船舶無(wú)軸推進(jìn)器中旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承最大位移量研究

蘭任生，靳栓寶，祝 昊，沈 洋，劉 濤

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430033）

船舶無(wú)軸推進(jìn)器中旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承最大位移量研究

蘭任生，靳栓寶，祝 昊，沈 洋，劉 濤

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430033）

旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承運(yùn)行時(shí)的固有跳動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)使永磁電機(jī)的電磁氣隙產(chǎn)生隨動(dòng)變化，導(dǎo)致動(dòng)偏心問(wèn)題。為了減少這種動(dòng)偏心現(xiàn)象對(duì)推進(jìn)器振動(dòng)噪聲的不良影響，將旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠軸承跳動(dòng)所導(dǎo)致的最大位移量限定在電磁氣隙的5%以內(nèi)，提出了一種設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法。文章以某型船舶無(wú)軸推進(jìn)器中旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承最大位移量0.4 mm為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)有限元仿真計(jì)算得出在極端干摩擦工況下最大位移量為0.36 mm，搭建新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)得最大位移量為0.28 mm。仿真值與結(jié)果表明設(shè)計(jì)軸承達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，文中設(shè)計(jì)方法有效可靠，為設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠軸承提供了科學(xué)依據(jù)。

無(wú)軸推進(jìn)器 水潤(rùn)滑軸承 橡膠軸承 位移量

0 引言

船舶無(wú)軸推進(jìn)器是一種將永磁推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子與推進(jìn)器槳葉集成為一體，取消了傳統(tǒng)的穿艙推進(jìn)軸系和密封系統(tǒng)，并采用電能直接傳遞功率輸出的新型船舶全電力推進(jìn)技術(shù)[1,2]。目前挪威布倫沃爾（Brunvoll）公司已經(jīng)成功開發(fā)了功率等級(jí)從200千瓦到1.5兆瓦間的船舶無(wú)軸推進(jìn)器系列。英國(guó)羅爾斯羅伊斯（Rolls-Royce）和德國(guó)福伊特（Voith）等世界知名推進(jìn)器制造商也都開發(fā)出了百千瓦功率等級(jí)的船舶無(wú)軸側(cè)向推進(jìn)器[3-5]。

船舶無(wú)軸推進(jìn)器的主要技術(shù)特點(diǎn)之一，是采用了推力與支撐軸承組合而成的一體化水潤(rùn)滑軸承。其中，水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承通常布置在槳葉輪轂中，并隨槳葉一同旋轉(zhuǎn)[6-9]。這種旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承相比于傳統(tǒng)的靜止型水潤(rùn)滑橡膠艉軸軸承而言，具有以下特點(diǎn)：1）槳葉重力載荷與軸承承載力中心基本重合，因此軸承載荷分布均勻，軸承磨損量、最大工作溫度和振動(dòng)噪聲相對(duì)較??；2）軸承旋轉(zhuǎn)工作后，在混合摩擦狀態(tài)，軸承摩擦副的磨損面沿槳葉旋轉(zhuǎn)方向成 360°均勻分布，進(jìn)而提高了軸承的使用壽命。但是旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承運(yùn)行時(shí)的固有跳動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)使永磁電機(jī)的電磁氣隙產(chǎn)生隨動(dòng)變化，出現(xiàn)動(dòng)偏心問(wèn)題。所以，為了減少這種動(dòng)偏心現(xiàn)象所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子最大位移對(duì)推進(jìn)器振動(dòng)噪聲的不良影響，將旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠軸承的最大位移量限定在電磁氣隙的5%以內(nèi)。

為了改善軸承散熱和排異性能，一般把水潤(rùn)滑橡膠軸承設(shè)計(jì)成帶溝槽的結(jié)構(gòu)。Cabrera和Wang[10]通過(guò)數(shù)值分析研究表明，即使在水膜建立后的工作條件下，水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承也會(huì)和軸發(fā)生接觸，進(jìn)而產(chǎn)生一定的橡膠變形。孟凡明[11]使用自編流固耦合軸承有限元程序，利用影響系數(shù)法和非線性優(yōu)化法研究得出：水潤(rùn)滑橡膠軸承在載荷 200 kN工作條件下會(huì)發(fā)生明顯的彈性變形。Daugherty[12]研究了7種板條型橡膠軸承的動(dòng)摩擦系數(shù)隨速度變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)橡膠變形會(huì)阻礙軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，得出橡膠軸承襯厚度越薄動(dòng)摩擦系數(shù)越小的結(jié)論。秦紅玲[13]基于軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了橡膠厚度和硬度對(duì)動(dòng)摩擦性能的影響，觀察到動(dòng)摩擦系數(shù)隨橡膠厚度和硬度降低而降低的現(xiàn)象。此外，Litwin[14]通過(guò)有限元軟件理論分析研究表明，結(jié)構(gòu)和材料對(duì)軸承的動(dòng)壓潤(rùn)滑特性和軸心軌跡影響較大，因此優(yōu)化軸承的材料和結(jié)構(gòu)能顯著提升水潤(rùn)滑橡膠軸承的工作性能。

