水潤滑橡膠軸承結構設計

楊 俊，王 雋，周旭輝，姚世衛(wèi)

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

水潤滑橡膠軸承在各型船舶的尾軸承上應用廣泛，其具有結構簡單、可靠性高、無需特別維護、安裝快速簡便、不受海水腐蝕、具有一定的自對中能力以及清潔環(huán)保等諸多優(yōu)點［1-3］。

對于民用船舶軸系而言，控制生產(chǎn)及運行成本，增加軸承使用壽命是其選擇軸承的首要條件，因此在水潤滑橡膠軸承設計中，降低軸承系統(tǒng)的摩擦磨損，提高傳動系統(tǒng)的效率及軸承使用壽命，是需要重點考慮的問題。影響水潤滑橡膠軸承使用壽命的因素除了橡膠材料本身外，還有軸承的結構，其對水潤滑橡膠軸承在較低的主軸轉(zhuǎn)速下建立“流體水動力潤滑”，降低軸承摩擦磨損有非常重要的影響［4-6］。

本文主要從水潤滑橡膠軸承的承載面形狀、軸瓦橡膠層厚度及軸瓦布置形式等結構因素對軸承運行過程中摩擦性能的影響進行分析，并設計了試驗臺架對分析結果進行試驗驗證。

1 軸承結構對摩擦性能影響分析

圖1為船舶軸系從啟動開始到額定轉(zhuǎn)速水潤滑軸承潤滑狀態(tài)隨著轉(zhuǎn)速增加而變化的示意圖。在主軸啟動階段，軸與軸承相互接觸，此時摩擦系數(shù)最大，隨著轉(zhuǎn)速的增加摩擦系數(shù)會迅速下降，此時軸承處于邊界潤滑狀態(tài);隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸和軸承之間的部分區(qū)域仍然直接接觸，但是部分區(qū)域已經(jīng)建立水膜，為混合潤滑階段，此時摩擦系數(shù)繼續(xù)降低，在該階段摩擦系數(shù)將達到最小值;隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，形成流體動壓潤滑，軸和軸承之間完全被一層水膜隔開，而由于水膜力的剪切作用，摩擦系數(shù)稍稍增大。在流體動壓潤滑階段運行的軸及軸承磨損幾乎為0［3］。

圖1 軸承摩擦特性與潤滑效應圖Fig.1 Regime of bearing lubrication

水潤滑軸承建立水膜的原理是流體動壓潤滑機理，即靠軸與軸承間的相對運動，使得粘附于主軸表面的水被帶入逐漸縮小的楔型間隙內(nèi)，建立起足以支承載荷的高壓水膜，使軸和軸承相互隔開，從而降低軸承摩擦磨損。軸承中水膜壓力變化情況可用雷諾方程來描述，即:

從雷諾方程中可以看出，形成水膜的條件有:水的粘度，相對運動速度和逐漸收斂的間隙。以上3個條件缺一不可。下面就從軸承結構對潤滑水膜形成條件的影響進行分析。

1.1 軸瓦承載面形狀對軸承摩擦性能影響

水潤滑軸承軸瓦形狀主要有弧面型和平面型2種。目前我國多數(shù)船舶的橡膠尾軸承基本采用CB769-1986中所規(guī)定的軸承結構。該形式軸承的工作表面采用直徑和軸套外徑幾乎相等的弧面，目的是使軸和軸承盡量接觸，以降低軸承比壓，如圖2(a)所示。而目前較先進的軸承均采用承載面為平面的軸承，如圖2(b)所示。

對比圖2(a)與(b)可以看出，弧面形軸承與主軸在載荷作用下相互緊貼，二者之間沒有間隙，這種使得軸系啟動階段及低轉(zhuǎn)速工況時，軸瓦的邊緣起到了類似于雨刮器的作用，將潤滑液從軸上刮掉，使其無法進入軸與軸承之間，水膜形成困難，從而大大增加了摩擦和磨損，并很容易出現(xiàn)異常噪聲。而平面軸承，在靜止階段就使軸和軸承表面之間存在收斂的間隙，這樣軸系運轉(zhuǎn)過程中，主軸很容易將其表面附著的水帶入間隙內(nèi)，建立起流體潤滑動壓力。

圖2 弧面軸承和平面軸承與主軸接觸情況示意圖Fig.2 Comparison of contact between shaft and bearings with different shape of land

