水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊 俊，王 雋，周旭輝，姚世衛(wèi)

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

水潤(rùn)滑橡膠軸承在各型船舶的尾軸承上應(yīng)用廣泛，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、無(wú)需特別維護(hù)、安裝快速簡(jiǎn)便、不受海水腐蝕、具有一定的自對(duì)中能力以及清潔環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)［1-3］。

對(duì)于民用船舶軸系而言，控制生產(chǎn)及運(yùn)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(rùn)滑橡膠軸承設(shè)計(jì)中，降低軸承系統(tǒng)的摩擦磨損，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率及軸承使用壽命，是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。影響水潤(rùn)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(jié)構(gòu)，其對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承在較低的主軸轉(zhuǎn)速下建立“流體水動(dòng)力潤(rùn)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(rùn)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(jié)構(gòu)因素對(duì)軸承運(yùn)行過(guò)程中摩擦性能的影響進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 軸承結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦性能影響分析

圖1為船舶軸系從啟動(dòng)開(kāi)始到額定轉(zhuǎn)速水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑狀態(tài)隨著轉(zhuǎn)速增加而變化的示意圖。在主軸啟動(dòng)階段，軸與軸承相互接觸，此時(shí)摩擦系數(shù)最大，隨著轉(zhuǎn)速的增加摩擦系數(shù)會(huì)迅速下降，此時(shí)軸承處于邊界潤(rùn)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(rùn)滑階段，此時(shí)摩擦系數(shù)繼續(xù)降低，在該階段摩擦系數(shù)將達(dá)到最小值;隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，軸和軸承之間完全被一層水膜隔開(kāi)，而由于水膜力的剪切作用，摩擦系數(shù)稍稍增大。在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段運(yùn)行的軸及軸承磨損幾乎為0［3］。

圖1 軸承摩擦特性與潤(rùn)滑效應(yīng)圖Fig.1 Regime of bearing lubrication

水潤(rùn)滑軸承建立水膜的原理是流體動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)理，即靠軸與軸承間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(kāi)，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(lái)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度和逐漸收斂的間隙。以上3個(gè)條件缺一不可。下面就從軸承結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑水膜形成條件的影響進(jìn)行分析。

1.1 軸瓦承載面形狀對(duì)軸承摩擦性能影響

水潤(rùn)滑軸承軸瓦形狀主要有弧面型和平面型2種。目前我國(guó)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(jié)構(gòu)。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(jìn)的軸承均采用承載面為平面的軸承，如圖2(b)所示。

對(duì)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(méi)有間隙，這種使得軸系啟動(dòng)階段及低轉(zhuǎn)速工況時(shí)，軸瓦的邊緣起到了類(lèi)似于雨刮器的作用，將潤(rùn)滑液從軸上刮掉，使其無(wú)法進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(rùn)滑動(dòng)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(duì)軸承摩擦性能影響

按常規(guī)的設(shè)計(jì)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(shí)隨著軸承負(fù)荷及軸徑的增加，冷卻水量需求會(huì)相應(yīng)增加，為保證冷卻水量，許多設(shè)計(jì)者會(huì)增加流水槽道深度，從而使橡膠層的厚度增加。

實(shí)際上由于軸系對(duì)中的要求，尾軸承允許磨損量有嚴(yán)格限制，并不能通過(guò)增加軸承厚度來(lái)提高軸承使用壽命。而且橡膠層厚度對(duì)水潤(rùn)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(huì)帶來(lái)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(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 不同橡膠層厚度軸瓦結(jié)構(gòu)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(yùn)行時(shí)，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(dòng)產(chǎn)生的壓力來(lái)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(lái)以下幾點(diǎn)好處:

1)橡膠軸瓦受載荷作用會(huì)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(rùn)滑液，有利于流體通過(guò)，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(zhǎng)度，根據(jù)雷諾方程可知，由此能降低建立流體動(dòng)壓所需的相對(duì)速度V，即降低軸承建立動(dòng)壓潤(rùn)滑所需的速度，改善低轉(zhuǎn)速工況的潤(rùn)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(huì)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(shí)還要考慮軸承磨損量的需求。

