CN114836021B - 功能梯度内衬、制备方法及基于该内衬的水润滑轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功能梯度内衬、制备方法及基于该内衬的水润滑轴承，将异质丝状填充材料通过固定装置在模具内按照径向分层布置，并施加预紧力得到丝状填充材料；将改性添加剂加入到基体高分子材料中，得到改性基体材料；将改性基体材料添加到布置有径向分布丝状填充材料的模具中，并充分混合，通过浇注、热压或烧结使其相结合，冷却后得到功能梯度内衬，将功能梯度内衬装配在外衬套内得到水润滑轴承。利用异质丝状填充材料的力学性能和优越的导热性能，在保障水润滑轴承材料力学性能的同时，防止摩擦副局部温度急剧上升而造成的磨损破坏。本发明提升水润滑轴承摩擦学性能，延长轴和轴承的使用寿命，提升船舶推进***的可靠性，降低运营成本。

Description

功能梯度内衬、制备方法及基于该内衬的水润滑轴承

技术领域

本发明属于轴承材料领域，具体涉及一种功能梯度内衬、制备方法及基于该内衬的水润滑轴承，用于提升水润滑轴承材料力学性能、摩擦性能，延长轴和轴承的使用寿命。

背景技术

在地球总面积中，海洋约占71％，但海洋资源开发却不到1％。因此，提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，促进世界全球化进程，已成为当今世界发展的主旋律。舰船、潜航器、水下机器人等这些水下机械设备作为贸易交流、资源开发的载体和工具，已成为机械行业重点发展的热门领域。

轴承作为各类水下机械设备运动***的重要组成部分，其性能的优劣将直接影响相关机械设备的安全性和可靠性，因而成为设备开发设计工作的重中之重。传统轴承一般选用金属材料，并用矿物油进行润滑。在消耗大量金属材料和矿物油的同时，矿物油不可避免的泄露还会造成的环境污染和生态破坏。随着国际社会环保意识的不断增强，以及制造业绿色可持续发展的不断推进，传统油润滑轴承已不再符合时代发展的要求。

水润滑轴承以自然环境中的淡水、海水作为润滑剂，具有绿色无污染、清洁可持续等优点，已成为未来的发展趋势。然而，由于水的黏度较低，承载能力较差，在低速、重载条件下运行时，水润滑轴承无法形成完整稳定的润滑膜。此外，目前常用的水润滑轴承多为高分子材料，其力学性能、导热性能较差，使得水润滑轴承在运行过程中，很容易导致材料摩擦界面局部温度的急剧上升，进而引发材料的剥离、粘滑等，造成材料摩擦界面的磨损失效。这些缺点不仅影响了水下设备的可靠性，还严重限制了水润滑轴承的推广应用。

梯度材料又称功能梯度材料，是一种化学组成成分、微观组织等在空间上呈现梯度变化的非均匀相复合材料。最早被用于减少由于金属和陶瓷界面高温造成的热应力，随着梯度材料的发展，能够通过调节材料各组成成分或微观结构的空间分配形式，有效增加材料的力学性能和功能性，减少应力集中，改善界面结合、抑制裂纹的萌生和扩展，进而满足机械设备中不同部件多功能化的工作要求。梯度复合材料所表现出的良好功能性，为水润滑轴承材料的推广应用带来了启发。因此，结合现有的水润滑轴承材料，根据梯度材料的设计形式，通过调控基体中构建单元的分布、类型和密度，开发一种可以提高水润滑轴承材料的力学性能，促进摩擦热的传导和散失，提升水润滑轴承摩擦性能的功能梯度材料十分重要。

发明内容

本发明创造的目的在于：提供一种功能梯度内衬、制备方法及基于该内衬的水润滑轴承，提高水润滑轴承材料的力学性能、摩擦性能，促进摩擦热的传导和散失，改善水润滑轴承的润滑性能，降低轴承磨损，延长轴承和轴的寿命。适用于在水环境中工作的机械设备的支撑和动力***。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于苛刻工况环境下水润滑轴承的功能梯度内衬，其特征在于：包括高分子材料内衬基体和埋设于高分子材料内衬基体内具有导热功能的异质丝状填充材料，所述异质丝状填充材料径向设置分布在内衬四周形成功能梯度内衬。

所述高分子材料内衬基体的材料为市面常规原料，具体类型不限，化学性质稳定，具有无毒无污染的性能。

优选的，所述高分子材料内衬基体的材料为聚氨酯、超高分子量聚乙烯、聚醚醚酮及聚四氟乙烯中任意一种或者几种。

优选的，所述异质丝状填充材料为在摩擦界面具备一定润滑性能的金属丝材或者碳纤维材料。

进一步优选的，所述金属丝材为铜、铝、银及铟中的任意一种或者几种丝材。

优选的，所述异质丝状填充材料在径向为直径大小渐变材料，通过直径大小渐变提高功能梯度特性，更好的散掉摩擦界面热量。

优选的，从内衬的径向向外，异质丝状填充材料的直径变大。

优选的，所述异质丝状填充材料最小端的直径为0.1-0.4mm。

优选的，所述异质丝状填充材料在基体中分层且均匀分布。

本发明还提供一种上述功能梯度内衬的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将异质丝状填充材料通过固定装置在模具内径向分层布置(径向分布，并在轴向分层设置)，并施加一定的预紧力得到径向布置的丝状填充材料；