1.2 軸瓦厚度對軸承摩擦性能影響

按常規(guī)的設計方法，為了增大軸承磨損量，橡膠軸承軸瓦的厚度隨船舶軸徑增加而大幅增加。同時隨著軸承負荷及軸徑的增加，冷卻水量需求會相應增加，為保證冷卻水量，許多設計者會增加流水槽道深度，從而使橡膠層的厚度增加。

實際上由于軸系對中的要求，尾軸承允許磨損量有嚴格限制，并不能通過增加軸承厚度來提高軸承使用壽命。而且橡膠層厚度對水潤滑橡膠軸承的摩擦磨損有很大影響，橡膠層厚度增加往往會帶來更大的摩擦和磨損，薄橡膠層軸承的摩擦及磨損都要優(yōu)于厚橡膠層軸承。圖3分別為厚橡膠層軸承軸瓦和薄橡膠層軸承軸瓦結構示意圖。

圖3 不同橡膠層厚度軸瓦結構Fig.3 Structure of staves with different rubber thickness

主軸與不同厚度軸瓦接觸的情況如圖4所示。軸系運行時，將其表面粘附的水帶入軸與軸承之間的間隙內(nèi)，依靠流體在鍥形間隙內(nèi)流動產(chǎn)生的壓力來承載，減少橡膠層的厚度可以明顯減小軸的下沉量，由此帶來以下幾點好處:

1)橡膠軸瓦受載荷作用會在與主軸接觸的兩邊形成隆起，橡膠層越厚，主軸下沉量越大，則隆起的部分越大，因此降低軸瓦厚度，能明顯兩邊的隆起刮掉潤滑液，有利于流體通過，能迅速建立壓力，從而減少摩擦磨損;

2)從圖中還可以看出，減小主軸在橡膠軸瓦中的下沉量，能明顯減小鍥形角，增加收斂間隙的長度，根據(jù)雷諾方程可知，由此能降低建立流體動壓所需的相對速度V，即降低軸承建立動壓潤滑所需的速度，改善低轉(zhuǎn)速工況的潤滑條件。

圖4 主軸與不同厚度軸瓦接觸情況示意圖Fig.4 The contact sketch between shaft and bearings with different rubber thickness

隨著厚度的減少，橡膠軸承的性能會優(yōu)化，但并不是厚度越小越好，厚度太小的橡膠軸承往往不能包容砂礫等雜質(zhì)，同時還要考慮軸承磨損量的需求。

1.3 軸瓦布置形式對軸承摩擦性能影響

在尾軸承結構設計研究過程中，還發(fā)現(xiàn)軸瓦的布置形式對軸承的摩擦性能也有較大的影響。圖5為不同軸瓦布置形式示意圖。圖5(a)為軸承底部為軸瓦的布置形式;圖5(b)為軸承底部為流水槽的布置形式。

圖5 流水槽不同布置位置示意圖Fig.5 Bearings with different distribution of staves

根據(jù)流體動壓潤滑理論可知，軸在滑動軸承內(nèi)運轉(zhuǎn)時存在一定的偏心，潤滑液膜的最大壓力點并不在軸承最低部，而是存在一定的偏心，因此對于有軸向流水槽道的板條式橡膠軸承，橡膠板條位于軸承最底部并不利于軸承的承載，底部為流水槽道，將橡膠板條布置在兩邊稍偏心的位置，能提高軸承承載能力，有利于潤滑水膜的建立。從軸承實際運行時軸瓦的摩擦磨損痕跡也可證明該結論。

2 試驗研究

2.1 試驗臺架及測試系統(tǒng)設計

水潤滑橡膠軸承試驗在圖6所示的試驗臺架上進行。試驗臺架主要由驅(qū)動部分、試驗部分、加載部分和測試部分組成。試驗主軸用45鋼制成，其軸頸鑲有銅襯套，襯套長175 mm，外徑?152.10 mm。加載方式為中間徑向加載，以保證軸承所承受載荷均勻分布。測試裝置主要包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、壓力表等。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀用于測試試驗軸的摩擦力矩，壓力表提供液壓加載油缸的載荷大小。試驗所用的各種儀器儀表都經(jīng)過有關部門校準和標定，使用時都處在其有效期范圍內(nèi)。

