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)簡單、可靠性高、無需特別維護(hù)、安裝快速簡便、不受海水腐蝕、具有一定的自對中能力以及清潔環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)［1-3］。

對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)考慮的問題。影響水潤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)，其對水潤滑橡膠軸承在較低的主軸轉(zhuǎn)速下建立“流體水動(dòng)力潤滑”，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)因素對軸承運(yùn)行過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)架對分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 軸承結(jié)構(gòu)對摩擦性能影響分析

圖1為船舶軸系從啟動(dòng)開始到額定轉(zhuǎn)速水潤滑軸承潤滑狀態(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)壓潤滑，軸和軸承之間完全被一層水膜隔開，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 軸承摩擦特性與潤滑效應(yīng)圖Fig.1 Regime of bearing lubrication

水潤滑軸承建立水膜的原理是流體動(dòng)壓潤滑機(jī)理，即靠軸與軸承間的相對運(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，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)對潤滑水膜形成條件的影響進(jìn)行分析。

1.1 軸瓦承載面形狀對軸承摩擦性能影響

水潤滑軸承軸瓦形狀主要有弧面型和平面型2種。目前我國多數(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似于雨刮器的作用，將潤滑液從軸上刮掉，使其無法進(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)際上由于軸系對中的要求，尾軸承允許磨損量有嚴(yán)格限制，并不能通過增加軸承厚度來提高軸承使用壽命。而且橡膠層厚度對水潤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滑液，有利于流體通過，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)壓所需的相對速度V，即降低軸承建立動(dòng)壓潤滑所需的速度，改善低轉(zhuǎn)速工況的潤滑條件。

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 軸瓦布置形式對軸承摩擦性能影響

在尾軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究過程中，還發(fā)現(xiàn)軸瓦的布置形式對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)架及測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水潤滑橡膠軸承試驗(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)過有關(guān)部門校準(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 軸瓦厚度對軸承性能影響試驗(yàn)

為了對比分析軸承橡膠層厚度對摩擦性能的影響，進(jìn)行了不同厚度橡膠層軸承的對比試驗(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 軸瓦布置形式對軸承性能影響試驗(yàn)

為了對比分析軸承軸瓦布置形式對摩擦性能的影響，對同一個(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

通過對水潤滑橡膠軸承的結(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。

通過以上方法的采用，能明顯降低水潤滑軸承的摩擦、磨損，提高軸系傳動(dòng)效率，并延長軸承使用壽命。

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