详情

原文传递玻璃纤维增强UHMWPE复合材料的水润滑-温度特性研究

论文题名：	玻璃纤维增强UHMWPE复合材料的水润滑-温度特性研究
关键词：	船舶尾轴承;水润滑技术;超高分子量聚乙烯;玻璃纤维;温度特性;摩擦学性能
摘要：	尾轴承是确保船舶安全、可靠运行的关键部件之一，为解决油润滑尾轴承带来的环境污染问题，水润滑尾轴承成为当前研究的热点。受航行海域、季节和运行工况等方面的影响，水润滑尾轴承长期在水环境中服役，温度、湿热条件等对轴承材料的各项性能提出较高的要求。本文首先以两种水润滑尾轴承为研究对象，探讨动压润滑阶段的运行工况对轴承温度特性的影响，并以此为基础，讨论湿热环境中玻璃纤维增强超高分子量聚乙烯（UHMWPE）复合材料的服役性能。　　基于改进的水膜几何模型建模方法和热边界条件，研究了线速度、比压和冷却水进口流速对水润滑轴承温度特性的影响。结果表明，随着线速度的增加，轴承的总热流密度先减小而后增加，转折点为1m/s，而比压对轴承温度特性的影响与轴承材料有关，Thordon轴承适用于轻载工况，SF-1轴承适用于重载工况。轴承的温升受水膜厚度和传热量的影响，重载工况时轴承的最高温度随线速度的增大而减小，轻载工况时呈现出先减小而后缓慢增大的趋势，即便处于动压润滑状态，轴承在低速重载工况下的温升仍然可以达到10K。轴承的高温区域主要分布在周向角度为80-140°和轴向0.02-0.13m处，最高温度出现在偏心侧越过最小水膜厚度处0-40°的位置。随着冷却水进口流速的增加，轴承的最高温度变化不明显，轴向高温区域的温度峰值向轴承出口移动，中部高温区域的面积会减小，流速设定为2m/s左右时可以得到较好的冷却效果。　　为研究湿热环境对UHMWPE及其复合材料性能的影响，开发耐高温水润滑轴承材料，依据仿真计算的结果及船舶营运环境，在水温为60℃的条件下测试所制备材料的水胀性能、机械性能和摩擦学性能。水胀试验表明，纯UHMWPE的吸水率最小，掺杂同种纤维后复合材料的吸水率随着纤维质量分数的增加而增大，纤维含量一定时，改性纤维增强复合材料的吸水率要低于未改性纤维增强复合材料。机械性能和摩擦学性能试验表明，玻璃纤维的加入能提高复合材料的机械性能和摩擦学性能，然而水热环境会减弱增强的效果，在水热环境下产生的塑化和热破坏是材料性能下降的主要原因。此外，由于纤维改性后与基体间的结合强度变大，改性玻璃纤维增强复合材料在水热环境中的综合性能优于未改性玻璃纤维增强材料，表现出较低的吸水率和较高的耐磨性。玻璃纤维含量及改性方法对于开发耐高温水润滑轴承材料具有重要的意义，20%改性玻璃纤维增强UHMWPE的综合性能最优。　　为研究工作温度对材料性能的影响并分析相应机理，以优选出来的20%改性玻璃纤维增强UHMWPE为研究对象，分别在室温、40℃、60℃和80℃的条件下测试材料的各项性能。水胀试验结果表明，当温度不超过60℃时，材料能够在较短的时间内达到饱和而且饱和吸水率较小，而当温度达到80℃时，基体材料与玻璃纤维出现相分离，导致材料浸泡80天后仍然未达到饱和。机械性能试验表明，随着温度的升高，材料的抗拉强度和弹性模量下降、结晶度和接触角增大、玻璃化转变温度先下降而后略有上升，硬度、熔融温度和结晶温度则变化不大。摩擦学性能试验表明，材料的摩擦学性能随着温度的升高呈现出先下降而后上升的趋势，材料在水温为60℃时表现出最佳的摩擦学性能，这是因为温度较高时有更多的铜元素及其氧化物转移到摩擦副表面，起到固体润滑剂的作用，而当温度继续升高时，高温条件下因相分离而剥落的玻璃纤维会恶化材料的摩擦学性能。
作者：	张豪
专业：	轮机工程
导师：	袁成清;谭祖胜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021