船舶机械摩擦学研究进展

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Advancesin Tribological Research for Ship MachineryWang Xuejun Bai Xiuqin ' Yuan Chengqing ' Yan Xinping '(1.Reliability Engineering Institute，School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology ，Wuhan Hubei 430063，China；2.Key Laboratory of Marine Power Engineering&Technology (Ministry of Communications)，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430063，China)Abstract：Due to the universality of tribology problems among ships an d the growing impoance of materials and energysaving，the tribology research of ship machinery has been greatly developed.Tribology problems of ship machinery mainlyexist in ship power plant.The tribology research progress in ship machinery from the composition of the ship power plantwas discussed and the main direction of the research in the future Was put forward。

Keywords：ship machinery ；tribology ；power plant；auxiliary machinery摩擦磨损是导致船舶机械失效的主要故障模式，是影响船舶安全航行的重要因素。据统计，船舶机械70%左右的失效与内部摩擦磨损有关。因此，研究船舶机械中的摩擦学问题对于减小磨损、增加机械寿命以及保证船舶机械的安全运行具有重要意义。在船舶机械中，动力装置是发生摩擦磨损问题最多的部位。

船舶动力装置主要包括主机、传动设备、支承设备、螺旋桨以及保证船舶正常运转与作业所需的辅助机械设备，其组成示意图见图1。船舶动力装置对船舶营运的可靠性和经济性起着决定性的作用，目前国内外基金项目：霍英东教育基金会高等院校青年教师基金项 目(131051)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 (2012- II-018、 。

收稿日期：2012-11-14作者简介：白秀琴 (1971-)，女，博士，教授，主要研究方向为摩擦学与表面工程、船舶动力系统可靠性与绿色技术 .E。

也多从动力装置的机械部件进行摩擦学的分析并提出改进方法。

船舶机械中的摩擦学问题所涉及的范围十分广泛，主要表现在机械表面之间的滑动、滚动和冲击，机械表面与液体的冲刷以及与空气之间的作用。其中相对表面之间的作用类型包括了机械作用，如应力断裂、塑性变形、疲劳、热应力等，以及物理化学作用 ，如粘附、氧化、腐蚀等。并且由于船舶机械的工作环境比较恶劣，运行工况十分复杂，这对机械的正常运转和船舶的安全航行也具有重要影响。工作环境的特点主要表现在：船舶机械经常处于暴雨、风浪等多变的状况中，容易引起振动和冲击，严重影响其工作可靠性；船舶机械处于温度变化大、湿度变化大、含有盐雾和油雾等腐蚀性气体的环境中，加速了机械的腐蚀；船舶动力装置机械负载高，连续作业时间长，大型远洋船舶常常连续运行数个月，这对船舶动力系统相关运动部件的可靠性有很高的要求。并且，船舶机械设备在正常运转时处于-种高温、高压及振114 润滑与密封 第 38卷动的运行工况中，容易产生不可避免的摩擦磨损而使性能降低，直至失效。因此，腐蚀和摩擦磨损的综合作用是导致船舶机械失效的重要因素。由于这种外部工作环境和内部运行工况的共同影响，就要求船舶机械设备具有较高的可靠性，如耐腐蚀性、耐磨性、抗振性和抗冲击性等等。目前对船舶机械的摩擦学研究已经有了很大的发展，各国学者积极地研究通过对船舶机械设备的状态监测以获取相应信息，分析其运行状态、预测磨损及寿命，有效地保障了船舶机械的安全运行。

图 1 船舶动力装置组成示意图Fig 1 Composition of the marine power plant1 主机中的摩擦学问题主机包括柴油机、汽轮机和燃气轮机，其中柴油机又有不同的类型。对于每-种主机类型，其中包含的摩擦学问题有各 自的特殊性。

当柴油机作为主机时，-般有以下3类：(1)十字头式低速柴油机 (转速在 250 r/min以下)，-般用于远洋油轮、散货轮或航班大客轮中，为二冲程柴油机。与四冲程柴油机相比较，其特殊的摩擦问题体现在：① 十字头滑块和和导板的磨损(影响因素有安装不良、润滑不良、超负荷运转等)；②十字头销颈和曲轴轴颈的磨损 (由于使用中管理不善，如润滑油中含有硬质杂质或酸性物质导致磨粒磨损和腐蚀磨损)；③工作环境更恶劣，活塞环的磨损与腐蚀更大；④烧重油，酸性重，因此酸性腐蚀多。此外，二冲程柴油机的换气机构相对简单，相应的摩擦磨损小，且采用注油润滑的润滑方式，气缸润滑条件更加可靠。

