一種具有高承載力及自潤滑性的水潤滑軸承的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有高承載力及自潤滑性的水潤滑軸承。水潤滑軸承由合成聚氨酯、固體潤滑劑和纖維增強劑組成。軸承微觀組織呈現(xiàn)均質(zhì)結(jié)構(gòu)，硬度為ShoreD55～65，壓縮彈性模量為600MPa以上，干摩擦系數(shù)≤0.20，在水環(huán)境下，當線速度=0.05m/s時，摩擦系數(shù)（水）≤0.25；當線速度＞0.5m/s時，摩擦系數(shù)（水）≤0.03，可以滿足徑向載荷為5～70MPa的使用要求。當軸承處于缺水環(huán)境時，可以表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑和耐磨損性能，具有防止噪聲發(fā)生及軸承咬合等作用，可以廣泛應(yīng)用于水下推進器電機驅(qū)動、螺旋漿艉軸承、舵軸承和水泵等旋轉(zhuǎn)或搖擺等滑動部位。
【專利說明】一種具有高承載力及自潤滑性的水潤滑軸承
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有高承載和自潤滑性能的水潤滑軸承，特別涉及一種在具有高承載和水潤滑性能的同時，當軸承處于缺水環(huán)境時，表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑和耐磨損性能。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，人們逐漸認識到保護環(huán)境、節(jié)約能源對人類的可持續(xù)發(fā)展的重大意義，因此開發(fā)新型節(jié)能無污染產(chǎn)品的呼聲越來越高。水潤滑軸承以水為潤滑和工作介質(zhì)，可以減少以油為潤滑介質(zhì)的傳統(tǒng)軸承對環(huán)境的污染，節(jié)約大量油料。另外，水具有無污染、來源廣泛、安全性和難燃性等優(yōu)點，若用水來代替油作為潤滑介質(zhì)，將會為傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)帶來前所未有的革命，水潤滑軸承結(jié)構(gòu)與材料也因此成為世界各國機械設(shè)計與材料研究者所關(guān)注的對象。根據(jù)我國船檢部門調(diào)查報告顯示，船舶工業(yè)中使用油潤滑艉軸承的中型船只，每年平均從艉軸承中泄漏的潤滑油高達312噸。這表明，僅潤滑油泄漏就會造成嚴重的水資源污染。因此通過優(yōu)化水潤滑軸承的結(jié)構(gòu)與材料，可以提高水潤滑軸承的潤滑性和承載能力，大幅度減少或降低摩擦副的摩擦、磨損、振動、噪聲等關(guān)鍵問題，為船舶工業(yè)、水輪機、水泵等工業(yè)的技術(shù)改造和更新?lián)Q代創(chuàng)造必要的配套裝備條件。
[0003]隨著船舶工業(yè)艉系、舵系和水下推進器等高端工業(yè)領(lǐng)域?qū)λ疂櫥S承高承載能力和自潤滑、耐磨損性能要求的日益提升，近年來研究者大量開展了軸承結(jié)構(gòu)與軸承材料方面的研究工作。中國專利CN101334069A涉及了一種水潤滑橡膠合金軸承，主要包括水潤滑橡膠合金襯套和軸承外圈，水潤滑橡膠合金襯套通過模壓硫化粘結(jié)的軸承外圈的內(nèi)圓周，顯著提高了軸承的承載能力，具有良好的泥沙、雜質(zhì)排泄能力，比同類軸承的使用壽命長3倍以上。同樣，中國專利CN102003464A涉及了一種水潤滑軸承，包括金屬基體、軸瓦、水槽，主要特征是在金屬基體的內(nèi)表面上硫化橡膠軸瓦，并在軸瓦表面開有水槽，水槽可以起到散熱作用，并且在水潤滑條件下，可將軸承中的雜質(zhì)去掉，不僅可以提高軸承的承載力，還可以提高其抗磨損能力。此類軸承雖然具有良好的抗承載能力，可是由于采用橡膠作為摩擦副材料，當軸承在缺水工 況環(huán)境下軸承材料的摩擦系數(shù)較高，導(dǎo)致摩擦溫升顯著，從而使得軸承在低速運行或缺水環(huán)境下會發(fā)生明顯的噪聲振動現(xiàn)象。