CN117774290B - 具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦及其制备方法，本发明的方法利用轴承轴瓦条成型模具，采用热压法在丁腈橡胶基轴瓦条表面加工仿生沙鱼鳞片微结构，得到具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦条，再将多个具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦条组装得到具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦；所述仿生沙鱼鳞片微结构包括沿平行于轴瓦条轴向方向均匀排列的多个阶梯，相邻阶梯间距为90‑150μm，单个阶梯深度为10‑15μm。本发明的轴承轴瓦可提高水润滑材料的抗磨损性能和杂质包容性能，改善水润滑轴承在具有泥沙、海生物等恶劣环境中磨损加剧的现象，提升水润滑轴承在复杂工况下的抗磨损能力和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及水润滑轴承轴瓦制造领域，具体涉及的是一种具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦及其制备方法。
背景技术
水润滑轴承是支撑船舶螺旋桨转轴的重要部件，船舶航行时主轴的高速旋转使得轴壁与轴承内衬表面间形成一层承载水膜，有效降低了摩擦副界面的摩擦和磨损。然而，轴承实际工作的海水环境中常常存在泥沙或海生物杂质，这些杂质混入润滑水膜导致轴承内衬面发生磨损,进而影响水膜的形成质量甚至转轴运动的平稳性。这一系列问题不仅严重损害轴承的可靠性和使用寿命，还会降低船舶航行的声隐身能力。因此，提高水润滑轴承轴瓦（内衬）的抗磨损能力对于船舶健康安全和低噪声航行具有重要意义。
目前，针对提高水润滑轴承抗磨损能力的工程需求，国内外学者主要从水润滑材料改性和加工表面织构两方面开展了大量理论和实验研究。在材料改性方面主要侧重于添加其他增强型填料制备复合材料来提高水润滑材料的耐磨损性能，比如添加碳纳米管、MoS2、改性玻璃纤维和碳纤维或纳米SiC等对水润滑材料进行改性。研究结果表明改性后的复合材料均有不同程度的减磨降摩作用。表面织构设计主要是在轴承内衬表面上设计排水槽，如螺旋槽和直槽形式的水润滑轴承。沟槽的存在提高了水润滑轴承的泥沙和杂质排泄能力，进而提高了轴承的抗磨损性能和使用寿命。工程实践已经证明上述两种方法对于提升水润滑轴承耐磨损能力均能发挥重要作用，有效提升了各类船舶水润滑轴承的使用寿命。然而，材料改性方法存在研发周期长和设计优化流程复杂等问题，对于磨屑、泥沙或海生物等杂质造成的轴承磨损改善效果一般；轴承内衬表面织构设计可以有效避免上述问题，其结构类型、排布方式以及尺寸设计等技术细节优化是目前限制水润滑轴承磨损能力提升的关键“瓶颈”。
随着摩擦学向纳米尺度发展，尤其是自然界中生物体表面微纳米尺度结构的发现使人们认识到：并非越光滑的表面其摩擦阻力越小，表面微结构在一定程度上可以减少摩擦磨损甚至起到润滑的作用。沙鱼（Scincus scincus）是一种生活在北非撒哈拉沙漠的蜥蜴，这种蜥蜴尽管每天频繁地在锋利的沙粒中游动穿梭，但鳞片表面却未发现任何损伤。研究表明，沙鱼鳞片的抗沙粒磨损性能甚至超过了玻璃和钢板，其表面的纳米尺度“梳状”结构以及横截面的层状堆积结构是其优异磨损性能的主要原因之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上问题和要求，提供一种具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦及其制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦的制备方法，利用轴承轴瓦条成型模具，采用热压法在丁腈橡胶基轴瓦条表面加工仿生沙鱼鳞片微结构，将多层丁腈橡胶样片逐层堆积热压，加工得到截面具有仿生沙鱼分层结构，表面具有梳状微阶梯结构的水润滑轴承轴瓦条，再将多个具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦条组装得到具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦；所述仿生沙鱼鳞片微结构包括沿平行于轴瓦条轴向方向均匀排列的多个阶梯，相邻阶梯间距L为90-150μm，单个阶梯深度H为10-15μm。