(2)中速柴油机 (转速为 250-1 000 r/min)，- 般用于集装箱船、渡轮和游轮等，为四冲程柴油机。根据其结构特点，存在摩擦的部位主要有：①气门杆与气门杆衬套；②活塞环与气缸套；③活塞销与连杆小头轴承孔、活塞销孔；④曲柄销与连杆大头轴承孔；⑤曲轴主轴颈与主轴承孔；⑥气阀与阀座。

(3)高速柴油机 (转速大于1 000 r/min)，主要用于船上的发电机和作业设备 (如驱动泵的-些柴油机等，绞锚机等)，跟陆上柴油机差别不大。

汽轮机或燃气轮机作为主机-般用于大型民用船舶和军舰上，其基本工作原理大致相同。轴瓦、轴承都是其容易发生异常磨损的部位，这主要是由于安装不良、油品含有杂质 、润滑不 良以及机组振动和过载等因素。并且，汽轮机的汽封和轴封在长期的工作中间隙会发生变化，导致磨损事故 ，影响汽轮机的安全性和经济性。燃气轮机中特殊的摩擦学问题主要在于其关键部件叶片的高温腐蚀，因此要求叶片材料具有很好的耐高温、耐腐蚀等性能。

目前在所有内河及沿海的中小型船舶中，主机都采用柴油机，并且在远洋 民用船舶及2 000 t以上的船舶中，以柴油机作为主机的船舶占总数的98%以上，可见柴油机在船舶动力装置中占据极为重要的地位。目前对柴油机相应摩擦副的摩擦磨损研究已比较普遍和深入。据统计，在主机系统的故障中，活塞、缸套、气阀这些燃烧室周围的部件发生摩擦磨损故障最多，而连杆轴颈、曲柄销轴承以及主轴承的轴瓦磨损及擦伤大多是润滑油管理不当造成的，如缺油、油压低、润滑油混入杂质颗粒等。因此，主机中关键摩擦副的摩擦磨损的研究值得关注。

主机中的活塞环-气缸套摩擦副长期处于高温、高压和强振动的运行工况中，最容易发生摩擦磨损。

引起异常磨损的原因主要是表面加工不良、燃油含有杂质、燃烧不良、润滑油含有杂质、润滑不良以及冷却不良等。其摩擦学问题主要集中在摩擦副之间的摩擦、磨损与胶合以及润滑。目前，国内外解决这些问题主要有以下几个方向 ：(1)开发活塞环、气缸套的新工艺。新工艺的开发使摩擦面的耐磨性显著提高，增加了使用寿命。

我国从2O世纪80年代初就开展了气缸套和缸体的激2013年第4期 王雪君等：船舶机械摩擦学研究进展 115光淬火研究，不仅能有效提高汽缸套的耐磨性，延长其使用寿命，并且在这种优化的工艺条件下，与之匹配的非激光处理活塞环的磨损量也得到了大幅降低。通过分析国内外耐磨技术的耐磨机制，发现很多技术包含了化学和几何的非光滑结构特征。采用仿生非光滑耐磨结构的活塞、缸套，其耐磨性较普通结构有了很大提高。原因是仿生非光滑耐磨结构具有宏观尺寸的机油储存凹槽，加强了机油的储存能力，使形成油膜润滑的条件更加充分，同时也抑制了摩擦的温度升高，因此可以改善润滑条件，减少干摩擦的发生。并且由于非光滑结构存在凹陷处，在燃烧过程中产生的积碳等颗粒-旦挤入活塞缸套摩擦表面，则会被滞留在凹陷处，减少了颗粒物在摩擦表面造成的磨损。

(2)表面处理。为了降低活塞环的摩擦因数和磨损率，延长寿命，活塞环表面处理技术已普遍应用。传统的表面处理工艺有镀铬工艺、镀锡工艺、喷钼工艺、渗氮工艺及镶嵌处理工艺等。为了提高活塞环的整体性能，人们开发了-些新的表面喷涂材料，例如陶瓷材料，它具有较高的硬度和熔点以及热化学稳定性，能有效增加活塞环的耐磨性和耐腐蚀性。

