脱水，真空度为0.07-0.09MPa，脱水时间为3～5小时，保证水含量低于0.05%以下；将脱水后的聚醚多元醇冷却至40～60℃，然后缓慢加入二异氰酸酯，在氮气环境下搅拌反应开始自然升温，待反应0.5～1小时后，缓慢加热至80℃±5℃，保温反应2～4小时，进行真空脱除气泡，然后加入聚二甲基硅氧烷（PDMS），搅拌反应，获得预聚体；所述的二异氰酸酯是2, 4-甲苯二异氰酸酯（TDI），组成聚氨酯的硬段；所述的聚醚多元醇是聚四氢呋喃（PTMG）多元醇和四氢呋喃-环氧乙烷-环氧丙烷共聚醚（PTMG-PO）中的一种，其分子量为800～5000，组成聚氨酯的软段；所述的聚二甲基硅氧烷是指通过羟基或氨基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS），其分子量为500-5000；

B. 预聚体改性：称取上步反应获得的初预聚体进行加热，控制温度为60～80℃，搅拌后真空脱除气泡，持续60-120min；待气泡脱除完全后，添加固体润滑剂和纤维增强剂，继续搅拌并且真空脱除气泡，获得所需要的改性预聚体；所述的固体润滑剂是聚四氟乙烯和石墨的混合物；所述的纤维增强剂是玻璃纤维或芳纶纤维；

C. 浇注：将作为扩链剂的有机二元胺进行加热熔融，缓慢加入上述脱除气泡的改性预聚体中，快速搅拌混合后，立即浇注至95-105℃的模具中；所述的模具是指成型整体轴承或内衬钢管复合的圆形模具，或浇注成型整体平板或复合钢衬板的矩形模具；所述的有机二元胺是指4,4'-二氨基-3,3'-二氯二苯甲烷（MOCA）或2,4-二胺基-3,5-二甲硫基甲苯（DMTDA）中的一种；

D. 扩链反应：将浇注后的轴承材料在烘箱中进行后续扩链反应，反应时间为16-20小时，扩链反应温度为100-120℃，取出脱模，得到具有高承载力及自润滑性的水润滑轴承材料。

在上述步骤A中，所述的二异氰酸酯与聚醚多元醇的摩尔比为5：1至1:1。

在上述步骤A中，所述的二异氰酸酯与聚二甲基硅氧烷的摩尔比为100:5至100:20。

在上述步骤B中，所述的固体润滑剂是聚四氟乙烯和石墨的混合物，通过机械混合机将其混合均匀，粒径均小于10μm，最佳的粒径为2-5μm，可以有效地降低轴承材料在缺水环境下的摩擦系数。

在上述步骤B中，所述的纤维增强剂是玻璃纤维或芳纶纤维的一种，其粒径小于30μm，最佳的粒径为10-20μm，可以有效地提高轴承材料在缺水环境下的耐磨性。

在上述步骤B中，以重量含量计，预聚体70～95%，聚四氟乙烯2～15%，石墨0.2～5%，增强剂0.5～10%。

在上述步骤C中，所述的有机二元胺的用量是步骤A中得到的预聚体重量的20%至45%。

本发明所涉及的水润滑轴承，可以是整体套筒状或平板状。对于直径较小的水润滑轴承，其结构是套筒状, 轴承长度为轴承内径的1.5～2.5倍。对于直径较大的水润滑轴承是平板状，通过在轴承座孔中进行对称拼装，组成水润滑轴承。当径向负荷为20MPa以下时，采用直接浇注成整体的套筒状或平板状；当径向负荷为20MPa以上，采用以钢衬复合的形式浇注成整体的套筒状或平板状。

本发明涉及的水润滑轴承材料，微观组织呈现均质结构，硬度为ShoreD55～65，压缩弹性模量为600MPa以上，干摩擦系数≤0.20，在水环境下，当线速度= 0.05m/s时，摩擦系数（水）≤0.25；当线速度＞0.5m/s时，摩擦系数（水）≤0.03，可以满足径向载荷为5-70MPa的使用要求。

