李凱

(西安開放大學(xué)，陜西西安 710048)

1 引言

柴油機是船舶動力推進的重要裝置，柴油機主軸承肩負著傳輸動力的重要使命[1]。一般來說，柴油機主軸承為滑動軸承，要求承載能力大，潤滑性能好。實際工作中，由于潤滑油中水分浸入及滾動摩擦顆粒的污染，往往會造成柴油機主軸承嚴重磨損甚至出現(xiàn)抱軸，從而影響船舶正常運行。因此，對基于潤滑油浸潤的船舶主軸承摩擦副磨損狀態(tài)的研究就顯得十分有意義。

2 主軸承摩擦副故障

2.1 主軸承摩擦副磨損

近年來我國對海洋探索不斷發(fā)力，其中因主軸承潤滑不良而造成的機器故障和軸承失效約占到柴油機故障的80%以上，根據(jù)美國麻省理工大學(xué)的研究分析，造成軸承故障的原因中：固體顆粒入侵占21%，潤滑油不足、潤滑油污染占62%[2]。

理論上柴油機主軸承是在密閉潤滑油液的浸潤空間中旋轉(zhuǎn)工作，而實際上，潤滑油中混入了大量的水分，從而造成主軸承摩擦副潤滑不良，出現(xiàn)潤滑油液乳化，進而造成硬質(zhì)顆粒摩擦脫落，出現(xiàn)嚴重磨損、抱軸等。

2.2 潤滑油水污染的影響

實驗表明，水污染是造成潤滑油失效的重要原因，水污染會降低潤滑油的粘度，在軸承的高速運轉(zhuǎn)中，由于高溫效應(yīng)，水中分解出的氧會造成鐵基顆粒的氧化和氣蝕，致使軸承表面出現(xiàn)銹點，油液出現(xiàn)銹紅色[3]。

當(dāng)水分進入潤滑油后，還會使軸承負載明顯降低，振動增加[4]。致使軸承及軸瓦與介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)腐蝕顆粒。高速旋轉(zhuǎn)中，還會造成軸承與軸瓦的沖擊碰撞，嚴重時將會產(chǎn)生極大的安全事故[5]。

3 潤滑油磨粒分析

理論上直接對船舶柴油機主軸承在線監(jiān)測是控制軸承摩擦磨損的最優(yōu)方式，然而柴油機的一體化制造及浸潤油膜的微間隙潤滑，是造成無法直接進行信號采集的重要原因[6]。因此，對船舶柴油機主軸承的磨損監(jiān)測主要是通過對潤滑油液的檢測完成的。根據(jù)潤滑油中水分、元素含量、金屬磨粒等程度來判斷主軸承的磨損程度[7]。

3.1 磨損分類

在滾動過程中，由于初始摩擦副峰值點遠大于潤滑油的油膜厚度，致使兩峰點直接接觸，因為接觸面積極小，接觸力將遠大于材料屈服極限，因此會發(fā)生粘著磨損，造成磨屑脫落。隨著接觸面不斷增加，外界顆粒和摩擦副自身的高低不平，會造成磨料磨損，致使在磨粒作用下，金屬表面產(chǎn)生疲勞磨損。隨著裂紋的不斷擴大，疲勞磨損會導(dǎo)致裂紋增大，甚至產(chǎn)生顆粒剝落。在整個摩擦過程中，還會伴生外界水污染帶來的氧化磨損及腐蝕磨損，嚴重時還將對摩擦副造成沖蝕磨損[8]。

3.2 磨損計算

磨粒覆蓋面積比率：

Si：普片上第i個采樣點的覆蓋面積

Lx：采樣圖片長度

Ly：采樣圖片寬度

總磨損量Q

DL：大磨粒光密度相對值

DS：小磨粒光密度相對值

磨損烈度：

其中磨損烈度主要反映大磨粒的濃度變化，不反映腐蝕磨損的程度。

由于

因此，磨損烈度單獨作為磨損質(zhì)量參數(shù)的衡量指標并不正確。

4 主軸承磨損試驗及結(jié)果分析

本實驗采用MPX-2000銷—盤式摩擦磨損試驗機來模擬船舶柴油機主軸承和軸瓦接觸摩擦的工況。為獲知不同情況下主軸承的磨損的情況，實驗中采用了不同污染程度的潤滑液。

4.1 實驗條件

通常摩擦副表面形貌將直接反應(yīng)接觸面的磨損行為，因此可以用來作為判定摩擦、磨損機理的直接依據(jù)。

為更加真實的進行實驗?zāi)M，軸頸材料選擇硬度較大的45 鋼，軸瓦選材料擇錫基合金(ZSnSb11Cu6)，實驗中將45鋼制備為盤試樣φ70mm×20mm；錫基合金制備為銷試樣φ10mm×40mm。

表1 盤實驗材料化學(xué)成分

表2 銷試樣錫基合金化學(xué)成分

表3 150N潤滑油參數(shù)

4.2 實驗參數(shù)設(shè)計

表4 實驗參數(shù)

實驗共計設(shè)計五組，分別對應(yīng)潤滑油中未混入水、混入極少量水、中量水、大量水、極多水五種工況。為保證實驗數(shù)據(jù)的可比性，五組實驗的額定載荷均為500N；額定轉(zhuǎn)速300r/m。

