陳梅干

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

[關(guān) 鍵 詞] 水潤滑；軸承；研究

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

隨著城市化的快速發(fā)展和人口的增長，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、船舶潤滑油的泄漏、海上石油開采、海水養(yǎng)殖的添加劑對我國近海造成了很大污染。其中，海洋機械由于運輸泄露、工作濺射、正常更換等種種原因，機械設(shè)備中的潤滑油都不可避免地被排放到海水中，這都對江海湖泊以及陸地造成了嚴(yán)重破壞，甚至對生物生態(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)濟發(fā)達(dá)的西方國家，如美國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滑艉軸承，通過法律的途徑對水資源環(huán)境加以保護(hù)。因此，我國應(yīng)該鼓勵綠色發(fā)展，倡導(dǎo)對水潤滑軸承的應(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，各國亦開始著手研究和開發(fā)綠色無污染并且集可靠、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，用水作為潤滑介質(zhì)以替代礦物油的滑動軸承。與傳統(tǒng)油潤滑軸承相比，水潤滑軸承有其獨特的優(yōu)越性，采用橡膠作為襯層的水潤滑橡膠軸承，由于橡膠材料特殊的性質(zhì)和軸承加工過程中的獨特工藝，使其具有以下優(yōu)點：（1）潤滑介質(zhì)水粘度低，壓粘效應(yīng)和溫粘效應(yīng)相對于油要穩(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)簡單，價格適中。

水潤滑橡膠軸承在環(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。我們該如何提高水潤滑軸承的工作特性呢？如何改善水潤滑軸承的實際應(yīng)用效果呢？這些問題已經(jīng)逐漸成為各個國家該領(lǐng)域的科技工作者相繼探索的一個焦點方向。

二、研究的現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟和科技水平的高速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在水潤滑橡膠軸承的研究方面也取得了重大進(jìn)展，國外有運用流體力學(xué)對滑動軸承進(jìn)行分析的K. P. Gertzo（希臘）和R.Pai，D J Hargreaves（澳大利亞），有運用有限差分法求解雷諾方程達(dá)到對水潤滑軸承靜動態(tài)分析的B.C.Majumdar， R Pai和D. J. Hargreaves（澳大利亞），國內(nèi)有運用多重網(wǎng)格計算法將橡膠水潤滑軸承和塑料水潤滑軸承相結(jié)合的王家序、余江波等人，有運用MARC軟件分析出流體慣性對軸承潤滑心梗影響的段芳莉，有運用有限差分法對螺旋槽流體動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，國外的澳大利亞昆士蘭電子研究所，國內(nèi)的重慶大學(xué)、燕山大學(xué)、719研究所等在設(shè)計以及實驗方面進(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)用于各種水潤滑相關(guān)設(shè)備中。

三、研究目標(biāo)

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

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

2.通過應(yīng)用軟件——ANSYS FLUENT 來分析軸承在運行過程中其內(nèi)部流場，通過分析、對比、計算、總結(jié)，得出在不同工作情況、條件下的軸承潤滑特性（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水潤滑橡膠軸承潤滑性能的影響。

4.對特定結(jié)構(gòu)和間隙的水潤滑橡膠軸承進(jìn)行試驗，分析載荷、轉(zhuǎn)速和間隙對摩擦系數(shù)的影響，將實驗數(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)路線和實驗方案

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

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

3.對于簡化模型和溝槽結(jié)構(gòu)模型的水潤滑橡膠軸承，以及橡膠襯層的彈性變形和水的空化現(xiàn)象，通過對不同的轉(zhuǎn)速和偏心率進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬計算，對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軸承內(nèi)部流場分布的影響，使得數(shù)值仿真結(jié)果更接近于真實工況。

4.運用ANSYS Workbench平臺的強大功能，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，對水潤滑橡膠軸承的潤滑模型、潤滑機理進(jìn)行仿真、分析和研究。建立水潤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.研究水潤滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承潤滑特性的影響，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方面進(jìn)行數(shù)值仿真計算，得到有利于潤滑性能的提高的措施。

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

五、研究的創(chuàng)新點

1.建立適用于水潤滑橡膠軸承的計算流體力學(xué)模型，得出判定水膜流態(tài)的計算方法，選用RNG模型用于湍流狀態(tài)的計算；通過對軸承實際運轉(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)，得出水潤滑橡膠軸承的水膜承載能力、摩擦力及摩擦系數(shù)的計算方法。

2.對不同偏心率、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壓潤滑特性進(jìn)行比較分析。對水潤滑軸承工作中最大的壓強、橡膠變形、流速分布以及摩擦性能進(jìn)行研究，分析對潤滑性能有所提高的結(jié)構(gòu)變化。

3.根據(jù)仿真和試驗的分析，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)，試驗用軸承的最佳半徑間隙的條件。為溝槽水潤滑橡膠軸承潤滑機理的研究提供借鑒。

水潤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)，確定流體流動狀態(tài)，運用動壓潤滑理論及流固耦合理論，構(gòu)建潤滑求解模型，借助應(yīng)用軟件對軸承的潤滑模型進(jìn)行數(shù)值模擬，計算帶有溝槽的水潤滑橡膠軸承內(nèi)部的流場分布，計算帶有溝槽的水潤滑橡膠軸承內(nèi)部的流場分布，分析對比不同工況條件下的軸承潤滑特性。研究溝槽半徑、過渡圓弧半徑和橡膠襯層厚度等因素對水潤滑橡膠軸承潤滑性能的影響。對特定結(jié)構(gòu)和間隙的水潤滑橡膠軸承進(jìn)行試驗，分析載荷、轉(zhuǎn)速和間隙對摩擦系數(shù)的影響，對比仿真結(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，為水潤滑軸承的優(yōu)化設(shè)計提供理論和試驗數(shù)據(jù)。對我國大力發(fā)展“綠色航運”具有一定的推動作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃函.長江船舶艉軸水潤滑系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].武漢造船，1997（4）：4-8.

[2]王家序，王幫長.圓弧槽水潤滑橡膠軸承[P].中國專利：200510057180.8，2005.

[3]劉卿.玻璃鋼泵的研究與發(fā)展[J].流體工程，1988（6）：23-37.

[4]楊和庭，唐育民.船舶水潤滑尾管橡膠軸承的設(shè)計[J]. 武漢造船，2000（2）：19-22.

[5]王優(yōu)強，宋玲.水潤滑橡膠軸承設(shè)計研究[J].潤滑與密封，2003（2）：21-22.

[6]萬建新，李久明，鄭小秋.水潤滑軸承研究展望[J].煤礦機械，2008，29（7）：9-10.

[7]王家序，李太福.用水為潤滑介質(zhì)的摩擦副研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].重慶工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，1999（Z1）.

[8]白文普.測試動壓軸承最小油膜厚度的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2002，19（6）.