本发明涉及的水润滑轴承，对于径向载荷小于20MPa的轴承结构，采用所整体浇注成型，如图1所示。对于径向载荷大于20MPa的轴承结构，采用与金属进行复合成型，如图2所示。

本发明涉及的水润滑轴承，对于轴承内径小于250mm的轴承结构，采用整体浇注成型所需要的轴承厚度，水槽由机械加工而成，如图1所示。对于轴承内径为250mm以上的轴承结构，采用浇注成型成衬板，镶嵌至轴承座孔中，如图3所示。

本发明涉及的水润滑轴承，可以根据实际轴承的转速以及水流通量选择不同的水槽结构。对于转速较低及水流通量较小的轴承，其水槽结构为直形，如图4所示。对于转速较高及水流通量较大的轴承，其水槽结构为半圆形，如图5所示。

本发明涉及的水润滑轴承，当轴承处于缺水环境时，可以表现出优异的自润滑和耐磨损性能，具有防止噪声发生及轴承咬合等作用，可以广泛应用于水下推进器电机驱动、螺旋浆艉轴承、舵轴承和水泵等旋转或摇摆等滑动部位。

附图说明

图1为整体浇注的水润滑轴承截面示意图。

图2为与金属复合成型的水润滑轴承截面示意图。

图3为镶嵌至座孔中的浇注成型复合衬板组成的水润滑轴承示意图。

图4为直形水槽的轴承结构示意图。

图5为半圆形水槽的轴承结构示意图。

图中所示，a为本发明所涉及的水润滑轴承材料，b为水槽，c为钢衬。

具体实施方式

实施例1

在密封反应器中将2000g聚四氢呋喃（PTMG，分子量2000）多元醇加热至100℃，真空度为0.08MPa，进行真空脱水3小时，控制水含量低于0.05%。将脱水后的PTMG冷却至60℃，然后缓慢加入350g的2, 4-甲苯二异氰酸酯（TDI），在氮气环境下搅拌，并且开始升温至80℃±5℃，保温反应2小时，进行真空脱除气泡，然后加入120g的氨基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS，分子量1000），搅拌反应，控制预聚体的温度为65℃，搅拌脱除气泡，大约持续90min；待气泡脱除完全后，添加130g聚四氟乙烯，50g石墨，以及200g玻璃纤维，继续搅拌并且真空脱除气泡，将680g4,4'-二氨基-3,3'-二氯二苯甲烷（MOCA）进行加热熔融，缓慢加入脱除气泡的合成聚氨酯基体中，快速搅拌混合后，立即浇注至100℃的模具中，在100℃的烘箱中进行后进行扩链反应16-20小时，取出脱模。

实施例2

在密封反应器中将2000g四氢呋喃-环氧乙烷-环氧丙烷共聚醚（PTMG-PO，分子量2000）加热至100℃，真空度为0.08MPa，进行真空脱水3小时，控制水含量低于0.05%。将脱水后的PTMG-PO冷却至60℃，然后缓慢加入260g的2, 4-甲苯二异氰酸酯（TDI），在氮气环境下搅拌，并且开始升温至80℃±5℃，保温反应2小时，进行真空脱除气泡，然后加入180g的羟基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS，分子量1000），搅拌反应，控制预聚体的温度为65℃，开启搅拌，脱除气泡，大约持续90min；待气泡脱除完全后，添加360g聚四氟乙烯，25g石墨，以及30g玻璃纤维，继续搅拌并且真空脱除气泡，将700g4,4'-二氨基-3,3'-二氯二苯甲烷（MOCA）进行加热熔融，缓慢加入完毕后，快速搅拌混合，立即浇注至100℃的模具中，在100℃的烘箱中进行扩链反应6-20小时，取出脱模。

