艉轴承油润滑改为水润滑

船舶艉轴承环保化改造——油润滑方式改为水润滑1开发单位：中科院长春应用化学研究所生产单位：长春安旨科技有限公司研发背景：为解决国家重大战略需求，中国科学院组织了多家科研单位开展了高分子轴承材料的攻关任务。中国科学院长春应用化学研究所（简称：长春应化所）特别成立了高分子轴承材料科研团队，经过不懈努力，解决了材料自润滑粒子温致相变智能释放、高分子材料界面亲水处理、冷冻安装脆裂等技术关键难题，并在竞争中脱颖而出。鉴于轴承材料的优异表现，中科院机关决定由长春应化所最终全权负责高分子轴承材料的研制工作。在项目进行过程中长春应化所先后获得了中国科学院知识创新工程重要方向性项目、国防重点项目、院地合作项目等项目的支持，累计研究经费高达3560余万元。2安高水润滑轴承2领导支持与关怀3船检证书情况已经获得：CCS,ABS,BV,DNV-GL,LRCR（台湾）,KR正在申请：RS，NK4安高材料的微观结构5安高材料物理参数ItemUnitNZ-PNNZ-PXNZ-SMDBLACKNZ-RNStandardShorehardnessShore65D70D92A80AISO7619.1-2004TensilestrengthMPa36383520ISO527.2-2012Elongationatbreak100%2002001000450ISO527.2-2012ImpactstrengthkJ/m2505050-ISO179.1-2000Densityg/cm31.161.161.32ISO1183-1-2004Coefficientofthermalexpansion10-5/℃13.211.716.0ISO175-2010Waterswelling100%1.21.30.8ISO3104-1994ExtremePVvalue(drysliding)MPa·m/s4.646.621.21GB/T3960-1983Wearcoefficient(drysliding)cm3/N·m3.8×10-92.2×10-94.7×10-9GB/T3960-1983FrictioncoefficientDrysliding0.1~0.20.1~0.20.2-0.25GB/T3960-1983Waterlubrication0.045~0.2m/s0.1~0.20.1~0.20.15~0.25GB/T3960-19830.2~1.0m/s0.01~0.10.02~0.10.01~0.15GB/T3960-19831.0~7m/s0.006~0.010.008~0.020.006~0.01GB/T3960-1983T/℃Dry℃-70~118-70~118-20~142Wet(water)℃-15~70-15~70-5~906船舶艉轴承常见润滑方式传统闭式油润滑艉轴承系统主要结构：a.巴氏合金滑动轴承b.前密封装置c.后密封装置d.润滑油供油系统e.艉轴承温度监控7船舶艉轴承常见润滑方式传统闭式油润滑艉轴承系统构成：1.巴氏合金轴承2.艉管前密封（防止润滑液进入机舱舱底）3.艉管后密封（防止润滑液进入水域，防止外部水进入润滑系统）4.润滑系统（油柜、油泵、仪表、阀门、管路、液位自动控制等）8船舶艉轴承常见润滑方式开式水润滑艉轴承系统构成：1.聚酯树脂轴承（成本考虑可选轴承金属外壳或玻璃钢外壳）2.艉管艏密封装置（多种类型可选，常用端面密封形式）3.艉轴轴套或耐磨涂层。4.艉轴及艉管耐腐蚀处理（海水润滑）9船舶艉轴承常见润滑方式闭式油润滑系统的优点和缺点：A.优点1.艉轴承工作于可控的润滑环境：没有泥沙，良好润滑。2.重载低速下容易建立润滑油膜，降低轴承磨损。B.缺点1.后密封装置容易受外力失效，造成润滑油泄露，污染水体。2.白合金轴承承在边缘载荷（螺旋桨运转振动）作用下容易产生塑性变形，造成轴承碎裂。