王 娟，王 雋，楊 俊

(武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

水潤滑橡膠軸承板條設計參數(shù)分析

王 娟，王 雋，楊 俊

(武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

設計一種低摩擦、長壽命的水潤滑軸承一直都是設計者和供應商所追求的目標，而水潤滑軸承潤滑特性和耐磨性能的提高不僅取決于材料，還與軸承板條的結(jié)構(gòu)設計密切相關。本文從水潤滑軸承橡膠板條結(jié)構(gòu)參數(shù)設計入手，重點分析橡膠板條厚度等參數(shù)對軸承潤滑特性的影響，為低摩擦、長壽命水潤滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)設計提供參考和借鑒。

水潤滑;橡膠軸承;板條

0 引言

水潤滑橡膠軸承具有成本低、無污染、高減振和抗沖擊等顯著優(yōu)點［1］，60年來在各類船舶上得到了廣泛應用。隨著船舶技術的不斷發(fā)展，無論是民用商船還是軍用艦船，成本是必須要考慮的問題，因此設計一種低摩擦、長壽命的水潤滑軸承一直都是設計者和供應商所追求的目標。水潤滑軸承潤滑特性和耐磨性能的提高不僅取決于材料，還與軸承板條的結(jié)構(gòu)設計密切相關，本文將重點探討橡膠軸承板條結(jié)構(gòu)尺寸對軸承潤滑和承載能力的影響。

在過去，軸承設計者為了減少摩擦，增加軸承彈性，通常也是增加橡膠的厚度。分析和實踐證明，橡膠軸承承載軸系運行時，本身具有泵壓效應，轉(zhuǎn)動的軸系將潤滑液轉(zhuǎn)入到載荷區(qū)并增大壓力。減少橡膠層的厚度可以減少軸的下沉量，避免橡膠板條兩邊形成凸起并刮掉潤滑液，同時還可以減少軸與軸承間的楔型角，更有利于軸承更快地建立液膜，從而減少摩擦、磨損［2］。

本文通過建立水潤滑橡膠軸承的基本模型，并應用ADINA軟件的流固分析模塊對具有縱向溝槽橡膠軸承板條的設計參數(shù)對其潤滑和承載能力進行理論研究，重點分析相同轉(zhuǎn)速條件下橡膠板條厚度對軸承壓力分布、承載能力和摩擦系數(shù)的影響，同時分析橡膠板條導角處過渡圓弧尺寸對軸承潤滑特性的影響，為低摩擦、長壽命水潤滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)設計提供參考和借鑒。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

船用水潤滑橡膠軸承分為整體硫化式和板條式2種類型［3］。受制造工藝和成本的限制，軸頸D≤200 mm的軸承一般采用整體硫化式，軸頸D＞200 mm軸承則采用板條式［4］。無論是整體硫化式橡膠軸承還是板條式橡膠軸承，其最常見的結(jié)構(gòu)形式是縱向溝槽式。如圖1所示，水潤滑橡膠軸承由襯套和橡膠軸瓦2部分組成，橡膠軸瓦為條狀結(jié)構(gòu)，橡膠板條之間設計有縱向布置的流水槽，用于使水流通過并冷卻軸承以及帶走泥沙。

圖1 板條式橡膠軸承結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of the rubber bearings batten

1.2 工作原理

工作時，橡膠軸承與軸組成了一對摩擦副。當軸系運轉(zhuǎn)時，軸和橡膠軸瓦之間產(chǎn)生相對運動。良好的水潤滑軸承是建立在良好的自潤滑材料、良好的抗磨性，以及一種能快速產(chǎn)生水潤滑水膜的結(jié)構(gòu)設計基礎上的。橡膠的摩擦系數(shù)有很強的非線性，因此隨著轉(zhuǎn)速的變化，軸承的潤滑狀態(tài)也會發(fā)生變化。如圖2所示，根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同水潤滑軸承一般工作在3個區(qū)域，即邊界區(qū)域、混合潤滑區(qū)和水動力潤滑區(qū)。

圖2 軸承摩擦特性與潤滑效應圖Fig.2 Relation characteristic of bearing friction and lubricated mode