(3)润滑油中加入添加剂。添加剂使摩擦表面更光滑，使其具有表面自修复作用。在润滑油中加入金属陶瓷添加剂、纳米氧化铝等经模拟试验研究表明可减小摩擦阻力、降低摩擦因数。

(4)有效管理和维护。日常的管理和维护对于摩擦副的寿命有很大影响，如燃油的选择和燃烧的管理、润滑油的选择和保证良好润滑条件、冷却水的管理以及主机运行时的管理和日常维护保养都可避免气缸套的过度磨损。

气阀由于材料性能不足、冷却不良以及高负荷运行等原因，也是容易发生摩擦磨损的部位。通过气阀锥面涂层技术以及改善阀与阀座的润滑条件，可以避免气阀的过度磨损。例如陕西柴油机厂工艺研究所王宝琴等 通过气阀阀面堆焊镍基合金，提高了柴油机进气阀的抗腐蚀性和耐磨性；另外，对于改善阀与阀座的润滑条件，国内早期就已研究出设置机油喷雾装置，其减磨效果显著。

主机中的摩擦磨损问题还存在于凸轮、喷油泵中的摩擦偶件等。例如凸轮的摩擦磨损问题研究集中在改进结构、改进材料、改进工艺和改善润滑等方面。

结构方面，研究表明将凸轮轮廓型线改为非对称的设计，可降低凸轮与摇臂之间接触压力角，改善润滑状态，解决凸轮与摇臂之间早期擦伤问题 。对于凸轮材料的改进，可采用陶瓷材料、高分子材料等。已有研究表明，柴油机凸轮轴应用氮碳共渗工艺可减少凸轮轴磨损。对于改善润滑，除对润滑油要有-定的要求，还须考虑其他的-些因素，如适当工作温度、表面压力不超过其材料的许用应力、合适的润滑件之间的相对速度、润滑件周围环境的相对洁净、不能有污染和掺杂存在等等。喷油泵中的柱塞和套筒、喷油泵中针阀偶件同样会涉及摩擦磨损问题♀决方法主要集中在对材料 的改进、强化处理 以及优化润滑条件。

2 传动元件的摩擦学问题主机发出的功率通过传动元件和轴系传给推进器，以实现船舶推进。不论是采用直接传动还是间接传动，船舶动力装置中的传动元件，包括联轴器、齿轮、推力轴承、艉轴承都会存在摩擦磨损及润滑问题。以艉轴承为例，艉轴承的材料属性对其润滑性能有重要的影响。材料弹性模量越大，轴承刚性越强，使轴承局部压力变大，水膜厚度减小，摩擦因数降低。传统的艉轴承材料-般是贵重金属，用油作为润滑介质 ，同时也造成贵重金属的消耗和润滑油对水域环境的污染问题。随着人们对环境保护的日益重视，并考虑到能源的节约，船舶已经采用了高分子材料水润滑艉轴承。例如橡胶艉轴承就具有弹性较好，能有效地减小振动、噪声和冲击，在水润滑条件下具有很小的摩擦因数，并且有良好的杂质包容性，在船舶传动推进轴系中的应用日益增多。因此，开展水润滑艉轴承的研究对于提高艉轴承的润滑性能，延长使用寿命以及减振降噪具有重要的理论意义和工程应用价值。

以海水作为润滑剂时，其润滑机制与油润滑有很大不同。但海水与水都是低黏度润滑介质，并且海水中纯水占绝大部分，海水的物理性质与纯水较相似，所以海水润滑可以借助利用水润滑已经建立起的理论基带行深入研究。国内外对水润滑轴承已经进行了不少研究，-般着重于水润滑橡胶径向轴承或水润滑塑料径向轴承的摩擦机制、承载机制和润滑机制的-般性研究，或是通过试验手段来获得摩擦磨损数据，进而对水润滑轴承进行研究。重庆大学的王家序等 以含沙量不同的自来水为介质，用 MPV-200型摩擦磨损试验机分别研究了含沙量对水润滑鼎橡胶轴承的摩擦因数和磨损率的影响，得出了鼎橡胶轴承在不同水质下的摩擦学特性，并对作用机制进行了系统的分析，为水润滑橡胶轴承的实际应用提供理论指导。中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑开放116 润滑与密封 第 38卷研究实验室的王齐华研究员及其合作者 对水润滑条件下聚合物复合材料的耐磨性能进行了研究，研究表明纳米 si N 填充 PEEK复合材料具有良好的摩擦学性能。在水润滑条件下聚合物复合材料的耐磨性能变差 ，在用纳米 si N 填充 PEEK复合材料后 ，发现摩擦性能有所改善，但磨损率却增加了-个数量级。

