新型中間軸承的結(jié)構(gòu)和性能研究

,,

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.海軍裝備部，北京 100071)

船用中間軸承的作用是為了減少軸系撓度而設(shè)置的軸系支承點(diǎn)，它用來(lái)承受中間軸本身的自重，以及軸系傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)發(fā)生變形而產(chǎn)生的徑向負(fù)荷。一般中長(zhǎng)軸系的船舶均設(shè)置有中間軸承。中間軸承按基本結(jié)構(gòu)和與中間軸接觸部分的摩擦性質(zhì)，可分為滑動(dòng)摩擦軸承(簡(jiǎn)稱(chēng)滑動(dòng)軸承)和滾動(dòng)摩擦軸承(簡(jiǎn)稱(chēng)滾動(dòng)軸承)，我國(guó)大中型船舶的軸系中間軸承大多數(shù)采用徑向滑動(dòng)軸承[1]。傳統(tǒng)滑動(dòng)中間軸承潤(rùn)滑及散溫過(guò)程是在軸頸與軸瓦之間通過(guò)軸承自帶的甩油盤(pán)提供一層潤(rùn)滑油，實(shí)現(xiàn)軸承工作時(shí)建立潤(rùn)滑油膜并通過(guò)潤(rùn)滑油帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，而整個(gè)軸承工作產(chǎn)生的熱量則由設(shè)在下殼體中的冷卻水管的海水流通帶走，從而保持軸承溫度穩(wěn)定。本文介紹一種新型自動(dòng)調(diào)位式自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承，它不需要通過(guò)海水冷卻潤(rùn)滑油，并且采用新材料增強(qiáng)軸瓦耐溫強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)更為緊密，合理，壽命得到了進(jìn)一步提高。

1 傳統(tǒng)中間軸承的結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)中間軸承的主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[2]，其工作原理是在其軸承座上有兩個(gè)相通的油室。甩油盤(pán)7的下部侵入在滑油中，當(dāng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部分滑油被隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的甩油盤(pán)7帶到軸承上部的注油斗，通過(guò)注油斗的小孔流至斜槽，分配至各潤(rùn)滑部位以潤(rùn)滑軸與軸承，最后流回底部的潤(rùn)滑室。在室內(nèi)設(shè)有冷卻盤(pán)管組件10對(duì)于溫度較高的滑油進(jìn)行冷卻[3]。

中間軸承的主要失效形式是滑動(dòng)軸承的主要失效形式：磨損和膠合、疲勞破壞等。軸瓦磨損主要是與摩擦有關(guān)，所以選擇合適的潤(rùn)滑油也是保護(hù)軸承的重要因素之一。當(dāng)軸瓦與軸之間產(chǎn)生摩擦后，就會(huì)產(chǎn)生功率損耗和熱量，如果這些熱量不設(shè)法排除，則將使軸承溫度不斷升高以致使軸瓦白合金溶化和燒壞。此時(shí)，注入潤(rùn)滑油后，就會(huì)形成一層潤(rùn)滑油膜，大大降低摩擦系數(shù)，減少功率損耗，同時(shí)潤(rùn)滑油流動(dòng)還能把所產(chǎn)生的熱量帶走，使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中的溫升不超過(guò)允許的數(shù)值，故可延長(zhǎng)軸承的使用壽命。

2 新型中間軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

無(wú)海水冷卻中間軸承結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：在軸承的前后端設(shè)置2只油箱，布置在油箱體內(nèi)的甩油盤(pán)固定在軸系上，當(dāng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，油箱中的潤(rùn)滑油被甩油盤(pán)帶到軸承上部，由集油裝置刮下滑油并將其送入上軸瓦的潤(rùn)滑油槽，并由此到軸頸和軸瓦滑動(dòng)摩擦面上進(jìn)行潤(rùn)滑。在摩擦面上熱的滑油，在軸頸載荷壓力下，將從軸瓦兩端泄出，流回到油箱中。為了防治滑油漏到軸承外，在前后油箱端裝有密封件，可阻止滑油漏出軸承。軸承座與軸承蓋、上軸瓦與下軸瓦、甩油盤(pán)、油箱體都采用剖分式以利拆裝。軸瓦上的白合金，經(jīng)一定時(shí)間使用后，如發(fā)現(xiàn)其磨損已超過(guò)規(guī)定限度時(shí)，只需更換軸瓦，而不必更換整個(gè)軸承。

圖1 海水冷卻的滑動(dòng)中間軸承

圖2 無(wú)海水冷卻中間軸承

3 新型中間軸承的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)點(diǎn)

與常規(guī)的海水冷卻的中間軸承相比，無(wú)海水冷卻中間軸承在結(jié)構(gòu)上得到了很大的改善。

1)取消了冷卻水槽和冷卻盤(pán)管結(jié)構(gòu)；

2)油箱位置設(shè)置在軸承兩側(cè)；

3)軸瓦采用了球面形狀，使得軸承本身具有自補(bǔ)償位置的功能。

結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使得此新型中間軸承具備了如下優(yōu)點(diǎn)。