這條曲線表明了摩擦系數(shù)和水潤滑狀態(tài)參數(shù)之間的關系。第1個區(qū)域叫做邊界區(qū)域，軸和軸承的直接接觸導致了很大的摩擦系數(shù)，在這個區(qū)域內(nèi)，具有良好自潤滑能力的軸承材料是有重大益處的。當轉(zhuǎn)速升高，到達第2個區(qū)域的時候，水潤滑開始建立，造成軸和軸承之間直接接觸區(qū)域變小，有效地將軸托起，遠離軸承，在這個區(qū)域中，摩擦系數(shù)急劇減小。第3個區(qū)域就是水動力潤滑區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，所有軸承和軸直接接觸被消除，隨著軸轉(zhuǎn)速進一步升高，摩擦力進一步升高，原因是因為水黏度所產(chǎn)生的剪切力變大。水潤滑軸承在各區(qū)域的壓力分布效果如圖3所示。

圖3 水潤滑軸承壓力分布圖Fig.3 Pressure distributing of the rubber bearings

2 水潤滑橡膠軸承分析模型

為了分析水潤滑橡膠軸承板條設計參數(shù)對軸承承載能力、潤滑特性的影響，本文利用ADINA流固耦合有限元分析軟件建立了軸頸尺寸為200 mm的水潤滑橡膠軸承分析模型，計算的有關參數(shù)如表1所示。

表1 水潤滑橡膠軸承分析參數(shù)表Tab.1 Analytical parameter table ofwater-lubricated rubber bearings

2.1 假設

在求解過程中，對有限元模型做以下假設:

1）水膜內(nèi)的流動狀態(tài)為層流;

2）不考慮水膜及橡膠內(nèi)襯的熱交換。

2.2 邊界條件

1）角速度

流體模型內(nèi)壁與軸壁接觸，其線速度與軸外壁線速度相同，將其設為角速度邊界條件。

2）固定約束

結(jié)構(gòu)模型外壁設為固定約束邊界條件。

3）流固耦合界面

結(jié)構(gòu)模型內(nèi)壁指定為與流體模型外壁對應的流固耦合界面，流體模型外壁指定為與結(jié)構(gòu)模型內(nèi)壁相對應的流固耦合界面。

考慮水潤滑橡膠軸承內(nèi)，水膜的流動主要是沿圓周方向，軸向的流動很小，因此軸向流體壓力可以認為是恒定的。

根據(jù)上述條件，建立水潤滑橡膠軸承的分析模型如圖4所示。

圖4 水潤滑橡膠軸承的分析模型Fig.4 Analysismodel of the rubber bearings

針對表1所示水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)，取不同的橡膠層厚度和過渡圓弧半徑進行潤滑特性分析，以研究不同橡膠層厚度和過渡圓弧半徑對潤滑性能的影響。

3 板條設計參數(shù)

3.1 橡膠層厚度對壓力分布的影響

用ADINA軟件的流固分析模塊分別對橡膠層厚度為5mm，7mm，9mm和11 mm時軸承的周向壓力進行了分析。當軸轉(zhuǎn)速為200 r/min時，壓力分布云圖如圖5所示。

圖5 不同橡膠層厚度下的壓力分布云圖Fig.5 Pressure distributing nephogram in the different batten thickness of the rubbermaterial

圖6 橡膠層厚度對最大壓力的影響Fig.6 The influence of the rubber batten thickness to the pressure

從圖5和圖6可以看出，水潤滑軸承下半部分周向壓力較大，而上半部分周向壓力較小，這是因為軸承下半部分是主要承載區(qū)，因此周向壓力大;在相同轉(zhuǎn)速條件下隨著橡膠板條厚度尺寸的增加，軸承周向最大壓力逐漸減少。

3.2 橡膠層厚度對承載能力的影響

圖7是不同橡膠層厚度下的承載能力情況，從圖中可看出，軸承的承載能力隨著橡膠層厚度的增加而逐漸降低。結(jié)合圖6的最大壓力分布變化曲線可以看出，當橡膠層厚度增加時，相同條件下，水膜中的壓力會隨之降低，承載能力也就隨之降低。