1.3 軸瓦布置形式對(duì)軸承摩擦性能影響

在尾軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)軸瓦的布置形式對(duì)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(dòng)壓潤(rùn)滑理論可知，軸在滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在一定的偏心，潤(rùn)滑液膜的最大壓力點(diǎn)并不在軸承最低部，而是存在一定的偏心，因此對(duì)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(rùn)滑水膜的建立。從軸承實(shí)際運(yùn)行時(shí)軸瓦的摩擦磨損痕跡也可證明該結(jié)論。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水潤(rùn)滑橡膠軸承試驗(yàn)在圖6所示的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)架主要由驅(qū)動(dòng)部分、試驗(yàn)部分、加載部分和測(cè)試部分組成。試驗(yàn)主軸用45鋼制成，其軸頸鑲有銅襯套，襯套長(zhǎng)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(cè)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(cè)試試驗(yàn)軸的摩擦力矩，壓力表提供液壓加載油缸的載荷大小。試驗(yàn)所用的各種儀器儀表都經(jīng)過(guò)有關(guān)部門(mén)校準(zhǔn)和標(biāo)定，使用時(shí)都處在其有效期范圍內(nèi)。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖Fig.6 Schematic view of experiment system

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 軸瓦形狀對(duì)軸承摩擦性能影響試驗(yàn)

為了驗(yàn)證軸承軸瓦表面形狀對(duì)軸承摩擦特性的影響，進(jìn)行了弧面軸承和平面軸承的臺(tái)架試驗(yàn)。如圖7所示，2個(gè)試驗(yàn)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(yàn)軸承安裝時(shí)保證軸承的底部都為板條。

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

試驗(yàn)測(cè)量了2個(gè)試驗(yàn)軸承在不同承載壓力下隨轉(zhuǎn)速變化的摩擦特性，試驗(yàn)軸承載荷分別為0.1 MPa，0.2 MPa和0.4 MPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用平面結(jié)構(gòu)的橡膠軸承在試驗(yàn)的3個(gè)比壓下摩擦系數(shù)都要低于弧面結(jié)構(gòu)的橡膠軸承。對(duì)于0.4 MPa的高比壓工況，2個(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)性能。

2.2.2 軸瓦厚度對(duì)軸承性能影響試驗(yàn)

為了對(duì)比分析軸承橡膠層厚度對(duì)摩擦性能的影響，進(jìn)行了不同厚度橡膠層軸承的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示。2個(gè)試驗(yàn)樣機(jī)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(yàn)軸承時(shí)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(xiàn)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(yàn)測(cè)量了2個(gè)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(yàn)軸承載荷分別為0.1 MPa，0.2 MPa和0.4 MPa。試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果表明，軸承軸瓦取不同橡膠層厚度對(duì)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(dòng)力潤(rùn)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(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮減振、耐磨、壽命等因素。因此軸承軸瓦厚度的選取還應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)合適的橡膠層厚度。

2.2.3 軸瓦布置形式對(duì)軸承性能影響試驗(yàn)

為了對(duì)比分析軸承軸瓦布置形式對(duì)摩擦性能的影響，對(duì)同一個(gè)軸承分別進(jìn)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(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)軸承載荷分別為0.1 MPa，0.2 MPa和0.4 MPa。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，除了0.2 MPa的個(gè)別工況外，底部為水槽布置結(jié)構(gòu)的軸承摩擦系數(shù)都要遠(yuǎn)小于底部為板條結(jié)構(gòu)的軸承，0.2 MPa的個(gè)別工況可以認(rèn)為是試驗(yàn)誤差所致。試驗(yàn)結(jié)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(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究及臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證表明，在軸承設(shè)計(jì)過(guò)程中除了選擇合適的軸承材料，還應(yīng)從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)考慮水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):

1)采用平面型軸瓦結(jié)構(gòu)，改善軸承在低轉(zhuǎn)速工況的運(yùn)行條件;

2)通過(guò)理論分析和原理試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)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(guò)以上方法的采用，能明顯降低水潤(rùn)滑軸承的摩擦、磨損，提高軸系傳動(dòng)效率，并延長(zhǎng)軸承使用壽命。

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