在船舶無(wú)軸推進(jìn)器中，水潤(rùn)滑橡膠軸承與螺旋槳集成為一體并隨螺旋槳一同旋轉(zhuǎn)，所以軸承的最大位移量將直接反應(yīng)為螺旋槳的動(dòng)偏心量。為了防止螺旋槳?jiǎng)悠膶?duì)無(wú)軸推進(jìn)器綜合性能的影響，本文將開展對(duì)旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承最大位移量的有限元仿真與旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑支撐軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試相結(jié)合的研究方法，驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠軸承是否滿足單邊最大位移量小于0.4 mm的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承最大位移量設(shè)計(jì)

當(dāng)以軸承位移量為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑支撐軸承的研制流程如圖 1所示。首先明確設(shè)計(jì)輸入，研究分析水潤(rùn)滑橡膠軸承使用工況和技術(shù)要求，通過(guò)解析模型設(shè)計(jì)水潤(rùn)滑橡膠軸承初始方案，即軸承的內(nèi)徑、外徑、軸向長(zhǎng)度和比壓安全系數(shù)。然后基于數(shù)值模型和有限元模型開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了接觸狀態(tài)下水潤(rùn)滑橡膠軸承接觸應(yīng)力、變形分布等，通過(guò)公式(3)換算出水潤(rùn)滑橡膠軸承主軸位移量。當(dāng)軸承位移量滿足設(shè)計(jì)要求后，開展軸承的制造和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖 1位移量設(shè)計(jì)方案

根據(jù)某型船舶無(wú)軸推進(jìn)器的名義徑向載荷1.9 kN、比壓p小于0.246 MPa（與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，安全系數(shù)大于 1）和軸承尺寸限定的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合圖 1的設(shè)計(jì)流程，經(jīng)數(shù)值模型設(shè)計(jì)得出了旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑支撐軸承的初始設(shè)計(jì)方案為軸承內(nèi)徑115 mm、外徑136 mm、長(zhǎng)度126.5 mm。進(jìn)而得出軸承的比壓為：

根據(jù)國(guó)外同類產(chǎn)品名義載荷[p]=0.246 MPa,則安全系數(shù)為：

初始設(shè)計(jì)軸承的比壓安全系數(shù)大于 1，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承的初始方案（見(jiàn)圖2）和設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承位移量分析

由于水的粘度很低，所以旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承運(yùn)行時(shí)所形成的水膜很薄。容易受到外界干擾，而發(fā)生支撐軸與軸承橡膠軸襯間的接觸現(xiàn)象。因此，在分析水潤(rùn)滑橡膠軸承最大位移量時(shí)，可以將軸承的位移量分為兩個(gè)部分：一個(gè)部分是軸承與軸的裝配間隙，以及制造公差；另一個(gè)部分是橡膠軸襯發(fā)生的彈性形變， 并總結(jié)為：

上式中：J—軸承位移量；

ESb—軸承上偏差，ESb= 0.25；(實(shí)際軸承加工后115.25 mm)；

?S—橡膠軸襯變形量；

EIj—軸承下偏差，EIj= 0.09。(實(shí)際軸加工后115.09 mm)

表1 旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承初始設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承初始設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖

本文所研究的旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承要求在轉(zhuǎn)速600 r/min、徑向載荷1.9 kN的工況下，軸承最大位移量不超過(guò)0.4 mm.據(jù)此，利用Ansys Workbench 16.1有限元商業(yè)軟件進(jìn)行直槽型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承軸承彈性形變分析。有限元分析的詳細(xì)步驟如下：

1）材料參數(shù)確定

旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承的組成材料及參數(shù)如表2所示。

2）幾何模型建模

本文中建模的有限元模型分為水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承和靜止軸兩部分，如圖 3所示。結(jié)合公式(3)，需要將水潤(rùn)滑橡膠軸承考慮實(shí)際加工誤差。因此，通過(guò)對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承樣件的實(shí)際測(cè)量，得到軸承內(nèi)徑為115.25 mm，軸直徑為115.09 mm，軸承長(zhǎng)度為126.5 mm。此外建模的初始偏心率e = （偏心距/半徑間隙）= 1，在此條件下水潤(rùn)滑橡膠軸承與軸剛好接觸，并未發(fā)生彈性形變。

圖 3 水潤(rùn)滑橡支撐膠軸承模型

3）網(wǎng)格剖分

為了精確計(jì)算橡膠軸承在承壓后的彈性變形，對(duì)橡膠軸襯網(wǎng)格進(jìn)行了加密，其中模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為517312、單元數(shù)為116960。