中國專利CN102011796A涉及了一種船用自調(diào)心球面滑動水潤滑艉軸承，具有調(diào)整軸承的艉軸承和艉軸的同軸度功能，可使軸承承受較大的徑向力，可有效避免邊緣效應(yīng)，使得壓力峰值下降，總體分布趨于均勻。此類軸承在結(jié)構(gòu)上有效降低了軸承在缺水環(huán)境下導(dǎo)致的振動現(xiàn)象，可是專利中并未考慮軸承材料對軸承結(jié)構(gòu)的影響。
[0004]以上發(fā)明可以看出，軸承所采用的材料是保證高性能水潤滑軸承的重要前提。隨著水潤滑軸承材料的廣泛研究，從最初采用的鐵犁木至現(xiàn)有采用的天然橡膠和合成橡膠，主要目的均是選擇與設(shè)計和水具有良好匹配性，并且在水中具有優(yōu)異潤滑性能的軸承材料，但是當軸承處于缺水或低速條件，摩擦副間隙無法形成充足的水膜，從而導(dǎo)致彈流潤滑無法形成。中國專利CN1098877C涉及了一種艦船艉軸承用高分子材料，是由已內(nèi)酰胺單體，長鏈活化劑和氫氧化鈉、晶核試劑以及油化合物組成，經(jīng)陰離子引發(fā)聚合形成的澆鑄型尼龍材料，此類材料的優(yōu)點是可以方便成型水潤滑軸承，并且材料具有較高的抗壓縮性能，但是由于在技術(shù)實施過程中，由于添加的油化合物不能均勻的分散在材料內(nèi)部，使得軸承材料在機械加工后，軸承在干摩擦條件下仍然表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)。CN1233692C和CN101509519B也涉及了此類澆鑄尼龍材料作為水潤滑軸承材料。尼龍雖然具有良好的耐磨損性能，但是在低速缺水環(huán)境下仍表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)，同時聚酰胺具有較高的吸水率，因此軸承會在長期水中浸泡后導(dǎo)致尺寸增大，會嚴重影響摩擦副的配合間隙，若在裝配初期預(yù)留間隙，會導(dǎo)致在軸承初始運動過程中由于間隙過大，產(chǎn)生軸承的振動和徑向力的不穩(wěn)定，嚴重影響軸承的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種具有高承載力及自潤滑性的水潤滑軸承。
[0006]本發(fā)明的水潤滑軸承由合成聚氨酯、固體潤滑劑和纖維增強劑組成。
[0007]—種具有高承載力及自潤滑性的水潤滑軸承，其特征在于該軸承通過以下步驟來制備:
A.預(yù)聚體的制備:在具有密封結(jié)構(gòu)的不銹鋼反應(yīng)器或玻璃反應(yīng)器中將聚醚多元醇加熱至100-110°C，進行真空脫水，真空度為0.07-0.09MPa，脫水時間為3~5小時，保證水含量低于0.05%以下；將脫水后的聚醚多元醇冷卻至40~60°C，然后緩慢加入二異氰酸酯，在氮氣環(huán)境下攪拌反應(yīng)開始自然升溫，待反應(yīng)0.5~I小時后，緩慢加熱至80°C ±5°C，保溫反應(yīng)2~4小時，進行真空脫除氣泡，然后加入聚二甲基硅氧烷(PDMS)，攪拌反應(yīng)，獲得預(yù)聚體；所述的二異氰酸酯是2，4-甲苯二異氰酸酯(TDI)，組成聚氨酯的硬段；所述的聚醚多元醇是聚四氫呋喃(PTMG)多元醇·和四氫呋喃-環(huán)氧乙烷-環(huán)氧丙烷共聚醚(PTMG-PO)中的一種，其分子量為800~5000，組成聚氨酯的軟段；所述的聚二甲基硅氧烷是指通過羥基或氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其分子量為500-5000 ；
B.預(yù)聚體改性:稱取上步反應(yīng)獲得的初預(yù)聚體進行加熱，控制溫度為60~80°C，攪拌后真空脫除氣泡，持續(xù)60-120min ;待氣泡脫除完全后，添加固體潤滑劑和纖維增強劑，繼續(xù)攪拌并且真空脫除氣泡，獲得所需要的改性預(yù)聚體；所述的固體潤滑劑是聚四氟乙烯和石墨的混合物；所述的纖維增強劑是玻璃纖維或芳綸纖維；
