溝槽式水潤(rùn)滑橡膠軸承的潤(rùn)滑特性研究

陳梅干

[摘 要] 介紹了水潤(rùn)滑橡膠軸承的潤(rùn)滑特性研究的必要性、目標(biāo)，提出運(yùn)用動(dòng)壓潤(rùn)滑理論及流固耦合理論，構(gòu)建潤(rùn)滑求解模型，借助計(jì)算軟件對(duì)軸承的潤(rùn)滑模型進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算帶有溝槽的水潤(rùn)滑橡膠軸承內(nèi)部的流場(chǎng)分布，分析對(duì)比不同工況條件下的軸承潤(rùn)滑特性的技術(shù)路線和實(shí)驗(yàn)方案，具有一定的推廣性。

[關(guān) 鍵 詞] 水潤(rùn)滑；軸承；研究

[中圖分類號(hào)] U262.24 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）30-0146-02

隨著城市化的快速發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，海洋環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，近海流域附近的生活污水、工業(yè)廢水、船舶潤(rùn)滑油的泄漏、海上石油開采、海水養(yǎng)殖的添加劑對(duì)我國(guó)近海造成了很大污染。其中，海洋機(jī)械由于運(yùn)輸泄露、工作濺射、正常更換等種種原因，機(jī)械設(shè)備中的潤(rùn)滑油都不可避免地被排放到海水中，這都對(duì)江海湖泊以及陸地造成了嚴(yán)重破壞，甚至對(duì)生物生態(tài)平衡和自然生態(tài)環(huán)境帶來了一定的影響。目前，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的西方國(guó)家，如美國(guó)早已通過立法等法律途徑來嚴(yán)格禁止在內(nèi)地河流和湖泊通行的船舶中使用任何油潤(rùn)滑艉軸承，通過法律的途徑對(duì)水資源環(huán)境加以保護(hù)。因此，我國(guó)應(yīng)該鼓勵(lì)綠色發(fā)展，倡導(dǎo)對(duì)水潤(rùn)滑軸承的應(yīng)用與推廣。

一、研究的意義

在提倡節(jié)約資源、綠色環(huán)保的大環(huán)境背景下，各國(guó)亦開始著手研究和開發(fā)綠色無(wú)污染并且集可靠、高效節(jié)能、減振減噪等良好功效于一體的新型軸承系統(tǒng)，以此來解決海洋、河流、湖泊等水環(huán)境的污染問題。

水潤(rùn)滑橡膠軸承是一種采用橡膠、塑料、陶瓷等非金屬材料作為軸承襯層，用水作為潤(rùn)滑介質(zhì)以替代礦物油的滑動(dòng)軸承。與傳統(tǒng)油潤(rùn)滑軸承相比，水潤(rùn)滑軸承有其獨(dú)特的優(yōu)越性，采用橡膠作為襯層的水潤(rùn)滑橡膠軸承，由于橡膠材料特殊的性質(zhì)和軸承加工過程中的獨(dú)特工藝，使其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）潤(rùn)滑介質(zhì)水粘度低，壓粘效應(yīng)和溫粘效應(yīng)相對(duì)于油要穩(wěn)定；（2）安全性能好，水不具有可燃性，避免了由于溫度過高可能造成的燃料燃燒；（3）耐磨性好，親水性好，溝槽橡膠襯層包容性好；（4）橡膠材料能緩沖吸振降噪；（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格適中。

水潤(rùn)滑橡膠軸承在環(huán)保、節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展等方面具有非常大的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展空間，越來越受到人們的關(guān)注。我們?cè)撊绾翁岣咚疂?rùn)滑軸承的工作特性呢？如何改善水潤(rùn)滑軸承的實(shí)際應(yīng)用效果呢？這些問題已經(jīng)逐漸成為各個(gè)國(guó)家該領(lǐng)域的科技工作者相繼探索的一個(gè)焦點(diǎn)方向。