圖6 試驗臺架示意圖Fig.6 Schematic view of experiment system

2.2 試驗結果分析

2.2.1 軸瓦形狀對軸承摩擦性能影響試驗

為了驗證軸承軸瓦表面形狀對軸承摩擦特性的影響，進行了弧面軸承和平面軸承的臺架試驗。如圖7所示，2個試驗軸承的材料相同，軸瓦最大厚度相同，軸瓦數(shù)量相同，軸瓦形狀一種為弧面式，另一種為平面式，試驗軸承安裝時保證軸承的底部都為板條。

圖7 不同軸瓦形狀原理試驗軸承Fig.7 Experiment bearings with different shape of staves

試驗測量了2個試驗軸承在不同承載壓力下隨轉(zhuǎn)速變化的摩擦特性，試驗軸承載荷分別為0.1 MPa，0.2 MPa和0.4 MPa，試驗結果如圖8所示。

試驗結果表明，采用平面結構的橡膠軸承在試驗的3個比壓下摩擦系數(shù)都要低于弧面結構的橡膠軸承。對于0.4 MPa的高比壓工況，2個軸承在高轉(zhuǎn)速工況的摩擦特性比較接近，但是在低轉(zhuǎn)速工況下平面軸瓦的摩擦系數(shù)還是明顯小于弧面軸瓦，表現(xiàn)出了良好的低轉(zhuǎn)速工況運轉(zhuǎn)性能。

2.2.2 軸瓦厚度對軸承性能影響試驗

為了對比分析軸承橡膠層厚度對摩擦性能的影響，進行了不同厚度橡膠層軸承的對比試驗，試驗樣機如圖9所示。2個試驗樣機所采用的材料相同，軸瓦表面形狀相同，都為平面式軸瓦，軸瓦數(shù)量相同，安裝試驗軸承時保證軸承底部都為板條，軸承橡膠層厚度不同，分別為18.4 mm和10 mm。

圖8 速度-摩擦系數(shù)曲線Fig.8 Coefficients of friction vs shaft speed of different land shape with different pressures

圖9 不同軸瓦厚度軸承原理試樣Fig.9 Experiment bearings with different rubber thickness

試驗測量了2個不同橡膠層厚度軸承在不同軸承載荷下隨轉(zhuǎn)速變化的摩擦特性，試驗軸承載荷分別為0.1 MPa，0.2 MPa和0.4 MPa。試驗結果如圖10所示。

圖10 橡膠軸承不同軸瓦厚度的摩擦特性Fig.10 Friction characteristic of bearings with different rubber thickness with different pressures

試驗結果表明，軸承軸瓦取不同橡膠層厚度對軸承的摩擦特性有較大的影響，橡膠層厚度較薄的軸承更有利于軸承建立流體動力潤滑，能明顯降低摩擦系數(shù)。但軸瓦并不是越薄越好，在工程設計中還應考慮減振、耐磨、壽命等因素。因此軸承軸瓦厚度的選取還應結合工程實際，設計合適的橡膠層厚度。

2.2.3 軸瓦布置形式對軸承性能影響試驗

為了對比分析軸承軸瓦布置形式對摩擦性能的影響，對同一個軸承分別進行了不同軸承載荷下軸承底部為板條及軸承底部為流水槽的對比試驗，試驗軸承載荷分別為0.1 MPa，0.2 MPa和0.4 MPa。試驗結果如圖11所示。

臺架試驗對比結果表明，除了0.2 MPa的個別工況外，底部為水槽布置結構的軸承摩擦系數(shù)都要遠小于底部為板條結構的軸承，0.2 MPa的個別工況可以認為是試驗誤差所致。試驗結果充分表明流水槽布置在最底部有利于降低軸承的摩擦系數(shù)。

圖11 橡膠軸承不同軸瓦布置形式的摩擦特性Fig.11 Friction characteristic of bearings with different distribution of staves with different pressures

3 結語

通過對水潤滑橡膠軸承的結構設計研究及臺架試驗驗證表明，在軸承設計過程中除了選擇合適的軸承材料，還應從以下幾個方面重點考慮水潤滑橡膠軸承結構設計:

1)采用平面型軸瓦結構，改善軸承在低轉(zhuǎn)速工況的運行條件;

2)通過理論分析和原理試驗相結合的方法，設計出具有最佳橡膠層的厚度的軸瓦;

3)采用底部為流水槽道的軸瓦布置形式。

通過以上方法的采用，能明顯降低水潤滑軸承的摩擦、磨損，提高軸系傳動效率，并延長軸承使用壽命。

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