C.澆注:將作為擴鏈劑的有機二元胺進行加熱熔融，緩慢加入上述脫除氣泡的改性預(yù)聚體中，快速攪拌混合后，立即澆注至95-105°C的模具中；所述的模具是指成型整體軸承或內(nèi)襯鋼管復(fù)合的圓形模具，或澆注成型整體平板或復(fù)合鋼襯板的矩形模具；所述的有機二兀胺是指4，4’ - 二氨基_3，3’ - 二氯二苯甲燒(MOCA)或2，4- 二胺基_3，5- 二甲硫基甲苯(DMTDA)中的一種；
D.擴鏈反應(yīng):將澆注后的軸承材料在烘箱中進行后續(xù)擴鏈反應(yīng)，反應(yīng)時間為16-20小時，擴鏈反應(yīng)溫度為100-120°C，取出脫模，得到具有高承載力及自潤滑性的水潤滑軸承材料。
[0008]在上述步驟A中，所述的二異氰酸酯與聚醚多元醇的摩爾比為5:1至1:1。
[0009]在上述步驟A中，所述的二異氰酸酯與聚二甲基硅氧烷的摩爾比為100:5至100:20。[0010]在上述步驟B中，所述的固體潤滑劑是聚四氟乙烯和石墨的混合物，通過機械混合機將其混合均勻，粒徑均小于10 μ m,最佳的粒徑為2-5 μ m，可以有效地降低軸承材料在缺水環(huán)境下的摩擦系數(shù)。
[0011]在上述步驟B中，所述的纖維增強劑是玻璃纖維或芳綸纖維的一種，其粒徑小于30 μ m,最佳的粒徑為10-20 μ m，可以有效地提高軸承材料在缺水環(huán)境下的耐磨性。
[0012]在上述步驟B中，以重量含量計，預(yù)聚體70~95%，聚四氟乙烯2~15%，石墨
0.2~5%，增強劑0.5~10%ο [0013]在上述步驟C中，所述的有機二元胺的用量是步驟A中得到的預(yù)聚體重量的20%至 45%ο
[0014]本發(fā)明所涉及的水潤滑軸承，可以是整體套筒狀或平板狀。對于直徑較小的水潤滑軸承，其結(jié)構(gòu)是套筒狀，軸承長度為軸承內(nèi)徑的1.5~2.5倍。對于直徑較大的水潤滑軸承是平板狀，通過在軸承座孔中進行對稱拼裝，組成水潤滑軸承。當徑向負荷為20MPa以下時，采用直接澆注成整體的套筒狀或平板狀；當徑向負荷為20MPa以上，采用以鋼襯復(fù)合的形式燒注成整體的套筒狀或平板狀。
[0015]本發(fā)明涉及的水潤滑軸承材料，微觀組織呈現(xiàn)均質(zhì)結(jié)構(gòu),硬度為ShoreD55~65，壓縮彈性模量為600MPa以上，干摩擦系數(shù)≤0.20，在水環(huán)境下，當線速度=0.05m/s時，摩擦系數(shù)(水)^ 0.25 ;當線速度> 0.5m/s時，摩擦系數(shù)(水)^ 0.03，可以滿足徑向載荷為5-70MPa的使用要求。
[0016]本發(fā)明涉及的水潤滑軸承，對于徑向載荷小于20MPa的軸承結(jié)構(gòu)，采用所整體澆注成型，如圖1所示。對于徑向載荷大于20MPa的軸承結(jié)構(gòu)，采用與金屬進行復(fù)合成型，如圖2所示。
[0017]本發(fā)明涉及的水潤滑軸承，對于軸承內(nèi)徑小于250mm的軸承結(jié)構(gòu)，采用整體澆注成型所需要的軸承厚度，水槽由機械加工而成，如圖1所示。對于軸承內(nèi)徑為250mm以上的軸承結(jié)構(gòu)，采用澆注成型成襯板，鑲嵌至軸承座孔中，如圖3所示。
[0018]本發(fā)明涉及的水潤滑軸承，可以根據(jù)實際軸承的轉(zhuǎn)速以及水流通量選擇不同的水槽結(jié)構(gòu)。對于轉(zhuǎn)速較低及水流通量較小的軸承，其水槽結(jié)構(gòu)為直形，如圖4所示。對于轉(zhuǎn)速較高及水流通量較大的軸承，其水槽結(jié)構(gòu)為半圓形，如圖5所示。