圖 4 直槽水潤(rùn)滑橡膠軸承網(wǎng)格劃分

4）邊界條件設(shè)置

水潤(rùn)滑橡膠軸承是通過(guò)模壓硫化精密成形工藝將丁腈橡膠材料硫化在銅管內(nèi)壁上，因此故橡膠內(nèi)襯與銅管采用了綁定邊界條件，如圖5所示。軸和橡膠軸襯工作面的接觸邊界條件設(shè)定為摩擦邊界條件摩擦系數(shù)取0.15，轉(zhuǎn)速為600 r/min。假設(shè)水潤(rùn)滑橡膠軸承處于最極端的干摩擦工況條件下運(yùn)行，即靜止軸和水潤(rùn)滑橡膠軸承，并求解此時(shí)橡膠軸襯的最大變形量。為了便于分析，將軸承外殼固定約束，對(duì)主軸施加1.9 kN徑向載荷。

圖5 直槽水潤(rùn)滑橡膠軸承接觸邊界條件

目標(biāo)水潤(rùn)滑橡膠軸承的應(yīng)力和變形分布如圖6所示?？梢郧逦挠^察到，與軸發(fā)生接觸的軸襯中有4塊板條承擔(dān)了徑向載荷，其中最大應(yīng)力為0.26 MPa。由于沒(méi)有約束限制，橡膠軸襯的變形主要分布在軸承兩端，因此是水潤(rùn)滑橡膠軸承彈性形變量最大的區(qū)域。最終，仿真得出水潤(rùn)滑橡膠軸承的最大位移量為0.36 mm。

3 旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承試驗(yàn)分析

在仿真分析水潤(rùn)滑橡膠軸承最大位移量符合設(shè)計(jì)要求后，開展了橡膠軸承的加工制造工作。圖7展示的是水潤(rùn)滑橡膠軸承三維制圖與實(shí)際產(chǎn)品照片。

圖7 直槽型水潤(rùn)滑橡膠軸承三維與實(shí)物圖

由于目標(biāo)水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承為特有的旋轉(zhuǎn)型工作模式，因此需要在專門設(shè)計(jì)的水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)架上開展性能分析試驗(yàn)工作。圖 8展示的是新型旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑軸承綜合測(cè)試臺(tái)架，其中軸承的最大位移量是利用電渦流傳感器進(jìn)行測(cè)量的。

圖 8水潤(rùn)滑橡膠旋轉(zhuǎn)支撐軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表3總結(jié)了旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從中可以看出，在溫度、轉(zhuǎn)速、載荷一定的情況下，旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承的最大位移量隨進(jìn)口水壓的變化有輕微幅度改變，因此旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承的最大位移量隨水壓變化關(guān)系微弱。此外，軸承最大位移量幅值與有限元仿真結(jié)果0.36 mm有較好的吻合度，并且都一致表明軸承最大位移量值小于0.4 mm的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比，驗(yàn)證了文中旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠軸承最大位移量計(jì)算方法的可行性。

表3 水潤(rùn)滑橡膠軸承位移量試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

由于船舶無(wú)軸推進(jìn)器中的旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承具有特殊工作方式和與推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子高度集成的特點(diǎn)，使其最大位移量成為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。本文利用有限元建模仿真計(jì)算和新型水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承能夠達(dá)到最大位移量小于某一設(shè)計(jì)值。試驗(yàn)結(jié)果還表明，旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承的最大位移量隨進(jìn)口水壓的變化關(guān)系微弱。

本文為系統(tǒng)性的建立對(duì)旋轉(zhuǎn)型水潤(rùn)滑橡膠支撐軸承摩擦學(xué)性能的研究，奠定了基礎(chǔ)。

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Maximum Displacement of Rotary Water Lubricated Rubber Bearing for Shipborne Shaftless Propulsor

Lan Rensheng, Jin Shuanbao, Zhu Hao, Shen Yang, Liu Tao

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The elastic deformation of rotary water lubricated rubber bearing (RWLR bearing) presents negative effect on impeller eccentricity, which results in undesired fluctuation of output torque. Therefore, the amount of maximum elastic deformation of RWLR is designed below than 5% of electric machine’s electromagnetic air-gap length. In this paper, a RWLR bearing with the design aim of achieving maximum elastic deformation below than 0.4 mm is designed and evaluated by both finite-element analysis (FEA) and test. It is founded that the amount of maximum deformation of RWLR is 0.36 mm by FEA and 0.28 mm by experiment. The results show that bearing reaches the design target and the design method is effective and reliable. It provides scientific basis for the design of RWLR bearing.

rubber bearing; shaftless propulsor; runout; water lubricated bearing.

U664.21

A

：1003-4862（2017）02-0016-04

2016-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51307177，51309229，51409256)

蘭任生(1992-)，男，碩士生。專業(yè)方向：電氣工程。E-mail: 532087205@qq.com