进一步的，所述轴承轴瓦条成型模具包括上模和下模，上模具设置有凸台，凸台表面设置有仿生沙鱼鳞片微结构的反向结构。
进一步的，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、将精密热压试验机上下加热板加热到130-180，对模具进行预热10分钟以上后取出；
步骤2、将4-5层丁腈橡胶薄片置入上一步预热后的模具容器中，再将整个模具置入精密热压试验机中在150-170的加热温度下，在5MPa的预置压力下预压45-55秒；
步骤3、利用精密热压试验机在150-170的加热温度下在15MPa的工作压力下对丁腈橡胶轴瓦条进行热压，热压时间为35-45分钟；
步骤4、达到热压时间后，将精密热压试验机对上下加热板进行冷水循环降温，在达到指定开模温度70后，分离精密热压试验机上下加热板，取出模具，脱模后清洗轴瓦条和模具，得到具有仿生沙鱼微结构的水润滑轴承轴瓦条；
步骤5、重复步骤1-4，得到多条具有仿生沙鱼微结构的水润滑轴承轴瓦条，将多个轴瓦条顺次组装固定在铜套内得到完整的环形轴瓦。
具有仿生沙鱼微结构的水润滑轴承轴瓦，包括多个具有仿生沙鱼微结构的水润滑轴承轴瓦条，所述具有仿生沙鱼微结构的水润滑轴承轴瓦条内侧表面设置有仿生沙鱼鳞片微结构，所述仿生沙鱼鳞片微结构包括沿平行于轴瓦条轴向方向均匀排列的多个阶梯，相邻阶梯间距L为90-150μm，单个阶梯深度H为10-15μm。
本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：
针对船舶水润滑轴承在复杂海水环境中出现的磨损加剧问题，通过4-5层丁腈橡胶样品热压堆积模仿沙鱼鳞片的截面层状堆积结构，通过轴承轴瓦条成型模具加工轴瓦条表面梳状阶梯微结构，模仿沙鱼鳞片的结构，本发明的具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦可提高水润滑材料的抗磨损性能和杂质包容性能，改善水润滑轴承在具有泥沙、海生物等恶劣环境中磨损加剧的现象，提升水润滑轴承在复杂工况下的抗磨损能力和使用寿命。
附图说明
图1为本发明中的轴承轴瓦条成型模具结构示意图；
图2为仿生沙鱼鳞片微结构放大示意图；
图3为本发明的方法流程示意图；
图4中，（a）为轴瓦条结构示意图，（b）为轴承结构示意图，（c）为轴瓦表面的仿生沙鱼鳞片微结构微观三维形貌图，（d）为仿生沙鱼鳞片微结构三维形貌图切线的高度轮廓分布图。
附图中，各标号代表的部件列表如下：
1、上模；2、下模；3、凸台；4、梳状阶梯型的微结构；5、凹槽；6、钢板
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-4所示，本发明所提出的一种仿生沙鱼鳞片结构的水润滑轴承轴瓦及其制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、针对丁腈橡胶基水润滑轴承轴瓦条材料进行仿生沙鱼微结构的加工。表面的梳状阶梯微结构通过模具热压实现，截面分层结构通过在模具凹槽中平整铺4-5层丁腈橡胶薄片通过热压硫化成型实现。
步骤2、根据现有用于模拟舰船艉轴承轴系的螺旋桨轴承缩比试验台架，设计与之适配的缩比轴承，轴承参数为：轴承内径为80（+0.15~+0.40）mm，轴承外径为110（+0.037~+0.059）mm，轴承长度320±0.5 mm。
步骤3、利用设计的缩比轴承轴瓦条成型模具采用热压法在丁腈橡胶基轴瓦条表面加工等比例放大20倍的沙鱼鳞片表面微结构。
步骤4、如图1所示，模具分为上模1和下模2，上模具有一个凸台3，凸台表面有用于在丁腈橡胶轴瓦条表面热压成型的梳状阶梯型的微结构4，凸台高度为5 mm，通过超精密铣削技术在其表面加工出仿生沙鱼微结构的反向结构（阴模），微结构尺寸为：相邻两阶梯间距L为100 μm，阶梯深度H为12 μm；微结构的方向为：微结构的阶梯平行于轴向排列，具体尺寸见图2。模具成型后在其微结构表面喷涂一层煤油以防止空气中的氧气和水对模具微结构的腐蚀。下模具有一个凹槽5，凹槽内设置有钢板6，凹槽深度为20 mm，用来盛放未加工的轴瓦条，两侧的堵头用于固定轴瓦条，下模具为分体式结构，由左右两个部分组成，便于轴瓦条成型后脱模。
