具有混合槽結(jié)構(gòu)的水潤滑橡膠軸承彈流潤滑特性

楊森，李明

(西安科技大學 力學系，西安 710054)

水潤滑橡膠軸承作為重要部件廣泛應用于船舶推進軸系的支承中。以水為潤滑介質(zhì)的橡膠軸承與油潤滑軸承相比具有明顯的不同，一方面，水為低黏度流體，其黏度約為油的1/20，與油潤滑相比，橡膠軸承的水膜厚度較小；另一方面，橡膠的彈性模量較金屬軸套材質(zhì)大約低4個量級，即使在輕載時，軸承接觸表面也會產(chǎn)生較大的彈性變形，水楔的形狀已經(jīng)不再由軸套的原始形狀決定。因此，研究橡膠軸承的結(jié)構(gòu)特征對軸承承載力、潤滑膜厚度和橡膠體變形等的影響具有重要工程意義。

近十年來，隨著我國國防工業(yè)和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，船舶特別是軍用艦艇日趨大型、重載和高速，而橡膠軸承支承的推進軸系在運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的振動、噪聲問題也變得更加嚴重，這就對水潤滑橡膠軸承的設計、制造和安裝提出了更高的要求。部分學者通過對水潤滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)特點、作用機理以及動態(tài)特性等方面進行研究，并提出了一些設計方案，例如：文獻[1-2]分析了水潤滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)和工作特點，針對橡膠軸承存在的鳴音問題，提出了結(jié)構(gòu)改進方法和軸承設計時需注意的一些問題；文獻[3]通過比較不同彈性模量和泊松比的2種軸承材料，分析了軸承的油膜壓力分布、油膜厚度分布、最小油膜厚度以及承載能力；文獻[4-15]采用定性、定量以及試驗手段，主要討論了彈性模量、長徑比、橡膠層厚度、軸向水槽等因素對軸承彈流潤滑性能的影響；文獻[16]對水潤滑橡膠軸承的水膜壓力進行了實測，并與理論分析結(jié)果進行了比較；文獻[17]分析了重載變速工況下的彈流潤滑特性，試驗結(jié)果顯示，在重載和超重載條件下形成的彈流膜都具有馬蹄形分布特征。

近年來，文獻[18-19]分別采用試驗和數(shù)值分析方法研究了不同工況、不同類型的水潤滑橡膠軸承的彈流潤滑特性；文獻[20-21]則綜合考慮了水潤滑橡膠軸承橡膠彈性變形以及其曲面、凹槽等幾何結(jié)構(gòu)對流潤滑特性的影響。水潤滑橡膠軸承如果從軸向水槽來區(qū)分，其截面形狀可分為U形、V形、T形等；如果從接觸面的形狀進行劃分，則可以分為凹面、平面和凸面。從水膜的形成、承載、摩擦等方面來看，其性能表現(xiàn)各不相同，通過綜合不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，設計出一種新型混合槽結(jié)構(gòu)橡膠軸承，利用ANSYS CFX軟件進行仿真模擬，重點討論具有混合槽結(jié)構(gòu)的橡膠軸承的潤滑特性以及橡膠襯層變形等，為該類橡膠軸承的設計提供理論參考。

1 混合槽結(jié)構(gòu)水潤滑橡膠軸承

1.1 軸承結(jié)構(gòu)及參數(shù)

水潤滑橡膠軸承基于自身采用水做潤滑介質(zhì)以及輕質(zhì)環(huán)保的橡膠制成軸瓦，具有良好的減壓抑震、耐摩擦磨損、壽命長等優(yōu)點，新結(jié)構(gòu)水潤滑軸承應用于船舶尾軸軸系(圖1)。綜合U形、V形和T形水潤滑軸承結(jié)構(gòu)開槽方式的優(yōu)勢，設計出的混合槽結(jié)構(gòu)水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示，其左上部分為V形槽，右下部分為T形槽(圖2b)。