实施例3

在密封反应器中将2000g聚聚四氢呋喃多元醇（PTMG，分子量2000）加热至100℃，真空度为0.08MPa，进行真空脱水3小时，控制水含量低于0.05%。将脱水后的PTMG冷却至60℃，然后缓慢加入260g的二苯基甲烷-4, 4＇-二异氰酸酯（MDI），在氮气环境下搅拌，并且开始升温至80℃±5℃，保温反应2小时，进行真空脱除气泡，然后加入180g氨基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS，分子量1000），搅拌反应，控制预聚体的温度为65℃，搅拌状态下脱除气泡，大约持续90min；待气泡脱除完全后，添加360g聚四氟乙烯，100g石墨，以及200g芳纶纤维，继续搅拌并且真空脱除气泡，将550g2,4-二胺基-3,5-二甲硫基甲苯（DMTDA）进行加热熔融，缓慢加入，快速搅拌混合后，立即浇注至100℃的模具中，在100℃的烘箱中进行扩链反应16-20小时，取出脱模。

Claims (5)

1.一种具有高承载力及自润滑性的水润滑轴承，其特征在于该轴承通过以下步骤来制备：

A. 预聚体的制备：在具有密封结构的不锈钢反应器或玻璃反应器中将聚醚多元醇加热至100-110℃，进行真空脱水，真空度为0.07-0.09MPa，脱水时间为3～5小时，保证水含量低于0.05%以下；将脱水后的聚醚多元醇冷却至40～60℃，然后缓慢加入二异氰酸酯，在氮气环境下搅拌反应开始自然升温，待反应0.5～1小时后，缓慢加热至80℃±5℃，保温反应2～4小时，进行真空脱除气泡，然后加入聚二甲基硅氧烷，搅拌反应，获得预聚体；所述的二异氰酸酯是2, 4-甲苯二异氰酸酯，组成聚氨酯的硬段；所述的聚醚多元醇是聚四氢呋喃多元醇和四氢呋喃-环氧乙烷-环氧丙烷共聚醚中的一种，其分子量为800～5000，组成聚氨酯的软段；所述的聚二甲基硅氧烷是指通过羟基或氨基封端的聚二甲基硅氧烷，其分子量为500-5000；所述二异氰酸酯与聚醚多元醇的摩尔比为5：1至1:1；所述二异氰酸酯与聚二甲基硅氧烷的摩尔比为100:5至100:20；

B. 预聚体改性：称取上步反应获得的初预聚体进行加热，控制温度为60～80℃，搅拌后真空脱除气泡，持续60-120min；待气泡脱除完全后，添加固体润滑剂和纤维增强剂，继续搅拌并且真空脱除气泡，获得所需要的改性预聚体；所述的固体润滑剂是聚四氟乙烯和石墨的混合物；所述的纤维增强剂是玻璃纤维或芳纶纤维；

C. 浇注：将作为扩链剂的有机二元胺进行加热熔融，缓慢加入上述脱除气泡的改性预聚体中，快速搅拌混合后，立即浇注至95-105℃的模具中；所述的模具是指成型整体轴承或内衬钢管复合的圆形模具，或浇注成型整体平板或复合钢衬板的矩形模具；所述的有机二元胺是指4,4'-二氨基-3,3'-二氯二苯甲烷或2,4-二胺基-3,5-二甲硫基甲苯中的一种；

D. 扩链反应：将浇注后的轴承材料在烘箱中进行后续扩链反应，反应时间为16-20小时，扩链反应温度为100-120℃，取出脱模，得到具有高承载力及自润滑性的水润滑轴承材料。

2.如权利要求1所述的水润滑轴承，其特征在于所述的固体润滑剂是聚四氟乙烯和石墨的混合物，通过机械混合机将其混合均匀，粒径均小于10μm。

3.如权利要求1所述的水润滑轴承，其特征在于所述的纤维增强剂是玻璃纤维或芳纶纤维的一种，其粒径小于30μm。

4.如权利要求1所述的水润滑轴承，其特征在于以重量含量计，预聚体70～95%，聚四氟乙烯2～15%，石墨0.2～5%，增强剂0.5～10%。

5.如权利要求1所述的水润滑轴承，其特征在于所述的有机二元胺的用量是步骤A中得到的预聚体重量的20%至45%。