軸承比壓：

工作轉(zhuǎn)速：

其中，銷試樣在盤試樣上相對軸心的滑動直徑是50mm。

實驗操作：

①調(diào)整砝碼桿至500N；

②倒入事先配置好的潤滑油；

③觀察摩擦系數(shù)曲線，在曲線穩(wěn)定之后取出第一次油樣；

④在摩擦穩(wěn)定階段，每隔兩小時取一次油樣；

⑤當(dāng)摩擦系數(shù)曲線開始大幅變化后的1 小時，取最后一次油樣；

⑥以上油樣各取三次，計算其平均值。

4.3 實驗數(shù)據(jù)

在整個實驗過程中，由于軸瓦硬度小于主軸承45 鋼硬度，因此，錫基合金的磨損量遠大于主軸承材料，也即實驗針對錫基合金的磨損情況進行分析。光譜分析儀能夠根據(jù)原子所具有的獨特譜線檢測物質(zhì)中不同元素的種類及濃度。采集后的五組油樣通過光譜分析儀，選取Sn、Cu、Fe三種元素的光譜分析值作為參考量，每次測量均取3次濃度平均值。

4.4 實驗結(jié)果分析

圖1、圖2、圖3分別對應(yīng)五組實驗中錫基合金Sn、Cu、Fe的磨損狀況，從三張圖中可以明顯看出初始摩擦、正常摩擦及劇烈摩擦的全過程。隨著潤滑液浸入水量的逐漸增加，金屬元素的增長率有所不同，潤滑油的磨損性能也變得越來越差。

圖1 Sn濃度曲線

圖2 Cu濃度曲線

圖3 Fe濃度曲線

表5 實驗數(shù)據(jù)

圖1可以看出，初始摩擦階段，實驗2 與實驗1 在4 小時前表現(xiàn)幾乎相同，由此說明極少量水對潤滑影響并不大，甚至?xí)纬闪己媚Σ?。各組實驗中Sn各曲線都有一段劇烈增加的過程，其主要表現(xiàn)為初始磨合中，零件表面的突峰被壓平、破碎，使Sn 元素大量進入油液。隨著時間的推移，摩擦副進入相對穩(wěn)定狀態(tài)，油液中Sn濃度增加相對減緩，進入劇烈磨損期后，油液氧化、雜質(zhì)、磨粒剝落會使?jié)櫥托阅苓M一步下降，各金屬元素含量顯著增加。

由圖1還可以看出，14小時時，Sn最大濃度出現(xiàn)在0.5%水分浸入的潤滑油中，而含水量更高的4 組和5 組，其Sn 濃度反而更小。這是因為光譜分析中，對大顆粒的測定不敏感，4組和5組已經(jīng)出現(xiàn)了顆粒剝落。

圖1表明，隨著含水量的增加，在接近劇烈摩擦階段后，水污染將對主軸承磨損起主導(dǎo)作用。實驗1與實驗2的正常磨損可以延后至14 小時，實驗3 在12 小時后基本進入劇烈摩擦階段。實驗4與實驗5在10小時后即進入劇烈磨損，出現(xiàn)顆粒脫落。

圖2、圖3的表現(xiàn)與圖1大致相同，整個磨損階段均表現(xiàn)為元素含量先劇烈增加，而后出現(xiàn)緩慢增長，過了劇烈磨損階段，元素曲線又表現(xiàn)為劇烈增長。由此說明，隨著水污染的持續(xù)增加，潤滑油不僅僅表現(xiàn)為水污染影響，同時還包括細碎磨粒的作用，具體表現(xiàn)為微觀油膜破裂，致使磨粒與船舶主軸承發(fā)生金屬的劃傷及切削。

對比觀察五組實驗下，潤滑油的顏色還可以發(fā)現(xiàn)，從純潤滑油到含水量1.5%的潤滑油，其顏色逐漸呈現(xiàn)銹紅色。主要原因在于隨著含水量的增加，軸承高速旋轉(zhuǎn)下，高溫會造成水中的氧析出發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成FE2O3 及FE3O4 的多晶團金屬氧化物或磨粒，致使?jié)櫥阅苓M一步下降。

隨著摩擦旋轉(zhuǎn)持續(xù)，摩擦副表面氧化層不斷脫落形成新的氧化層并依次循環(huán)。環(huán)潤滑油逐漸渾濁，繼而使主軸承摩擦副因過分疲勞產(chǎn)生顆粒剝落，造成潤滑油液體介質(zhì)的沖蝕磨損。

對比五組試樣的外觀形貌，也可以發(fā)現(xiàn)隨著水污染的增加，金屬表面劃痕逐漸密集、加深，甚至出現(xiàn)的嚴重的劃痕溝槽。

5 結(jié)束語

船舶主軸承潤滑油浸水后，隨著水量的增大，主軸承與軸瓦之間無法形成良好的潤滑效果。特別是潤滑油膜，水量越大耐磨損性能越差，油膜會隨著水量的增加無法形成包被覆膜，導(dǎo)致油膜破裂，使主軸承軸頸與軸瓦直接接觸加速磨損，甚至直接在接觸面發(fā)生剝落的顆粒磨損，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，嚴重影響船舶質(zhì)量。

初期磨損中，因潤滑膜未能充分包裹，摩擦副磨損比較劇烈。正常磨損期內(nèi)，水污染的增加會造成劇烈磨損提前，隨著浸入水分的增加，實驗4 實驗5 中出現(xiàn)了紅色氧化物。在劇烈磨損階段，實驗1 可觀察到金屬表面出現(xiàn)摩擦劃痕，實驗4 實驗5 可以觀察到嚴重的滑動磨粒，金屬表面出現(xiàn)嚴重的切削劃痕，還出現(xiàn)了腐蝕磨損。