圖1 水潤滑橡膠軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

圖2 混合槽結(jié)構(gòu)的水潤滑橡膠軸承

水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 模型建立及分析

基于有限體積法，建立三維水潤滑橡膠軸承分析模型，通過條件假設、網(wǎng)格劃分、邊界設定以及數(shù)值計算，得到雙向流固耦合情況下的潤滑特性。

1.2.1 建立軸承實體模型

采用SOLIDWORKS繪圖軟件分別繪制U形、V形、T形以及混合型開槽方式的水潤滑橡膠軸承進行對比分析，以混合結(jié)構(gòu)溝槽為例(圖2)，其由2部分構(gòu)成：外部合金軸套和內(nèi)部橡膠襯層。

1.2.2 模型分析及邊界設定

利用ANSYS CFX軟件實現(xiàn)雙向流固耦合分析。將軸承模型導入ANSYS中，生成流體水膜，得到三維水潤滑橡膠軸承流固耦合模型，采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格單元分別進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。其中，固體域劃分單元135 000個，流體域劃分單元176 800個。

圖3 固體域和流體域網(wǎng)格劃分

軸承外表面設為固定約束，內(nèi)表面設為流固耦合面?zhèn)鬟f耦合量。流體域邊界條件主要有4部分：進口采用恒量進流，速率3 m/s；出口采用軸承水位靜壓，為0.01 MPa；內(nèi)壁(流體與轉(zhuǎn)子接觸壁面)采用無滑移旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)角速度為15.7 rad/s；外壁(固體域與流體接觸壁面)采用無滑移壁面?zhèn)鬟f耦合量。

分析設定完成后，通過設置流固耦合面作為中間平臺互換耦合量，把固體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移傳遞給流體，而流體部分產(chǎn)生的力反過來傳遞給固體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反復迭代，直至完全收斂。

1.2.3 條件假設

假設流體為不可壓縮的Newton流體，不考慮流體的慣性力；轉(zhuǎn)子在軸向沒有位移，在周向上由于偏心會產(chǎn)生位移，在軸向上所受載荷、壓力不發(fā)生變化；流體域設定為不考慮熱量傳輸。

2 結(jié)果及分析

2.1 橡膠襯層變形

由于軸承結(jié)構(gòu)采用低彈性模量的丁腈橡膠作為襯層材料，在軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)顯著的彈性變形，相比于金屬軸承更容易形成彈流潤滑水膜，因此，襯層變形對水潤滑橡膠軸承的潤滑特性有著至關(guān)重要的影響。

通過計算得到4種不同結(jié)構(gòu)橡膠軸承襯層變化情況如圖4所示。由圖可知：沿軸向分布的襯層變形(圖4a)在入口處最大，出口次之，中間較小，呈“馬蹄形”分布，并且4種不同結(jié)構(gòu)的最大變形量分布趨勢近似，體現(xiàn)出開溝槽結(jié)構(gòu)軸承襯層變化的普遍分布規(guī)律；在軸承入口處(圖4b)，襯層最大的變化量有著明顯的區(qū)別，V形結(jié)構(gòu)襯層變化最大，與其余3種結(jié)構(gòu)差別較大，T形結(jié)構(gòu)襯層變化最小，即彈性變形小，在偏心承載區(qū)提供能夠承載軸承潤滑的水膜厚度，避免水膜過厚，導致彈流潤滑效果不佳，這也是選擇T形結(jié)構(gòu)作為偏心區(qū)軸承開槽方式的原因。混合結(jié)構(gòu)與U形結(jié)構(gòu)襯層變化幾乎一致，與T形結(jié)構(gòu)相差很小，所以混合結(jié)構(gòu)對于襯層變化的適應性較好。

圖4 橡膠襯層變形

2.2 水膜壓應力分布

水膜壓應力是軸承承載能力的一種表現(xiàn)方式，當壓應力達到一定程度時，橡膠襯層產(chǎn)生彈性變形并形成潤滑水膜，出現(xiàn)彈流潤滑，降低摩擦因數(shù)；但當壓應力過高時，潤滑水膜不足以支承，造成水膜破裂，形成干摩擦，導致軸承摩擦磨損。模擬計算得到4種不同結(jié)構(gòu)橡膠軸承水膜壓應力分布如圖5所示。

