水潤(rùn)滑橡膠軸承設(shè)計(jì)參數(shù)的探討與設(shè)計(jì)實(shí)例

劉建華，杜鑫，趙萬(wàn)勇

(1.新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003;2.蘭州理工大學(xué) 流體能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730050)

隨著人們對(duì)資源和環(huán)保問(wèn)題的日益關(guān)注，對(duì)機(jī)械零件的節(jié)能節(jié)材和環(huán)保要求已成為機(jī)械設(shè)計(jì)必須考慮的因素之一。作為對(duì)轉(zhuǎn)子部件起支承作用的水潤(rùn)滑橡膠軸承，以其無(wú)污染、低成本、耐磨損、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸小、摩擦因數(shù)小，對(duì)軸的振動(dòng)和偏斜不敏感，不需要復(fù)雜的潤(rùn)滑和密封系統(tǒng)，對(duì)泥沙的不敏感和良好的緩沖吸振性能等優(yōu)點(diǎn)已成為目前研究的熱點(diǎn)之一。目前常用水潤(rùn)滑橡膠軸承總體特性為：承載能力0.25～3.5 MPa，工作轉(zhuǎn)速15～4 500 r/min，摩擦因數(shù)0.01～0.18，使用壽命大于9 000 h[1]。由于缺乏系統(tǒng)的研究，工程設(shè)計(jì)中基本上是按照經(jīng)驗(yàn)選取水潤(rùn)滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。文中將根據(jù)水潤(rùn)滑橡膠軸承在MPV-200 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果和在泵中的實(shí)際應(yīng)用，探討水潤(rùn)滑橡膠軸承參數(shù)的選取。

1 基本結(jié)構(gòu)

水潤(rùn)滑橡膠軸承有整體式、組裝式。其基本結(jié)構(gòu)分為軸瓦和軸襯兩部分，軸瓦為金屬或工程塑料等，軸襯一般采用合成橡膠或橡膠改性材料，橡膠軸襯上具有一定數(shù)目的水道槽。軸徑不超過(guò)55 mm的泵用整體式水潤(rùn)滑橡膠軸承通常沒(méi)有軸瓦部分。圖1所示為DL型立式多級(jí)清水泵上使用的縱向四溝槽的水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)。為防止腐蝕，與軸承配合的軸頸處鍍一厚度為0.08～0.1 mm的鉻層并磨光,軸頸處的表面粗糙度Ra一般為0.8～3.2 μm。

圖1 水潤(rùn)滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)的探討

2.1 水道槽結(jié)構(gòu)

水道槽主要起冷卻、潤(rùn)滑以及排出介質(zhì)中顆粒的作用。水潤(rùn)滑橡膠軸承工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量應(yīng)完全由水道槽中的冷卻水帶走，但開(kāi)了水道槽后軸承上應(yīng)力分布也發(fā)生了變化。如圖2所示，由于水道槽中產(chǎn)生了較大的渦流，水潤(rùn)滑橡膠軸承的摩擦因數(shù)會(huì)增大；水道槽開(kāi)得越多，摩擦因數(shù)越大。

圖2 全開(kāi)槽與半開(kāi)槽應(yīng)力分布圖

水道槽的截面形狀有方形和圓弧形。方形水道槽潤(rùn)滑性能好，摩擦因數(shù)??；并且方形水道槽的軸承所能承受的平均載荷比具有相同數(shù)目圓弧形水道槽的軸承所能承受的平均載荷大。按其潤(rùn)滑槽道的形式，可分為螺旋形水道槽和軸向槽式水道槽。其中螺旋形水道槽由于潤(rùn)滑槽道長(zhǎng)，阻力大且表面精加工相對(duì)困難，現(xiàn)在主要用于需要在較高的壓力下供給冷卻和潤(rùn)滑用水的場(chǎng)合，如揚(yáng)程較高的多級(jí)泵；軸向槽式由于排污性能好、供水壓力低，目前應(yīng)用最為廣泛。

水道槽的深度h1同橡膠層厚度h的關(guān)系為：h1=(0.4～0.5)h。對(duì)于水潤(rùn)滑橡膠軸承,必須保證在0.05～0.15 MPa壓力下不斷地供應(yīng)冷卻水，潤(rùn)滑水量應(yīng)根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)等進(jìn)行估算。

對(duì)水道槽沿軸向開(kāi)通的開(kāi)式結(jié)構(gòu)軸承，水在水道槽內(nèi)的流速按3～8 m/s計(jì)算，環(huán)形間隙中的水量按間隙流計(jì)算。對(duì)水道槽沿軸向不開(kāi)通的閉式結(jié)構(gòu)軸承，根據(jù)熱平衡計(jì)算其最小水量。