同时破坏密封效果，造成润滑油泄露。3.润滑油在前、后密封处会发生渗漏。4.供油系统复杂，需要更多维护。5.润滑油长时间摩擦，粘度下降。润滑油漏水乳化。更换费用。船东时刻承受艉轴管漏油的风险！以及带来的损失！10船舶艉轴承常见润滑方式传统艉轴承油润滑系统的环保性改造方案：方案一：使用可生物降解润滑油的闭式系统特点：简单、满足最新规范要求、漏油可能性依然存在，密封装置和润滑油仍然需要成本维护、润滑油对生物的危害性？用合成材料代替白合金轴承，紧急情况下可以在短时间内使用低粘度海水/淡水进行润滑。但是对流量有较高要求。缺点：系统结构复杂，造价偏高，维护较复杂，内河对漏油的自清洁能力很差。方案二：闭式水润滑系统特点：水质、水量可控。不存在漏油污染的可能性。润滑系统跟油润滑基本相同，润滑水流量要求高，需要强制润滑。缺点：前、后密封装置润滑冷却效果较差，漏水严重。系统结构复杂。对于海水润滑系统，艉轴需做防腐处理。因为水的粘度较低，轴承重载时难以建立动态水膜，因此轴承压力不能过高。11船舶艉轴承常见润滑方式方案三：开式水润滑系统（对水质没有处理）特点：该系统由高分子轴承、艉轴前密封、艉轴轴套、防腐涂层构成，结构简单，维护方便，无需复杂的润滑油供应系统，完全环保。A.高分子轴承材料的选择水域泥沙含量少（远洋船舶）：NZ-PX，半圈水槽水域泥沙含量较多（近海及内河船舶）：NZ-PX，整圈水槽水域泥沙含量很多：NZ-SMD，整圈水槽常见其它材料的特点：合成橡胶：耐磨粒磨损性能较好，适应轴系振动较好，低速重载易刮擦磨损，难以加工安装，不方便维修更换。没有耐干摩擦能力。酚醛层压板：承压能力强，硬度较高，泥沙对轴承和轴的表面容易刮擦，轴系振动容易加速轴承磨损。聚酰胺材料：价格便宜，耐泥沙和轴系振动能力跟酚醛相似，干磨高温易膨胀抱轴，高温易熔化。高蠕变，过盈安装后容易发生应力松弛聚酯树脂：出色的弹性，恰当的硬度，低速，多泥沙，轴系振动下都可以表现出色的耐磨性。高温难以熔化，水解降低抱轴风险。12船舶艉轴承常见润滑方式用水润滑代替油润滑需注意：1.由于高分子材料与金属材料的耐温能力不同，对润滑剂流量的要求是不同的。水润滑的冷却水流量应不小于0.15x轴径(mm)，升/分钟。2.油的粘度较大，在油润滑条件下，金属轴承的低速接触摩擦系数更低，重载时磨损很低。而高分子轴承水润滑时，应尽量避免长时间低速重载下工作。增大轴径、增加轴承长度可以增加轴承承载面积，降低轴承承压。艉管前轴承长径比L/D不应低于1，靠近螺旋桨轴承长径比L/D为2~4左右。半圈水槽设计可以将轴承承压能力提高约一倍，轴承可以在降低转速下建立动态润滑水膜，从而减小低速下轴承表面的刮擦磨损。水润滑轴承的设计尺寸须经生产厂家计算校核，其承压及工作转速应满足相关工厂标准。半圈水槽设计不利于泥沙的排出，对于内河或近海航行的船舶，由于水质较差，建议润滑水去除泥沙后再提供给半圈水槽轴承使用。对于全水槽轴承，承压不超过0.4MPa，对于半圈水槽轴承，静态承压不超过0.6MPa。3.密封方式：艉管前密封，多种方案可选，适用不同船型，不同工况。4.轴套材料：海水C90500或10-2锡青铜，淡水多泥沙35-40Cr。红装或HVOF喷涂13船舶艉轴承常见润滑方式油润滑与开式水润滑系统的优劣性对比：1.轴承使用寿命油润滑-闭式循环润滑-工况改善-轴承寿命长（10年以上）水润滑-开式非循环润滑-泥沙磨损轴承和轴套-轴承寿命依赖与摩擦副的耐磨性-轴承寿命（好的轴承材料预计5年左右，看泥沙含量和泥沙成分）-采用润滑水净化装置能够大幅提高轴承耐磨寿命至10年以上2.艉轴振动对轴承寿命的影响油润滑：轴承耐冲击振动差，易发生偏磨和碎裂水润滑：聚酯材料弹性好，很好抵抗轴系冲击振动3.环保性油润滑：会发生艉管漏油，环境污染带来各种处罚水润滑：零污染4.