二、研究的現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水潤(rùn)滑橡膠軸承的研究方面也取得了重大進(jìn)展，國(guó)外有運(yùn)用流體力學(xué)對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行分析的K. P. Gertzo（希臘）和R.Pai，D J Hargreaves（澳大利亞），有運(yùn)用有限差分法求解雷諾方程達(dá)到對(duì)水潤(rùn)滑軸承靜動(dòng)態(tài)分析的B.C.Majumdar， R Pai和D. J. Hargreaves（澳大利亞），國(guó)內(nèi)有運(yùn)用多重網(wǎng)格計(jì)算法將橡膠水潤(rùn)滑軸承和塑料水潤(rùn)滑軸承相結(jié)合的王家序、余江波等人，有運(yùn)用MARC軟件分析出流體慣性對(duì)軸承潤(rùn)滑心梗影響的段芳莉，有運(yùn)用有限差分法對(duì)螺旋槽流體動(dòng)壓軸承作了詳盡研究的王麗麗等，他們是在理論及仿真層面進(jìn)行研究，另外，國(guó)外的澳大利亞昆士蘭電子研究所，國(guó)內(nèi)的重慶大學(xué)、燕山大學(xué)、719研究所等在設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了研究，也取得了很多重大突破。有些相關(guān)產(chǎn)品目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種水潤(rùn)滑相關(guān)設(shè)備中。

三、研究目標(biāo)

溝槽式水潤(rùn)滑橡膠軸承是在當(dāng)前產(chǎn)品的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大膽創(chuàng)新而產(chǎn)生的新型產(chǎn)品。以溝槽式水潤(rùn)滑橡膠軸承作為研究對(duì)象，要將動(dòng)壓潤(rùn)滑理論研究和分析情況與實(shí)際緊密結(jié)合起來，將計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合，將不同工況、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多方面研究。對(duì)于水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提供一定的理論借鑒，對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承的更新?lián)Q代及工程領(lǐng)域的應(yīng)用推廣及對(duì)國(guó)家機(jī)械產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和技術(shù)儲(chǔ)備具有一定的促進(jìn)作用。

1.根據(jù)軸承安裝間隙、轉(zhuǎn)速和幾何結(jié)構(gòu)，確定流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)，利用動(dòng)壓潤(rùn)滑理論和流固耦合理論，構(gòu)建溝槽水潤(rùn)滑橡膠軸承的潤(rùn)滑求解模型，確定數(shù)值計(jì)算類型及選擇合適的邊界條件。

2.通過應(yīng)用軟件——ANSYS FLUENT 來分析軸承在運(yùn)行過程中其內(nèi)部流場(chǎng)，通過分析、對(duì)比、計(jì)算、總結(jié)，得出在不同工作情況、條件下的軸承潤(rùn)滑特性（水膜壓力分布、流速分布、橡膠襯層變形等）。

3.建立艉軸承有限元模型，分別研究溝槽半徑、過渡圓弧半徑和橡膠襯層厚度對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承潤(rùn)滑性能的影響。

4.對(duì)特定結(jié)構(gòu)和間隙的水潤(rùn)滑橡膠軸承進(jìn)行試驗(yàn)，分析載荷、轉(zhuǎn)速和間隙對(duì)摩擦系數(shù)的影響，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果進(jìn)行比較，以便進(jìn)一步修改和完善。

四、技術(shù)路線和實(shí)驗(yàn)方案

1.從計(jì)算流體力學(xué)的角度進(jìn)行考慮，對(duì)水潤(rùn)滑軸承的工作原理以及動(dòng)壓形成的過程進(jìn)行研究和探索，計(jì)算水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，簡(jiǎn)化湍流狀態(tài)的控制方程?？紤]空穴現(xiàn)象，建立水潤(rùn)滑橡膠軸承水膜流場(chǎng)與軸承固體的二維流固耦合數(shù)學(xué)模型，并研究軸承潤(rùn)滑特性參數(shù)的計(jì)算方法。

2.通過Workbench平臺(tái)的FLUENT模塊來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的數(shù)值計(jì)算。本課題主要研究合適計(jì)算水潤(rùn)滑軸承內(nèi)流場(chǎng)的湍流模型，得到接近真實(shí)工況的計(jì)算模型和求解器，更有利于軸承內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算，同時(shí)考慮橡膠層的彈性變形與水的空化現(xiàn)象，確定數(shù)值計(jì)算方法。

3.對(duì)于簡(jiǎn)化模型和溝槽結(jié)構(gòu)模型的水潤(rùn)滑橡膠軸承，以及橡膠襯層的彈性變形和水的空化現(xiàn)象，通過對(duì)不同的轉(zhuǎn)速和偏心率進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)承載能力的分布以及摩擦系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，找出轉(zhuǎn)速和偏心率等工況對(duì)軸承內(nèi)部流場(chǎng)分布的影響，使得數(shù)值仿真結(jié)果更接近于真實(shí)工況。