2.2 橡膠層厚度

橡膠層的厚度是水潤(rùn)滑橡膠軸承的重要參數(shù)。橡膠層過(guò)厚，不能實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑；橡膠層過(guò)薄，軸承的彈性不足，也不能實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，因此，橡膠層厚度有一個(gè)最佳值。它取決于軸徑、軸的平衡度、軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、懸浮于水中的固體顆粒尺寸以及制造工藝等。一般在污水中工作的軸承采用耐磨橡膠軸襯而且橡膠層厚度稍大些；在清水介質(zhì)中工作的軸承的橡膠層建議最小厚度為6 mm。試驗(yàn)證明，當(dāng)軸承內(nèi)徑d=25～75 mm時(shí)，橡膠層的最佳厚度為8 mm，通常可取為7～10 mm；當(dāng)軸承內(nèi)徑d=100～250 mm時(shí)，橡膠層的最佳厚度為12 mm，通常可取為10～15 mm；當(dāng)軸承內(nèi)徑d大于250 mm時(shí)，橡膠層的最佳厚度為17 mm，通常可取為15～20 mm。

2.3 軸承間隙

軸承間隙δ是重要的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)之一，間隙大小不僅影響裝配的難易程度，還會(huì)影響軸承的工作性能，如摩擦、磨損、潤(rùn)滑性能及承載能力等。

軸承間隙大小和軸徑、橡膠層厚度、橡膠層硬度有關(guān)。橡膠層越厚、硬度越低、軸徑越大，則軸承間隙相應(yīng)越大;而橡膠層越薄、硬度越高、軸徑越小，則軸承間隙相對(duì)取小一些，存在最佳間隙值。例如直徑為35 mm的軸,表面粗糙度Ra=0.8 μm,軸承表面粗糙度Ra=1.6 μm,橡膠層硬度為75 HA,橡膠層厚度6 mm的試驗(yàn)表明，最佳軸承間隙值為0.15 mm，此時(shí)的摩擦因數(shù)最小。

MPV-200 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)縱向6溝槽水潤(rùn)滑橡膠軸承(Φ35 mm×Φ45 mm×70 mm)在載荷為3 000 N的條件下摩擦因數(shù)的測(cè)試結(jié)果(圖3)表明，摩擦因數(shù)受軸承間隙的影響較大，在一定的間隙范圍內(nèi)，摩擦因數(shù)隨著間隙增大而減小。但間隙超過(guò)一定尺寸后，摩擦因數(shù)反而增大，因?yàn)樵陂g隙過(guò)大時(shí)軸承與軸之間不容易形成動(dòng)壓效應(yīng)；而間隙過(guò)小時(shí)，由于橡膠的彈性變形和橡膠材料的吸水性，很容易形成干摩擦。另外，間隙大小對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承承載能力也有一定的影響。在其他條件不變的情況下，承載能力隨軸承間隙的增大而減小。

圖3 不同間隙下轉(zhuǎn)速與摩擦因數(shù)的關(guān)系

綜上所述，軸承間隙δ選取時(shí)主要考慮摩擦和磨損狀況以及軸承的承載能力，即軸承間隙內(nèi)必須有一定厚度的潤(rùn)滑水膜，一般應(yīng)保證潤(rùn)滑水膜的厚度不小于10 μm。對(duì)于軸徑70 mm以下的軸承，最佳間隙值為0.15 mm。

內(nèi)存推移理論及其實(shí)驗(yàn)·····················李凱凱 金 翊 歐陽(yáng)山 周時(shí)強(qiáng) (2,151)

2.4 軸承長(zhǎng)徑比

軸承長(zhǎng)徑比即軸承長(zhǎng)度l與其內(nèi)徑d的比值，其大小影響軸承的承載能力、摩擦因數(shù)和安裝條件等。長(zhǎng)徑比與軸承的最大壓強(qiáng)、承載能力以及摩擦因數(shù)的關(guān)系分別如圖4～圖6所示。由圖可知，承載力始終隨著長(zhǎng)徑比的增加而線性增加；最大壓強(qiáng)隨長(zhǎng)徑比增大而增大，直到長(zhǎng)徑比大于1后，其不再隨長(zhǎng)徑比的增大而增大；摩擦因數(shù)隨長(zhǎng)徑比的增大，先減小后增大，長(zhǎng)徑比在2附近時(shí)，摩擦因數(shù)最小。軸承在兩端的承載能力較低，而在中部較高，增大長(zhǎng)徑比有利于提高其承載能力，但增加軸承長(zhǎng)度不僅帶來(lái)安裝上的困難,還可能使軸承散熱差,工作狀況惡化。

圖4 最大壓強(qiáng)與長(zhǎng)徑比的關(guān)系曲線

圖5 承載力與長(zhǎng)徑比的關(guān)系曲線

圖6 摩擦因數(shù)變化曲線

因此，水潤(rùn)滑橡膠軸承在選擇長(zhǎng)徑比時(shí)，要綜合考慮各個(gè)因素。在立式泵中，由于徑向力做周期性變化，一般長(zhǎng)徑比在0.8～1.5內(nèi)取值[2]；對(duì)于臥式泵中，一般長(zhǎng)徑比取1.2～2.5[3]。

2.5 許用壓強(qiáng)

