船用水潤滑艉軸承性能測試試驗臺研究

吳志猛，彭方躍，祝 然

（1.上海漣屹軸承科技有限公司，上海 201100；2.上海前瞻創(chuàng)新研究院有限公司，上海 201100）

0 引言

水潤滑艉軸承是船舶動力系統(tǒng)的主要組成部分[1-5]，主要承受艉軸和螺旋槳的重力及其轉(zhuǎn)動帶來的慣性力。水潤滑軸承的性能是制約船舶服役能力的重要因素之一，因此準(zhǔn)確合理的測試水潤滑軸承的性能對提高船舶的服役能力有很重要的影響。

目前對于水潤滑艉軸承的測試試驗臺沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[6-8]，本文根據(jù)船舶艉軸承的工作環(huán)境進(jìn)行試驗臺的設(shè)計，測試過程中艉軸承始終在水中運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗臺主要由主軸、水箱、加載裝置、調(diào)速裝置等機(jī)械系統(tǒng)還有傳感器、控制箱等電器系統(tǒng)組成[9-12]，試驗臺結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 試驗臺結(jié)構(gòu)組成

1 主軸軸承模塊

主軸軸承模塊主要由測試軸承、艉軸及其支撐臺架組成（圖2）。該部分主要模擬船舶中的艉軸和軸承的結(jié)構(gòu)，軸承為復(fù)合材料軸承，安裝在軸和外殼之間。

圖2 艉軸和軸承模塊

圖3 為在測試過程中浸泡軸和軸承的水箱，水箱裝滿水淹沒軸和軸承，模擬水潤滑艉軸承的運(yùn)行環(huán)境。水箱上設(shè)有窺視孔，可以在軸轉(zhuǎn)動過程中觀看水的流態(tài)。

圖3 水箱

2 軸承載荷和主軸轉(zhuǎn)速加載測量模塊

試驗臺通過液壓裝置加載載荷，液壓施加向下的壓力在主軸的兩端，主軸在液壓力的作用下在測試軸承上施加向下的壓力，軸承受力的大小可以通過液壓油的壓力進(jìn)行控制。試驗臺上施加在軸承上的壓力值可以在主板結(jié)構(gòu)上進(jìn)行加載，加載裝置如圖4 所示。

圖4 液壓加載裝置

主軸通過電機(jī)帶動，電機(jī)為無極調(diào)速電機(jī)，電機(jī)通過變頻器調(diào)速。本試驗臺可以支撐主軸在500 r/min 以內(nèi)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)按鈕安裝在控制主板上。圖5 為加載轉(zhuǎn)速的電機(jī)與測試的主軸軸承之間的傳動軸裝置。該裝置只傳遞扭矩不傳遞軸向力，過濾電機(jī)軸軸向力的影響。

圖5 主動軸與從動軸之間的連接裝置

3 主板控制模塊

圖6 為試驗臺的主板控制模塊，主要通過主板進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和載荷大小的設(shè)定，主軸的啟動、摩擦轉(zhuǎn)矩的測量顯示都在主板讀取。

圖6 主板控制模塊

4 傳感器模塊

試驗臺的傳感器主要有壓力傳感器和溫度傳感器，溫度傳感器分為兩種：一種為外置溫度傳感器，一種為內(nèi)置溫度傳感器。

外置溫度傳感器安裝在水箱內(nèi)控制水箱的水溫，因為水箱中安裝了加熱棒，當(dāng)需要給水加熱時，開啟加熱棒，通過安裝在水箱4 個角上溫度傳感器測量加熱后的水溫。加熱棒和溫度傳感器交錯安裝，避免安裝在一處，以保證測得的水溫為水箱中水的平均水溫，加熱棒周圍的水溫要高于水箱中的平均水溫，因此外置傳感器與加熱棒交錯布置。

內(nèi)置溫度傳感器安裝在軸承的下方，主要用來測量軸承內(nèi)孔在運(yùn)行過程中的溫度。將軸承內(nèi)壁的前、中、后三端打孔，孔不直接穿透軸承，為軸承內(nèi)壁上的盲孔，距離內(nèi)壁5 mm 左右。內(nèi)置傳感器測得的溫度為軸承承載面的平均溫度。內(nèi)置溫度傳感器測得的溫度信號傳至控制主板，可以在主板的參數(shù)中直接讀出。

壓力傳感器也為內(nèi)置傳感器，主要測量軸承承受載荷的大小，壓力傳感器共有2 個，分別位于軸承前后兩端。與液壓加載裝置相配合，通過調(diào)節(jié)壓力來改變軸承承受的載荷。軸承的壓力值也可以在主板控制模塊上設(shè)定，來增加或減小軸承承受的壓力。當(dāng)前端的壓力設(shè)定值與軸承后端的壓力設(shè)定值不相同時，軸承處于偏載狀態(tài)。偏載會加速軸承的磨損，因此在設(shè)定前后加載的數(shù)值時應(yīng)該避免軸承前后兩端受到不同的壓力。

5 試驗臺的組裝與應(yīng)用

在軟件中設(shè)計完成的試驗臺的總裝圖如圖7 所示，試驗臺實(shí)物如圖8 所示。本試驗臺從設(shè)計到搭建完成花費(fèi)數(shù)月的時間，根據(jù)設(shè)計尺寸加工組裝零件，然后進(jìn)行安裝調(diào)試，目前該試驗臺可以進(jìn)行水潤滑艉軸承的潤滑承載性能測試。

圖7 軸承測試試驗臺設(shè)計總裝

圖8 軸承測試試驗臺

經(jīng)過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速較高時，軸承處于良好的潤滑狀態(tài)，此時測得的摩擦因數(shù)和摩擦力矩較小，軸承與轉(zhuǎn)動的主軸通過水膜隔開，水膜承載施加在軸承上的負(fù)載。當(dāng)載荷較小時，軸承表面的摩擦因數(shù)和摩擦力矩較小，此時軸承處于動壓潤滑狀態(tài)。動壓潤滑狀態(tài)是轉(zhuǎn)動的主軸與軸承分離的一種狀態(tài)，在該狀態(tài)下軸承處于良好的工作狀態(tài)，磨損量較小。

當(dāng)軸承處于良好的潤滑狀態(tài)時，軸承與主軸之間的潤滑水將摩擦產(chǎn)生的熱量逐漸帶走，軸承表面的溫度沒有明顯的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速從高到低調(diào)整時，軸承的動壓潤滑狀態(tài)被破壞，摩擦因數(shù)明顯升高，軸承與轉(zhuǎn)動的主軸局部接觸，此時容易出現(xiàn)軸承的局部磨損。當(dāng)轉(zhuǎn)速由底到高調(diào)整時，軸承的潤滑狀態(tài)逐漸好轉(zhuǎn)，摩擦因數(shù)逐漸減小，水膜厚度逐漸增加，水膜的承載能力也在增加，此時軸承的磨損量逐漸減小。

當(dāng)載荷由小變大時，水膜厚度減小，軸承與主軸局部接觸，軸承溫度增加，容易出現(xiàn)局部磨損。當(dāng)載荷由大變小時，水膜厚度增加，潤滑狀態(tài)改善，軸承溫度沒有明顯變化。因此，軸承在高速輕載的運(yùn)行條件下具有良好的潤滑性能。