圖7 承載能力隨厚度的變化Fig.7 The transformation of the carrying capacity

3.3 橡膠層厚度對摩擦系數(shù)的影響

圖8是相同偏心和相同轉(zhuǎn)速條件下，不同橡膠層厚度條件下的摩擦系數(shù)變化曲線?？梢钥吹?，不同橡膠層厚度下摩擦系數(shù)的數(shù)值相差不大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于本分析是建立在流體動壓潤滑的基礎上，因此在相同的轉(zhuǎn)速條件下，流體對軸頸的粘性力基本相同，所以摩擦系數(shù)也較為接近。

圖8 摩擦系數(shù)隨橡膠層厚度的變化Fig.8 The transformation of the the friction coefficient

3.4 板條導角處過渡圓弧尺寸對潤滑性能的影響

為了研究板條式水潤滑橡膠軸承各板條的導角處圓弧半徑對潤滑性能的影響，取板條導角處圓弧半徑r(見圖9）為0，5，10，15 和20 mm，計算在相同條件下的壓力分布、承載能力和摩擦系數(shù)。

圖9 板條導角處圓弧半徑示意圖Fig.9 The sketch map of the batten round angle

圖10給出了板條導角處圓弧半徑為0，5，10，15和20 mm五種情況下，水膜中的壓力分布云圖。

圖10 不同板條導角處圓弧半徑的壓力分布云圖Fig.10 Pressure distributing nephogram of the batten round angle

圖11給出了上述5種情況下的軸承承載能力和摩擦系數(shù)的對比情況和變化曲線。

圖11 板條導角處圓弧半徑對承載能力及摩擦系數(shù)的影響Fig.11 The infection of the batten round angle to carrying capacity and friction coefficient

由圖11可以看出，從承載能力及摩擦系數(shù)看，板條導角處圓弧半徑的大小在一定范圍內(nèi)增加，不僅有利于承載能力的提高，而且能夠降低摩擦系數(shù)，但板條導角處圓弧半徑不是越大越好。對于本文分析水潤滑軸承來說，當板條導角處的圓弧半徑為10mm時，其承載能力達到最大，摩擦系數(shù)也較小;而當圓弧半徑再增大達到20 mm時，摩擦系數(shù)進一步減小，但承載能力卻有所下降，即對分析軸承來說軸承板條導角處的圓弧半徑為10 mm時有利于提高其承載能力。

4 結(jié)語

以上分析研究表明，水潤滑軸承板條的結(jié)構(gòu)參數(shù)對潤滑特性有一定影響。隨著橡膠板條層厚度的增加，水膜中的最大壓力和承載能力都有所減小，而摩擦系數(shù)變化不大。橡膠板條導角處圓弧半徑對承載能力的影響有一較優(yōu)值，對所分析的水潤滑軸承來說，圓弧半徑為10mm時較好，此時承載能力最大，摩擦系數(shù)也較小。

［1］余歆尤，張啟浩，羅松承.水潤滑陶瓷軸承的試驗研究［J］.潤滑與密封，1997(3）:49 －51.

YU Xin-you， ZHANG Qi-hao， LUO Song-cheng.Experimental study of ceramic bearings lubricated by water［J］.Lubrication Engineering，1997(3）:49 －51.

［2］姚世衛(wèi)，等.水潤滑橡膠軸承磨擦行為及試驗研究.船舶科學技術，2009，31(12）:32 －35.

YAO Shi-wei，et al.Vibration and noise generation theory and experiment of water-lubricated rubber bearings［J］.Ship Science and Technology，2009，31(12）:32 －35.

［3］姚世衛(wèi)，等.橡膠軸承研究進展及在艦艇上的應用分析，艦船科學技術，2005，27(S1）:27 －30.

YAO Shi-wei，et al.The new development of rubber beating and its application in warships［J］.Ship Science and Technology，2005，27(S1）:27 －30.

Design parameter research of water-lubricated rubber bearings

WANG Juan，WANG Jun，YANG Jun
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

Designing the water-lubricated rubber bearings of lowness friction and length longevity is the object to designer，the lubricative and wearable speciality lies on the material and the batten configuration.Structure factors such as thickness of rubber that related to friction of rubber bearings had been studied，which can give reference to design low friction and long life rubber bearing.

water-lubricated;rubber bearings;batten

TH122

A

1672－7649(2013）03－0125－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.028

2011－06－23

王娟(1978－），女，碩士研究生，高級工程師，主要從事船舶軸系傳動研究。