步骤2、将改性添加剂加入到基体高分子材料中，得到改性基体材料；

步骤3、将步骤2中得到的改性基体材料添加到步骤1中布置有径向分布丝状填充材料的模具中，并充分混合，通过浇注、热压或烧结使其相结合，自然冷却后得到功能梯度内衬。

优选的，步骤2中，所述改性添加剂固体润滑材料，有较好的润滑性能，可以增强基体材料的摩擦性能。

进一步优选的，改性添加剂为根据基体高分子材料类型选择，为石墨、二硫化钼、石蜡、聚乙烯蜡中的任意一种或者几种。

优选的，步骤3中，浇注、热压、烧结根据基体高分子材料类型选择。

本发明还提供一种用于苛刻工况环境下的水润滑轴承，其特征在于：包括外衬套和装配在外衬套内上述任意一项所述的功能梯度内衬。

优选的，所述异质丝状填充材料的硬度、耐磨性等均小于用于外衬套的材料。

本发明的原理是：通过异质丝状填充材料的导热性快速传导摩擦界面产生的热量，使得散热面积更大，有利于维持摩擦界面温度稳定性，防止温度过高导致摩擦界面处高分子材料失效，从而降低润滑效果。同时异质丝状填充材料在摩擦界面摩擦过程中磨损形成的细小磨屑，起到了界面润滑作用，减少了摩擦副之间的直接接触，降低了摩擦系数，提高润滑性能。

与现有技术相比较，本发明有益效果是：

本发明摒弃了传统水润滑轴承材料在组成成分、构建单元分布和性能在空间上的同一性，提出了一种以水润滑轴承高分子材料为基体，固体润滑材料为改性添加剂，异质丝状填充材料为填料制成，适用于水下设备中水润滑轴承的复合功能梯度材料。本发明解决了水润滑轴承高分子材料导热性较差，摩擦热过高的问题；解决了水润滑轴承高分子材料摩擦波动较大，摩擦稳定较差的问题。本发明制作简单，效果提升显著，解决了恶劣工作条件下，轴承严重磨损的问题。此发明延长了轴承和轴的使用寿命，降低了运行的成本，适用于在水环境中工作设备的支撑和动力***。

附图说明

图1为本发明具有功能梯度的水润滑轴承制备流程示意图。

图2为本发明用于苛刻工况环境下的水润滑轴承的结构示意图。

图3为实验条件在载荷为0.5MPa，转速为50rpm，干摩擦下，实施例1-3和对比例1所制得的功能梯度内衬试样的摩擦试验示意图，其中图3(a)为实时摩擦系数图，图3(b)为在摩擦试验稳定后500s的平均摩擦系数。

图4为实验条件在载荷为0.5MPa，转速为300rpm，70℃水润滑下，实施例3和对比对比例1所制得的功能梯度内衬试样的摩擦试验示意图，其中图4(a)为实时摩擦系数图，图4(b)为在摩擦试验稳定后500s的平均摩擦系数。

图5为相同体积不同尺寸金属丝填充及无填充模型传热性能仿真试验结果对比图；

其中，图5(a)为外粗内细(小端直径0.2mm)金属丝填充的功能梯度内衬试样传热仿真图；

图5(b)为外粗内细细金属丝(小端直径0.1mm)填充的功能梯度内衬试样传热仿真图；

图5(c)为0.25mm等径金属丝填充的功能梯度内衬试样传热仿真图；

图5(d)为外细内粗金属丝(小端直径0.2mm)填充的功能梯度内衬试样传热仿真图；

图5(e)为外细内粗金属丝(小端直径0.1mm)填充的功能梯度内衬试样传热仿真图；

图5(f)为聚氨酯材料内衬试样(仿真对比例1)传热仿真图。

图6为图2中水润滑轴承的横向剖视图。

1-外衬套，2-功能梯度内衬，21-高分子材料内衬基体，22-异质丝状填充材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图2和图6所示，用于苛刻工况环境下的水润滑轴承由外衬套1和装配在外衬套1内的功能梯度内衬2组成，功能梯度内衬2包括高分子材料内衬基体21和埋设于高分子材料内衬基体内的异质丝状填充材料22。