沿軸向方向水膜壓應力分布如圖5a所示。由圖可知，由于邊界條件采用入口速度邊界，出口海水靜壓，呈現(xiàn)出從入口到出口壓應力遞減的狀況。從總體趨勢來看，T形結(jié)構(gòu)壓應力變化較為平緩，沿軸向轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)更穩(wěn)定，所以選用其作為軸承偏心承載的開槽類型；V形結(jié)構(gòu)壓應力最大，并且沿著軸壓力遞減趨勢明顯，轉(zhuǎn)子啟停過程中進出口承壓跨度太大，導致轉(zhuǎn)子傾斜作用明顯，磨損加劇，所以選用其作為軸承負壓上半?yún)^(qū)開槽類型；混合結(jié)構(gòu)介于二者之間，有效避免了承壓過高或者過低對其潤滑效果的影響。

沿著中截面周向的水膜壓應力分布如圖5b所示。由圖可知，混合結(jié)構(gòu)相比于其他3種結(jié)構(gòu)，最大壓應力峰值來臨更早，并且下降的速度更快，避免楔形區(qū)域過于狹長，體現(xiàn)了其承載能力的優(yōu)越性；沿周向方向，混合結(jié)構(gòu)壓應力分布介于T形和V形之間，但與T形更為接近，彌補了V形槽承載特性上的缺點，改進了其綜合承載能力。

圖5 水膜壓應力分布

2.3 流場速度分布

流場速度分布是檢測水流流動特性的重要指標。為了滿足軸承潤滑要求，承壓區(qū)需要有足夠的供水以帶走泥沙及熱量，而負壓區(qū)需要改善其流動速度，讓水流更加通暢，不影響周向的供水平衡。模擬計算得到4種不同結(jié)構(gòu)橡膠軸承流場速度分布及對比如圖6所示。

圖6 流場速度分布

由圖可知，V形結(jié)構(gòu)流動速度最佳，但波動較大，流場穩(wěn)定性較差，所以選用其作為負壓區(qū)開槽結(jié)構(gòu)，可改善流動速度，不影響周向供水平衡。T形結(jié)構(gòu)流動速度較低，但其溝槽面積大，儲水更多，更容易改善承壓區(qū)急速環(huán)境下的熱量和泥沙的排出，并且其周向流動穩(wěn)定性較好，更容易形成連續(xù)水膜，彈流效果更佳，所以選用其作為承壓區(qū)開槽結(jié)構(gòu)。混合結(jié)構(gòu)在軸向方向上流動特性僅次于V形結(jié)構(gòu)，并且通過結(jié)構(gòu)改良，在周向穩(wěn)定性上效果更好，有利于改善流體流動、供水平衡，更容易形成連續(xù)的彈流潤滑水膜，在流動特性上結(jié)果理想。

3 結(jié)論

設計了一種具有混合槽結(jié)構(gòu)的水潤滑橡膠軸承，主要研究了各種不同溝槽結(jié)構(gòu)對其橡膠襯層變形、水膜壓應力分布以及流場速度分布的影響，得出結(jié)論如下：

1)V形結(jié)構(gòu)溝槽流場速度最大，但其周向水潤滑膜不連續(xù)，壓應力以及襯層變形較大，此結(jié)構(gòu)適用于混合結(jié)構(gòu)負壓區(qū)結(jié)構(gòu)布置；

2)T形結(jié)構(gòu)溝槽承載面積大，襯層變形以及水膜壓應力較小，但流動特性較差，此結(jié)構(gòu)比較適用于混合結(jié)構(gòu)承壓區(qū)結(jié)構(gòu)布置；

3)不同結(jié)構(gòu)溝槽分別在襯層變形、水膜壓應力以及流場速度分布上各有優(yōu)勢，混合結(jié)構(gòu)溝槽綜合了各方面優(yōu)點，整體潤滑效果較好。