4.運(yùn)用ANSYS Workbench平臺(tái)的強(qiáng)大功能，尤其它其中的Coulping system耦合模塊，進(jìn)行流體Fluent與固體Transient Structural的雙向流固耦合模型的構(gòu)建，對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承的潤(rùn)滑模型、潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行仿真、分析和研究。建立水潤(rùn)滑橡膠軸承的仿真模型，求解水膜壓力分布和流速分布的瞬時(shí)變化狀況。求解不同轉(zhuǎn)速和不同偏心率下的水膜壓力分布狀況、水膜流速分布、橡膠襯層的變形、等效應(yīng)力。并計(jì)算相應(yīng)工況條件下的水膜承載力、摩擦力和摩擦系數(shù)。

5.研究水潤(rùn)滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承潤(rùn)滑特性的影響，采用雙向流固耦合方法，分別從最大水膜壓力、橡膠襯層變形和承載能力幾個(gè)方面進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得到有利于潤(rùn)滑性能的提高的措施。

6.通過水潤(rùn)滑尾軸承臺(tái)架模擬試驗(yàn)，采用MPV-20D屏顯式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)由交流電機(jī)拖動(dòng)，液壓油泵加載，計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，摩擦系數(shù)可以通過計(jì)算機(jī)直接讀出。通過改變轉(zhuǎn)速和載荷，探索水潤(rùn)滑橡膠尾軸承的摩擦系數(shù)隨工況參數(shù)變化的規(guī)律，并將試驗(yàn)結(jié)果與前面研究的數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。驗(yàn)證轉(zhuǎn)速與載荷等參數(shù)間的關(guān)系與軸承機(jī)構(gòu)的合理性，分析影響它們的主要因素，為水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

五、研究的創(chuàng)新點(diǎn)

1.建立適用于水潤(rùn)滑橡膠軸承的計(jì)算流體力學(xué)模型，得出判定水膜流態(tài)的計(jì)算方法，選用RNG模型用于湍流狀態(tài)的計(jì)算；通過對(duì)軸承實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況的分析，確定合適的邊界條件；結(jié)合流固耦合求解技術(shù)，得出水潤(rùn)滑橡膠軸承的水膜承載能力、摩擦力及摩擦系數(shù)的計(jì)算方法。

2.對(duì)不同偏心率、不同轉(zhuǎn)速、不同溝槽半徑、不同過渡圓弧半徑、不同橡膠襯層厚度等多種工況下的動(dòng)壓潤(rùn)滑特性進(jìn)行比較分析。對(duì)水潤(rùn)滑軸承工作中最大的壓強(qiáng)、橡膠變形、流速分布以及摩擦性能進(jìn)行研究，分析對(duì)潤(rùn)滑性能有所提高的結(jié)構(gòu)變化。

3.根據(jù)仿真和試驗(yàn)的分析，研究軸承的摩擦系數(shù)隨載荷、轉(zhuǎn)速、軸承間隙這三個(gè)影響因素的變化規(guī)律，得出隨著轉(zhuǎn)速增大，軸承摩擦因數(shù)減小的結(jié)論。得到試驗(yàn)用的軸承在轉(zhuǎn)速600～1000

r/min轉(zhuǎn)速下具有較低的摩擦系數(shù)，試驗(yàn)用軸承的最佳半徑間隙的條件。為溝槽水潤(rùn)滑橡膠軸承潤(rùn)滑機(jī)理的研究提供借鑒。

水潤(rùn)滑橡膠軸承是船舶推進(jìn)裝置的重要零部件，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于潛水泵、船舶艉管等工程機(jī)械。根據(jù)軸承安裝間隙、轉(zhuǎn)速和幾何結(jié)構(gòu)，確定流體流動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)用動(dòng)壓潤(rùn)滑理論及流固耦合理論，構(gòu)建潤(rùn)滑求解模型，借助應(yīng)用軟件對(duì)軸承的潤(rùn)滑模型進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算帶有溝槽的水潤(rùn)滑橡膠軸承內(nèi)部的流場(chǎng)分布，計(jì)算帶有溝槽的水潤(rùn)滑橡膠軸承內(nèi)部的流場(chǎng)分布，分析對(duì)比不同工況條件下的軸承潤(rùn)滑特性。研究溝槽半徑、過渡圓弧半徑和橡膠襯層厚度等因素對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承潤(rùn)滑性能的影響。對(duì)特定結(jié)構(gòu)和間隙的水潤(rùn)滑橡膠軸承進(jìn)行試驗(yàn)，分析載荷、轉(zhuǎn)速和間隙對(duì)摩擦系數(shù)的影響，對(duì)比仿真結(jié)果中的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，得到軸承的最佳間隙，為水潤(rùn)滑軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)我國(guó)大力發(fā)展“綠色航運(yùn)”具有一定的推動(dòng)作用。

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