水润滑轴承制备方法如下：

将异质丝状填充材料通过固定装置在模具内径向分层布置，对异质丝状填充材料进行拉伸得到定向丝状填充材料；将水润滑轴承高分子材料与改性添加剂混合，通过浇注、热压、烧结倒入模具中与径向丝状填充材料相结合，自然冷却后得到功能梯度内衬，将功能梯度内衬装配在外衬套内，得到用于苛刻工况环境下的水润滑轴承。

本发明通过异质丝状填充材料促进摩擦副局部区域摩擦热的传导而缓解轴和轴承材料界面由于局部温度急剧上升而造成的磨损破坏。

实施例1、将铝金属丝材料通过固定装置在模具沿径向分层布置，对金属丝进行拉伸得到定向金属丝填料；将热固性聚氨酯成型的A、B料以及改性添加剂在90-120℃温度下均匀混合，倒入模具中与定向金属丝填料相结合，自然冷却后得到铝丝填充的功能梯度内衬。

实施例2、将铜金属丝材料通过固定装置在模具沿径向分层布置，对金属丝进行拉伸得到定向金属丝填料；将热固性聚氨酯成型的A、B料以及改性添加剂在90-120℃温度下均匀混合，倒入模具中与定向金属丝填料相结合，自然冷却后得到铜丝填充的功能梯度内衬。

实施例3、将银金属丝材料通过固定装置在模具沿径向分层布置，对金属丝进行拉伸得到定向金属丝填料；将热固性聚氨酯成型的A、B料以及改性添加剂在90-120℃温度下均匀混合，倒入模具中与定向金属丝填料相结合，自然冷却后得到银丝填充的功能梯度内衬。

对比例：将热固性聚氨酯成型的A、B料以及改性添加剂在90-120℃温度下均匀混合，倒入模具中，自然冷却后得到聚氨酯材料内衬，作为对比例1进行对比试验。

摩擦磨损性能测试1，实施例1-3所制备的功能梯度内衬、对比例1得到聚氨酯材料内衬作为试样，进行表面抛光。在室温条件下进行摩擦试验，试验在摩擦磨损试验机上进行，以黄铜材料作为摩擦配副材料，对摩擦系数进行了测量。为了模拟水润滑轴承的极端工况条件，试验在干摩擦、0.5MPa的载荷和50rpm的转速下进行2h，其试验结果如图3所示。

摩擦磨损性能测试2，将实施例3所制备的银丝填充的功能梯度内衬和对比例1到聚氨酯材料内衬作为试样，进行表面抛光。在室温条件下进行摩擦试验，试验在摩擦磨损试验机上进行，以黄铜材料作为摩擦配副材料，对摩擦系数进行了测量。为了模拟水润滑轴承的高温高速重载的工作环境，试验在70℃水润滑、0.5MPa的载荷和300rpm的转速下进行2h，其试验结果如图4所示。

传热性能仿真试验，将金属丝体积相同但是形状不同及不含金属丝的纯聚氨酯复合材料建模得到仿真例1-5的功能梯度内衬仿真模型和仿真对比例1的聚氨酯材料内衬仿真模型，功能梯度内衬仿真模型和聚氨酯材料内衬仿真模型以下均简称仿真试样，其中，仿真例1-5的基体材料均为聚氨酯，填充金属丝体积相同，形状区别如下：

仿真例1，金属丝外粗内细，小端直径0.2mm；

仿真例2，金属丝外粗内细，小端直径0.1mm；

仿真例3，金属丝等径，直径为0.25mm；

仿真例4，金属丝外细内粗，小端直径0.2mm；

仿真例5、金属丝外细内粗，小端直径0.1mm；

仿真对比例1，纯聚氨酯复合材料的聚氨酯材料内衬仿真模型；

对仿真例1-5和仿真对比例1进行网格划分，将仿真试样的摩擦界面设置为加热面，温度设置为120℃，其余面温度设置为20℃，将冷却条件设置为水环境冷却，摩擦界面对流传热系数设置为200，其余面对流传热系数取1500。利用ANSYS软件进行热传导效率模拟试验，其试验结果如图5所示。

下面将结合本发明创造实施例中的试验结果，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明创造一部分实施例，其发明只针对一种适用水润滑轴承的功能梯度材料，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明创造保护的范围。

试验结果：

如图3所示，对比传统水润滑轴承材料，本发明铝、铜、银等金属丝填充的水润滑轴承功能梯度材料试样，在干摩擦、低速重载工况下，有效的降低了轴承和轴的摩擦系数，且摩擦系数的波动更小，稳定性更好。金属丝的填入有效提高了水润滑轴承材料摩擦状态的稳定性，有助于降低水润滑轴承由于非周期性的摩擦波动而造成的摩擦磨损和摩擦噪音，提高了水润滑轴承的可靠性和舰艇的安全性。在干摩擦条件下摩擦副之间容易产生摩擦热，金属丝的填入促进了摩擦副之间摩擦热的传导和散失，缓解了轴和轴承材料界面由于局部温度急剧上升而造成的磨损破坏，同时金属丝填料起到了界面润滑作用，减少了摩擦副之间的直接接触，降低了摩擦系数。试验结果证明功能梯度材料有效改善了水润滑轴承在极端工况条件下的摩擦性能。