許用壓強(qiáng)[p]是設(shè)計(jì)該水潤(rùn)滑橡膠軸承的一個(gè)重要指標(biāo)。由于橡膠是高彈性體,壓強(qiáng)太大會(huì)引起工作面變形過(guò)大而使承載能力下降,使用時(shí)應(yīng)限制軸承的最大壓強(qiáng)pmax，應(yīng)使pmax≤[p][4]。對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，為限制軸承的溫升，同時(shí)要限制軸承壓強(qiáng)p和相對(duì)滑動(dòng)速度v的乘積值即pv值，使pv≤[pv]。軸承許用壓強(qiáng)的變化范圍較大，且同軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)，如當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速很低時(shí)(18～20 r/min)，許用壓強(qiáng)只有1.5～2.0 MPa，而當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速大于4 500 r/min時(shí)，許用壓強(qiáng)可達(dá)3.5 MPa。一般允許的設(shè)計(jì)壓強(qiáng)不超過(guò)0.4 MPa,建議采用0.1～0.15 MPa。在水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)查看設(shè)計(jì)壓強(qiáng)的合理性，來(lái)檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)尺寸是否合理[5]。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工況及工作要求

以某水泵廠40DL型立式多級(jí)泵上水潤(rùn)滑軸承為設(shè)計(jì)實(shí)例。該泵的性能參數(shù)為：流量Q=6.2 m3/s，揚(yáng)程H=24 m，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，配套功率P=1.5 kW，汽蝕余量NPSHR=3.2 m。

對(duì)于DL型立式多級(jí)泵，軸承的供水壓力取決于泵的進(jìn)口壓力，且進(jìn)口壓力在臨界汽蝕狀態(tài)時(shí)軸承的供水壓力最低，所以軸承設(shè)計(jì)時(shí)按最不利的工況條件進(jìn)行計(jì)算，即：泵進(jìn)口壓力為0.1 MPa、泵在接近臨界汽蝕狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)軸承供水壓力為0.068 MPa，軸承工作溫度不超過(guò)65 ℃，需連續(xù)循環(huán)水潤(rùn)滑冷卻，保證軸運(yùn)轉(zhuǎn)靈活。

3.2 材料選取和結(jié)構(gòu)確定

軸承材料應(yīng)有足夠的抗沖擊、抗壓和抗疲勞性能，高的耐磨性能和低的摩擦因數(shù)，較小的永久變形和一定的硬度，良好的工藝性和與潤(rùn)滑分子良好的親和力，較好的經(jīng)濟(jì)性。因此，選取丁晴橡膠-Ⅱ作為水潤(rùn)滑軸承材料。

由于軸承需由連續(xù)循環(huán)水潤(rùn)滑冷卻，所以軸承內(nèi)壁上需有沿圓周上均勻分布的水道槽，考慮加工性采用方形截面軸向槽式水道槽，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3 參數(shù)的確定

軸承內(nèi)徑d根據(jù)泵軸軸頸處直徑確定，取d=35 mm，選取長(zhǎng)徑比l/d=1.5，則l=55 mm；由于輸送介質(zhì)為清水，所以按冷卻作用來(lái)確定水道槽截面尺寸。

需要冷卻水量為

式中：q為冷卻水量；u為軸頸的圓周速度；c為與u有關(guān)的系數(shù)；Δt為冷卻水允許的最大溫升。

選取軸頸和軸承內(nèi)徑間隙為0.15 mm，水道槽數(shù)量為4個(gè)。水道槽內(nèi)水以冷卻為主，所以水流速取為6.6 m/s。

軸承內(nèi)過(guò)水面積為

s=q/v=9×10-5m2，

水道槽截面面積

綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸，取橡膠的厚度h=7.5 mm，計(jì)算選取h1=4 mm。由于水道槽的存在對(duì)承載區(qū)域面積有較大的影響，所以應(yīng)盡量減小水道槽的寬度，經(jīng)計(jì)算取水道槽槽寬b=5 mm。最終設(shè)計(jì)的40DL型泵用水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 40DL型泵用水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)

3.4 工作能力校核

軸承承受的徑向載荷包括泵進(jìn)口水流不對(duì)稱和轉(zhuǎn)子不平衡等引起的軸承側(cè)壓力。其中泵進(jìn)口水流的不對(duì)稱產(chǎn)生的徑向力P1=125.9 N，其他力無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，所以軸承承受的徑向載荷近似為P=1.2P1=151 N。

軸承壓強(qiáng)

相對(duì)滑動(dòng)速度

pv=0.22 MPa·m/s<[pv]=9.2 MPa·m/s，

所以軸承的工作能力滿足要求。經(jīng)40DL型泵運(yùn)行證明效果良好，完全滿足泵的運(yùn)行要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)介紹了泵用水潤(rùn)滑橡膠軸承水道槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)量及其截面面積大小的確定方法。

(2)分析了橡膠層厚度對(duì)摩擦因數(shù)的影響，確定了最佳厚度。

(3)根據(jù)軸承間隙和長(zhǎng)徑比對(duì)軸承承載能力、摩擦因數(shù)等各方面的影響確定了軸徑小于70 mm軸承的最佳間隙值為0.15 mm，其長(zhǎng)徑比應(yīng)取0.8～2.5。

上述分析的結(jié)果，對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承的工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)，對(duì)軸承潤(rùn)滑和磨損機(jī)理的進(jìn)一步研究提供幫助。