[0019]本發(fā)明涉及的水潤滑軸承，當軸承處于缺水環(huán)境時，可以表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑和耐磨損性能，具有防止噪聲發(fā)生及軸承咬合等作用，可以廣泛應(yīng)用于水下推進器電機驅(qū)動、螺旋漿艉軸承、舵軸承和水泵等旋轉(zhuǎn)或搖擺等滑動部位。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為整體澆注的水潤滑軸承截面示意圖。
[0021]圖2為與金屬復(fù)合成型的水潤滑軸承截面示意圖。
[0022]圖3為鑲嵌至座孔中的澆注成型復(fù)合襯板組成的水潤滑軸承示意圖。
[0023]圖4為直形水槽的軸承結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5為半圓形水槽的軸承結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中所示，a為本發(fā)明所涉及的水潤滑軸承材料，b為水槽，c為鋼襯?！揪唧w實施方式】
[0026]實施例1
在密封反應(yīng)器中將2000g聚四氫呋喃(PTMG，分子量2000)多元醇加熱至100°C，真空度為0.08MPa,進行真空脫水3小時，控制水含量低于0.05%。將脫水后的PTMG冷卻至60°C，然后緩慢加入350g的2，4-甲苯二異氰酸酯(TDI)，在氮氣環(huán)境下攪拌，并且開始升溫至80°C ±5°C，保溫反應(yīng)2小時，進行真空脫除氣泡，然后加入120g的氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS，分子量1000)，攪拌反應(yīng)，控制預(yù)聚體的溫度為65°C，攪拌脫除氣泡，大約持續(xù)90min ;待氣泡脫除完全后，添加130g聚四氟乙烯，50g石墨，以及200g玻璃纖維，繼續(xù)攪拌并且真空脫除氣泡，將680g4，4’ - 二氨基-3，3’ - 二氯二苯甲烷(MOCA)進行加熱熔融，緩慢加入脫除氣泡的合成聚氨酯基體中，快速攪拌混合后，立即澆注至100°C的模具中，在100°C的烘箱中進行后進行擴鏈反應(yīng)16-20小時，取出脫模。
[0027]實施例2
在密封反應(yīng)器中將2000g四氫呋喃-環(huán)氧乙烷-環(huán)氧丙烷共聚醚(PTMG-P0，分子量2000)加熱至100°C，真空度為0.08MPa，進行真空脫水3小時，控制水含量低于0.05%。將脫水后的PTMG-PO冷卻至60°C，然后緩慢加入260g的2，4-甲苯二異氰酸酯(TDI )，在氮氣環(huán)境下攪拌，并且開始升溫至80°C ±5°C，保溫反應(yīng)2小時，進行真空脫除氣泡，然后加入ISOg的羥基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS，分子量1000)，攪拌反應(yīng)，控制預(yù)聚體的溫度為65°C，開啟攪拌，脫除氣泡，大約持續(xù)90min ;待氣泡脫除完全后，添加360g聚四氟乙烯，25g石墨，以及30g玻璃纖維，繼續(xù)攪拌并且真空脫除氣泡，將700g4，4’ - 二氨基-3，3’ - 二氯二苯甲烷(MOCA)進行加熱熔融，緩慢加入完畢后，快速攪拌混合，立即澆注至100°C的模具中，在100°C的烘箱 中進行擴鏈反應(yīng)6-20小時，取出脫模。
[0028]實施例3
在密封反應(yīng)器中將2000g聚聚四氫呋喃多元醇(PTMG，分子量2000)加熱至100°C，真空度為0.08MPa,進行真空脫水3小時，控制水含量低于0.05%。將脫水后的PTMG冷卻至60°C，然后緩慢加入260g的二苯基甲烷-4，4' -二異氰酸酯(MDI)，在氮氣環(huán)境下攪拌，并且開始升溫至80°C ±5°C，保溫反應(yīng)2小時，進行真空脫除氣泡，然后加入180g氨基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS，分子量1000)，攪拌反應(yīng)，控制預(yù)聚體的溫度為65°C，攪拌狀態(tài)下脫除氣泡，大約持續(xù)90min ;待氣泡脫除完全后，添加360g聚四氟乙烯，100g石墨，以及200g芳綸纖維，繼續(xù)攪拌并且真空脫除氣泡，將550g2，4- 二胺基-3，5- 二甲硫基甲苯(DMTDA)進行加熱熔融，緩慢加入，快速攪拌混合后，立即澆注至1000C的模具中，在100°C的烘箱中進行擴鏈反應(yīng)16-20小時，取出脫模。