1)取消冷卻水管結(jié)構(gòu)后，消除了海水滲漏對(duì)中間軸承及軸系的腐蝕，使中間軸承結(jié)構(gòu)尺寸減小，結(jié)構(gòu)緊密，制造工藝得到簡(jiǎn)化。

2)在軸承前后分別設(shè)置油箱和甩油盤(pán)，采用新型的特種材料制成的油箱及軸承結(jié)構(gòu)能使得潤(rùn)滑油無(wú)需海水冷卻就能充分散熱，保持軸承滑油溫度穩(wěn)定。

3)軸瓦與軸承座采用球面接觸，軸瓦在軸承座內(nèi)可以沿軸線靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，適應(yīng)軸徑的偏斜，可使軸承沿軸長(zhǎng)方向受力均衡，以消除由于軸系對(duì)中精度誤差而造成軸承與軸系接觸面受力不均衡的情況，避免了軸彎曲變形或軸承孔傾斜時(shí)造成軸頸與軸瓦兩端邊緣接觸加劇磨損和發(fā)熱[4]。

4)中間軸承為對(duì)開(kāi)式滑動(dòng)軸承，軸承潤(rùn)滑采用自給式。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑油被甩油盤(pán)帶到軸承上部集油裝置，通過(guò)集油裝置將滑油分配到各潤(rùn)滑部分進(jìn)行潤(rùn)滑，并通過(guò)潤(rùn)滑油循環(huán)流動(dòng)將機(jī)械功產(chǎn)生的熱量帶走。

4 中間軸承材料的選用對(duì)比

一般來(lái)說(shuō)，滑動(dòng)軸承主要失效形式有：磨損和膠合、疲勞破壞等，所以對(duì)軸承材料的要求，主要考慮軸承的這些失效形式[5]。對(duì)軸承材料的要求，主要有如下幾點(diǎn)。

1)良好的減摩性、耐磨性和抗膠合性；

2)良好的順應(yīng)性，嵌入性和磨合性；

3)足夠的強(qiáng)度和必要的塑性；

4)良好的耐腐蝕性、熱化學(xué)性能(傳熱性和熱膨脹性)和調(diào)滑性(對(duì)油的吸附能力)；

5)良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性等。

由于新型中間軸承在工作過(guò)程中，沒(méi)有采用常規(guī)的通過(guò)冷卻盤(pán)管中的冷卻海水將產(chǎn)生的熱量帶走，而是靠軸承本體將熱量散發(fā)掉，這樣該軸承溫度就要比有海水冷卻的軸承溫度要高。此溫度對(duì)于軸瓦來(lái)說(shuō)，是非常敏感的問(wèn)題。因此，新型中間軸承的軸瓦材料選用是非常關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。表1為新材料與常規(guī)軸承材料ZSnSb11Cu6硬度與溫度變化情況。

表1 新材料與常規(guī)軸承材料ZSnSb11Cu6硬度與溫度變化情況

從表1可知，新材料耐溫性能指標(biāo)要優(yōu)于常規(guī)軸承材料ZSnSb11Cu6，當(dāng)新材料的軸瓦溫度達(dá)到80℃時(shí)，其硬度值與常規(guī)軸瓦材料ZSnSb11Cu6的50 ℃時(shí)相當(dāng)[6-7]。在選用新材料的制造時(shí)，軸系即使處在高工況工作也能夠滿足使用要求，目前該材料是一種新研制軸承材料，其制作工藝非常復(fù)雜而又極其嚴(yán)謹(jǐn)，所以該材料還處于試驗(yàn)使用階段，并沒(méi)有在國(guó)內(nèi)大范圍推廣使用，因此應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展該材料的澆鑄工藝等方面的課題試驗(yàn)研究，以便能推廣使用該材料。

5 新型中間軸承潤(rùn)滑和散熱

新型中間軸承工作時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量一是靠中間軸承本體將熱量散發(fā)掉，二是潤(rùn)滑油通過(guò)循環(huán)流動(dòng)帶走大部分熱量。產(chǎn)生的熱量通過(guò)油箱殼體可以迅速散熱，保證了中間軸承工作溫度正常。因此，對(duì)潤(rùn)滑油的選擇也是極其重要的，粘度是選擇潤(rùn)滑油最重要的參考指標(biāo)。