除了材料属性 ，艉轴承的结构形式也对其润滑性能有着重要的影响。有研究人员就水槽数量 、布置对轴承承载能力、摩擦因数的影响状况进行探讨♂果表明：水槽越宽，轴承的承载能力和摩擦因数就越小；同时，水槽在轴承圆周上的布置方式也是影响轴承性能的重要因素，当有水槽布置在尾轴正下方时，轴承的摩擦 因数和承载能力均呈现下降趋势 。 目前，国内外学者对不同工况下水润滑轴承的摩擦学性能进行了研究与分析，并得出了-系列的有意义的结论 。 。

3 支承元件的摩擦学问题船舶主动力装置的支承元件的摩擦磨损问题主要涉及到齿轮箱和轴承。齿轮箱的摩擦磨损问题包括如何进行良好的润滑和密封。润滑对于齿面的点蚀、磨损、胶合等问题都有十分重要的影响。工业齿轮箱的润滑通常分为浸油润滑和强制式喷油润滑 。对齿轮箱进行-些结构上的改进，可以改善润滑环境，有效减少齿轮箱箱内的齿轮磨损。对于密封问题，要注意设计合理的润滑系统、设置合适的通风罩、设置回油槽孔、采用优质的密封圈和密封剂以及规范装配操作等 。船舶中间轴承是轴系的重要支承部件，轴承必须进行油润滑来减小摩擦磨损。油润滑是相对传统的润滑方式，-般采用黏度较高的黑油作润滑剂，因为它能够在-定的工作转速下建立起液体润滑，所以磨损小，使用寿命较长，摩擦损失小，承载力高。

但是油润滑需要不断地消耗润滑油，而且对密封要求很高 ，-旦密封失效，轴承将很快磨损而损坏，并将污染水域。

4 螺旋桨和舵机的摩擦学问题船舶螺旋桨作为船舶推进装置的重要组成部分，由于其长期浸泡在水中高速运转并受到水的高速冲刷，发生损坏的频率较高，主要故障有弯曲、裂纹、腐蚀、折断等↑年来，随着船舶主机功率的提高和船舶大型化的发展，螺旋桨折断事故亦不断增多，特别是对螺旋桨轴涉及到的摩擦磨损问题越来越引起人们的重视。大连海事大学朱新河等 采用油液监测技术中的光谱分析和铁谱分析技术对船舶油润滑螺旋桨轴的磨损情况进行了监测研究，得到了螺旋桨轴正常状态下主要磨损元素的浓度和主要磨损类型磨粒的显微特征。日本三菱重工、下关船厂、长崎大学等机构的研究人员2007年联合发表了系列文章，分析了铜质螺旋桨轴套的腐蚀性磨损问题，进行了海水与淡水的对比性腐蚀试验，并在实船中运用阴极保护法解决了这-问题 。

由于船体水下机械部位的工作环境因素，螺旋桨和舵容易发生空泡腐蚀。对于螺旋桨可以采取增加桨叶数和螺旋桨工作深度等措施以避免空泡的形成。对于舵，空泡腐蚀主要发生在挂舵臂上部内侧和舵叶下部外侧，特别是具有相对运动的部件，如挂舵臂与舵叶连接处，水平和垂直缝隙处等。上海船舶运输科学研究所的陈建挺 通过观察对舵不同的操作时空泡产生的情况，探讨了降低舵剥蚀的方法，以延长舵的寿命。-般来说，减轻舵剥蚀的措施多从优化舵型等设计方面来考虑，例如使用悬挂舵、舵底部前端加工成圆弧形、选择合适的挂舵臂和舵叶的安装角等等，并结合模型试验结果进行修改。另外还有局部保护法 以及加 装舵 球 或导 流鳍，减 姓 泡 的产生[ - 。

5 其他机械部件的摩擦学问题除了以上提到的主推进动力装置的机械部件外 ，船舶中-些其他的机械设备也涉及到相应的摩擦学问题，例如船舶辅机中的-些重要装置。

船舶辅机包括甲板机械类 ，如舵机 、锚绞机 、吊机等；舱