【權(quán)利要求】
1.一種具有高承載力及自潤滑性的水潤滑軸承，其特征在于該軸承通過以下步驟來制備: A.預(yù)聚體的制備:在具有密封結(jié)構(gòu)的不銹鋼反應(yīng)器或玻璃反應(yīng)器中將聚醚多元醇加熱至100-110°C，進行真空脫水，真空度為0.07-0.09MPa，脫水時間為3~5小時，保證水含量低于0.05%以下；將脫水后的聚醚多元醇冷卻至40~60°C，然后緩慢加入二異氰酸酯，在氮氣環(huán)境下攪拌反應(yīng)開始自然升溫，待反應(yīng)0.5~I小時后，緩慢加熱至80°C ±5°C，保溫反應(yīng)2~4小時，進行真空脫除氣泡，然后加入聚二甲基硅氧烷，攪拌反應(yīng)，獲得預(yù)聚體；所述的二異氰酸酯是2，4-甲苯二異氰酸酯，組成聚氨酯的硬段；所述的聚醚多元醇是聚四氫呋喃多元醇和四氫呋喃-環(huán)氧乙烷-環(huán)氧丙烷共聚醚中的一種，其分子量為800~5000，組成聚氨酯的軟段；所述的聚二甲基硅氧烷是指通過羥基或氨基封端的聚二甲基硅氧烷，其分子量為500-5000 ； B.預(yù)聚體改性:稱取上步反應(yīng)獲得的初預(yù)聚體進行加熱，控制溫度為60~80°C，攪拌后真空脫除氣泡，持續(xù)60-120min ;待氣泡脫除完全后，添加固體潤滑劑和纖維增強劑，繼續(xù)攪拌并且真空脫除氣泡，獲得所需要的改性預(yù)聚體；所述的固體潤滑劑是聚四氟乙烯和石墨的混合物；所述的纖維增強劑是玻璃纖維或芳綸纖維； C.澆注:將作為擴鏈劑的有機二元胺進行加熱熔融，緩慢加入上述脫除氣泡的改性預(yù)聚體中，快速攪拌混合后，立即澆注至95-105°C的模具中；所述的模具是指成型整體軸承或內(nèi)襯鋼管復(fù)合的圓形模具，或澆注成型整體平板或復(fù)合鋼襯板的矩形模具；所述的有機二元胺是指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種； D.擴鏈反應(yīng):將澆注 后的軸承材料在烘箱中進行后續(xù)擴鏈反應(yīng)，反應(yīng)時間為16-20小時，擴鏈反應(yīng)溫度為100-120°C，取出脫模，得到具有高承載力及自潤滑性的水潤滑軸承材料。
2.如權(quán)利要求1所述的的水潤滑軸承，其特征在于二異氰酸酯與聚醚多元醇的摩爾比為 5:1 至 1:1。
3.如權(quán)利要求1所述的的水潤滑軸承，其特征在于二異氰酸酯與聚二甲基硅氧烷的摩爾比為100:5至100:20。
4.如權(quán)利要求1所述的的水潤滑軸承，其特征在于所述的固體潤滑劑是聚四氟乙烯和石墨的混合物，通過機械混合機將其混合均勻，粒徑均小于10 μ m。
5.如權(quán)利要求1所述的的水潤滑軸承，其特征在于所述的纖維增強劑是玻璃纖維或芳綸纖維的一種，其粒徑小于30 μ m。
6.如權(quán)利要求1所述的的水潤滑軸承,其特征在于以重量含量計,預(yù)聚體70~95%，聚四氟乙烯2~15%，石墨0.2~5%，增強劑0.5~10%。
7.如權(quán)利要求1所述的的水潤滑軸承，其特征在于所述的有機二元胺的用量是步驟A中得到的預(yù)聚體重量的20%至45%。
【文檔編號】C08G18/10GK103788623SQ201210431208
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月2日
【發(fā)明者】王宏剛, 慕波, 任俊芳, 楊生榮, 王金清, 高貴, 陳生圣 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所