5.1 選擇粘度時(shí)，應(yīng)考慮如下基本原則

1)在壓力大、溫度高、載荷沖擊變動(dòng)大時(shí)，應(yīng)選用粘度大的潤(rùn)滑油；

2)滑動(dòng)速度高時(shí)，容易形成油膜(轉(zhuǎn)速高時(shí))，為減少摩擦應(yīng)選用粘度較低的潤(rùn)滑油；

3)加工粗糙或未經(jīng)跑合的表面，應(yīng)選用粘度較高的潤(rùn)滑油；

5.2 控制中間軸承溫升的目的

工作時(shí)摩擦功耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴沟弥虚g軸承溫度升高，此時(shí)潤(rùn)滑油的粘度降低，軸瓦與軸之間間隙改變，軸承的承載能力下降；另外軸瓦溫升過(guò)高會(huì)使金屬軟化，容易發(fā)生抱軸事故，所以對(duì)中間軸承溫度的控制是保證其正常工作的重要條件之一。

新型中間軸承采用雙油箱和雙供油環(huán)部件，在軸承的前后各布置一套以保證軸承工作時(shí)得到充分的滑油潤(rùn)滑。油箱材質(zhì)為鑄鋁合金，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約為鋼的2～3倍，因此，中間軸承運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)鑄鋁油箱殼體可以迅速散熱。在中間軸承內(nèi)部，熱平衡條件是：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量H等于同一時(shí)間潤(rùn)滑油流動(dòng)帶走的熱量H1和軸承散發(fā)熱量H2之和。

H=H1+H2

(1)

單位時(shí)間內(nèi)潤(rùn)滑油流動(dòng)帶走的熱量H1，回到油箱后，通過(guò)鋁材料與空氣接觸散熱

H1=ρVCΔt

(2)

式中：V——潤(rùn)滑油單位時(shí)間內(nèi)的總流量，由耗油量系數(shù)求得，m3/s；

ρ——潤(rùn)滑油的密度；

C——潤(rùn)滑油的比熱容；

Δt——潤(rùn)滑油的溫升，即

Δt=t2-t1

單位時(shí)間內(nèi)軸承由軸頸和軸承殼體散發(fā)的熱量H2為

H2=ξπl(wèi)BΔt

(3)

式中：ξ——軸承表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，由軸承結(jié)構(gòu)和散熱條件而定；

πl(wèi)B——軸頸表面積。

摩擦功耗引起軸承單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量H為

H=fFv

(4)

式中：f——油潤(rùn)滑摩擦系數(shù)，實(shí)際工作時(shí)摩擦系數(shù)要稍大一些，所以f需要進(jìn)行必要的修正；

F——外載；

v——液體流速。

熱平衡時(shí)，H=H1+H2，由此得

fFv=ρVCΔt+ξπl(wèi)BΔt

(5)

故如果知道外載的條件，可以求得溫度的變化量。由于新型中間軸承沒(méi)有海水冷卻管，所以潤(rùn)滑油帶走熱量在油箱中通過(guò)鋁材料散發(fā)到空氣中，最后達(dá)到熱平衡后整個(gè)油箱的油溫恒定，此時(shí)溫差變化小，潤(rùn)滑油的粘度、均勻性均變化較小。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，傳熱方式均為金屬導(dǎo)熱，所以式(5)也等同于

fFv=ζSΔt+ξπl(wèi)BΔt

(6)

式中：ζ——鋁油箱表面導(dǎo)熱系數(shù)；

S——油箱表面積。

為保證承載所要求的最高溫度t<75℃，一般取t=50～75℃。通常要求油溫t=50～65℃。由于采用新型合金鋼制造，所以在此溫度下軸瓦完全能夠正常工作。若t>80℃時(shí)，中間軸承易過(guò)熱失效，此時(shí)應(yīng)該改變相對(duì)間隙和油的粘度，直至計(jì)算滿足要求為止[8]。

6 新型中間軸承的發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)海水冷卻中間軸承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，隨著國(guó)內(nèi)外工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，其優(yōu)點(diǎn)將會(huì)得到凸現(xiàn)，應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，今后必將成為船用中間軸承發(fā)展的趨勢(shì)。但是在此新型中間軸承的發(fā)展應(yīng)用中，還有些問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。

1)中間軸承集油裝置散熱與材料成分之間的關(guān)系；

2)中間軸承軸瓦材料隨溫度改變的特性變化；

3)通過(guò)澆鑄工藝來(lái)提高新軸瓦材料性能；

4)中間軸承液體油在內(nèi)部循環(huán)時(shí)粘度、流速和溫度之間的關(guān)系；

5)內(nèi)部溫度控制對(duì)整個(gè)中間軸承性能參數(shù)的影響。

[1] 朱樹(shù)文.船舶動(dòng)力裝置原理與設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

[2] 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)院.GB/T14364-1993船舶軸系滑動(dòng)式中間軸承[S].北京：全國(guó)船用機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì),1993.

[3] 譚仁臣.船舶輔機(jī)與軸系[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1996.

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第2卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[5] 全國(guó)鑄造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).鑄造軸承合金[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[6] 曾正明.機(jī)械工程材料手冊(cè)：金屬材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[7] 邵開(kāi)文，馬運(yùn)義.艦船技術(shù)與設(shè)計(jì)概論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版,2005.

[8] 中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2009.