系统使用维护油润滑：润滑油的补充和更换，油温、油压和液位的监控水润滑：润滑水流量的监控5.对船舶自重的影响：油润滑系统重量水润滑系统重量14水润滑系统与油润滑系统的应用现状国际大型船舶水润滑艉轴系统应用已经非常成熟、成功案例很多内河环保要求严格，绝大多数内河船舶采用水润滑方式野生大闸蟹、亚洲鲤鱼泛滥事件被频繁公布国内已经有少量大型船舶在使用水润滑系统，主要原因是国际航线和处罚。内河及沿海水质泥沙较多，低成本国产橡胶、进口层压板和国产尼龙类轴承在多泥沙高承压的工况下寿命普遍不高，成本上限制了水润滑系统的应用。各种污染物的排放和过度捕捞造成鱼类等经济资源的匮乏。措施：1.加大污染治理力度、控制污染物的排放。2.野生水产品捕捞的限制和管理。3.中科院安高水润滑轴承使用寿命长，降低船东使用和维护成本。15从油润滑系统改造成水润滑系统新造船：设计时间比较宽裕，多方（轴承厂家+船厂+设计院）联合提供设计方案，交船东和船检认可。据国外统计，水润滑系统造价不超过油润滑系统的80%。旧船改造：设计时间比较紧张，主要步骤如下：1.获取油润滑系统艉管布置图，了解原始结构。获取原船相关轴系计算书，了解轴承工况，包括承压和转速。2.确认实际工况是否满足改造后的水润滑轴承要求。根据航行水域的水质情况，决定采用何种形式的水润滑轴承（NZ-PX全水槽？NZ-PX半水槽?NZ-SMD全水槽？）3.利用AUTOCAD和SOLIDWORKS等软件对水润滑系统进行设计，尽量减少施工量。通常要考虑：轴承座孔的加工、轴套的设计、轴承止动的设计、防腐材料的选择、密封装置的选择等等。4.改造方案经审核批准后，开始相关物资的采购和加工工作。由船厂制定施工计划，按期完工。5.系统组件的安装、调试和验收由生产厂家与船厂配合进行。16安高的不同等级产品NZ-PN（蓝色）用途：船舶螺旋浆轴轴承或类似工况特点：半圈水槽结构设计增加轴承承压能力低转速下容易建立润滑水膜，降低磨损NZ-PX（白色）用途：通用型。可用于船舶艉轴、舵、艉滚筒、水泵等特点：整圈水槽结构设计容易排出泥沙可用于泥沙含量较多的环境中17安高的不同等级产品NZ-RN（黑色）用途：舰船螺旋桨轴轴承特点：出色的耐磨性能和耐温性能NZ-SMD（复合型）用途：水泵、内河船舶、近海船舶、挖泥船特点：外层红色材料硬度较大容易进行加工内层黑色材料非常耐磨粒磨损可用于泥沙含量较多的环境中18安高轴承供货形态1.圆筒毛坯2.板材-板条A.梯形板条B.成型板条3.圆筒成品4.圆筒半成品5.分半型/开口型圆筒成品6.带轴承座的装配体成品/半成品19水润滑滑动轴承知识1.常见的高分子滑动轴承材料：橡胶、尼龙、酚醛树脂、PTFE、UHMWPE等2.高分子滑动轴承的主要应用：a.水泵b.船舶或水下航行器的螺旋桨轴轴承c.舵杆轴承和舵销轴承d.甲板机械、工程机械、潮汐能发电e.水轮机主轴轴承、导叶及连杆轴承设计时需要考虑：工作温度、工作压力、轴的转速、润滑/冷却方式、摩擦副材质等20典型的船舶水润滑艉管总图21艉轴轴承/水泵轴承的一些设计方案22一些水润滑轴承设计的基本知识1.水槽的作用润滑、冷却、排污2.轴承铜套壁厚的确定3.轴套的设计标准4.关于艉管轴承间距5.半圈水槽和全水槽的选择6.长径比L/D的认可7.轴承材料强度和硬度对耐磨粒磨损性能的影响8.粘接磨损对橡胶轴承的影响23轴承安装方式–过盈安装过盈安装：轴承外径座孔内径过盈的目的：防止轴承在座孔中松动。特别是环境温度下降时，轴承尺寸会变小，不足的过盈力可能导致轴承在座孔中松动并旋转过盈量与环境温度的关系01002003004005006007008009000123456Interference（mm）Bearinghousinginnerdiamerter（mm）machinetermperatureequalminusingtemperatureΔT=10℃ΔT=20℃ΔT=30℃