如图4所示，对比传统水润滑轴承材料，本发明银丝填充的水润滑轴承功能梯度材料，在70℃水润滑、高速重载工况下，有效的降低了轴承和轴的摩擦系数，且摩擦系数的波动更小，稳定性更好。银丝的填入有效提高了水润滑轴承材料摩擦状态的稳定性，有助于降低水润滑轴承由于非周期性的摩擦波动而造成的摩擦磨损和摩擦噪音，提高了水润滑轴承的可靠性和舰艇的安全性。在高温水润滑条件下高分子材料与黄铜摩擦副之间容易产生粘滑，增大摩擦磨损，金属丝的填入促进了摩擦副之间热量的传导和散失，缓解了轴和轴承材料界面由于局部温度急剧上升而造成的磨损破坏，同时银丝填料起到了界面润滑作用，减少了摩擦副之间的直接接触，降低了摩擦系数。试验结果证明功能梯度材料有效改善了水润滑轴承在高温高速重载水润滑条件下的摩擦性能。

如图5所示，在传热模拟试验中，各功能梯度内衬试样和聚氨酯材料内衬试样的平均温度的高低为仿真例1＞仿真例2＞仿真例3＞仿真例4＞仿真例5＞仿真对比例1。相比于纯聚氨酯复合材料，金属丝的填入促进了集中在摩擦界面的热量沿金属丝的轴向传导和散失，从而减小了传统聚氨酯水润滑材料摩擦界面间的热聚集；而相比于均匀粗细金属丝填充的复合材料，通过调控金属丝在层间的梯度变化，可以实现金属填充复合材料热传导效率的提升。因此，本发明金属丝填充的水润滑轴承功能梯度材料，可以促进摩擦界面产生的热量沿金属丝轴承传导，并有效提升其热传导效率，有利于缓解轴和轴承材料界面由于局部温度急剧上升而造成的磨损破坏。试验结果证明功能梯度材料有效提升了水润滑轴承的热传导效率。

这说明本发明功能梯度材料运用于水润滑轴承能显著提升摩擦副的摩擦性能，降低摩擦副的磨损，延长水润滑轴承的使用寿命，提升推进***的可靠性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明创造不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明创造的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明创造。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明创造的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明创造内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种用于苛刻工况环境下水润滑轴承的功能梯度内衬，其特征在于：包括高分子材料内衬基体和埋设于高分子材料内衬基体内具有导热功能的异质丝状填充材料，所述异质丝状填充材料径向设置分布在内衬四周形成功能梯度内衬；

所述异质丝状填充材料为在摩擦界面具备一定润滑性能的金属丝材或者碳纤维材料；所述异质丝状填充材料在径向为直径大小渐变材料；从内衬的径向向外，异质丝状填充材料的直径变大。

2.根据权利要求1所述用于苛刻工况环境下水润滑轴承的功能梯度内衬，其特征在于：所述高分子材料内衬基体的材料为聚氨酯、超高分子量聚乙烯、聚醚醚酮及聚四氟乙烯中任意一种或者几种。

3.根据权利要求1所述用于苛刻工况环境下水润滑轴承的功能梯度内衬，其特征在于：所述金属丝材为铜、铝、银及铟中的任意一种或者几种丝材。

4.根据权利要求1所述用于苛刻工况环境下水润滑轴承的功能梯度内衬，其特征在于：所述异质丝状填充材料最小端的直径为0.1-0.4mm。

5.一种用于苛刻工况环境下水润滑轴承的功能梯度内衬的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将异质丝状填充材料通过固定装置在模具内按照径向方向布置，并施加一定的预紧力得到定向布置的丝状填充材料；所述异质丝状填充材料为在摩擦界面具备一定润滑性能的金属丝材或者碳纤维材料；所述异质丝状填充材料在径向为直径大小渐变材料；从内衬的径向向外，异质丝状填充材料的直径变大；

步骤2、将改性添加剂加入到基体高分子材料中，得到改性基体材料；

步骤3、将步骤2中得到的改性基体材料添加到步骤1中布置有定向分布丝状填充材料的模具中，并充分混合，通过浇注、热压或烧结使其相结合，自然冷却后得到功能梯度内衬。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：改性添加剂为石墨、二硫化钼、石蜡、聚乙烯蜡中的任意一种或者几种。

7.一种用于苛刻工况环境下的水润滑轴承，其特征在于：包括外衬套和装配在外衬套内权利要求1-4任意一项所述的功能梯度内衬。

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