步骤5、首先，将精密热压试验机上下加热板加热到160 ，对模具进行预热10分钟，然后将模具取出。
步骤6、将未加工的4-5层丁腈橡胶薄片置入加热后的模具容器中，再将整个模具置入精密热压试验机中在160 的加热温度下在5 MPa的预置压力下预压50秒。
步骤7、利用精密热压试验机在160 的加热温度下在15 MPa的工作压力下对丁腈橡胶轴瓦条进行热压，热压时间为40分钟。
步骤8、达到热压时间后，将精密热压试验机对上下加热板进行冷水循环降温，在达到指定开模温度70 后，试验机上下加热板分离，取出盛放水润滑轴承轴瓦条的模具，脱模后采用丙酮试剂清洗轴瓦条和模具，清除残留的材料、灰尘等。由此，便得到了具有仿生沙鱼微结构的水润滑轴承轴瓦条。
步骤9、重复上述步骤，得到8条具有仿生沙鱼梳状阶梯微结构的水润滑轴承轴瓦条。
步骤10、在轴瓦条和铜套上分别加工安装孔和定位槽，将具有设计仿生微结构的轴瓦条通过定位槽和紧固螺栓安装在轴承铜套上。轴瓦条采用冷压的方式进行轴向配合，在装配过程中仅靠螺栓连接难以限制轴瓦的轴向滚动，使轴瓦安装定位发生偏移。因此在轴瓦条和铜套之间设计了燕尾槽结构连接的装配方式。考虑到丁腈橡胶的收缩率和膨胀率，将轴瓦条间隙设置为0.4mm。轴瓦条中间的钢板设置为3 mm厚，钢板中间设计3个螺孔，通过螺栓与铜套紧固到一起。即可得到具有仿生沙鱼微结构的水润滑轴承。此外，考虑存在海水腐蚀的问题，轴承衬套选用青铜材料，其中包括炮铜（88%铜，10%锡和2%锌）或70-30锌镍铜合金。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦的制备方法，其特征在于, 利用轴承轴瓦条成型模具，采用热压法在丁腈橡胶基轴瓦条表面加工仿生沙鱼鳞片微结构，将多层丁腈橡胶样片逐层堆积热压，加工得到截面具有仿生沙鱼分层结构，表面具有梳状微阶梯结构的水润滑轴承轴瓦条，再将多个具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦条组装得到具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦；所述仿生沙鱼鳞片微结构包括沿平行于轴瓦条轴向方向均匀排列的多个阶梯，相邻阶梯间距L为90-150μm，单个阶梯深度H为10-15μm；
具体包括以下步骤：
步骤1、将精密热压试验机上下加热板加热到130-180，对模具进行预热10分钟以上后取出；
步骤2、将4-5层丁腈橡胶薄片置入上一步预热后的模具容器中，再将整个模具置入精密热压试验机中在150-170的加热温度下，在5MPa的预置压力下预压45-55秒；
步骤3、利用精密热压试验机在150-170的加热温度下在15MPa的工作压力下对丁腈橡胶轴瓦条进行热压，热压时间为35-45分钟；
步骤4、达到热压时间后，将精密热压试验机对上下加热板进行冷水循环降温，在达到指定开模温度70后，分离精密热压试验机上下加热板，取出模具，脱模后清洗轴瓦条和模具，得到具有仿生沙鱼微结构的水润滑轴承轴瓦条；
步骤5、重复步骤1-4，得到多条具有仿生沙鱼微结构的水润滑轴承轴瓦条，将多个轴瓦条顺次组装固定在铜套内得到完整的环形轴瓦。
2.根据权利要求1所述的具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦的制备方法，其特征在于，所述轴承轴瓦条成型模具包括上模和下模，上模具设置有凸台，凸台表面设置有仿生沙鱼鳞片微结构的反向结构。
3.具有仿生沙鱼鳞片微结构的水润滑轴承轴瓦，其特征在于，由权利要求1-2中的任意一项所述方法制备得到。
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| CN117774290A (zh) | 2024-03-29 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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