張 飛，何 濤 ，蔣文超

(1.上海漣屹軸承科技有限公司，上海 201100；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430205)

國(guó)內(nèi)多數(shù)船舶使用油作為艉管軸承潤(rùn)滑介質(zhì)，造成潤(rùn)滑油的浪費(fèi)，并且潤(rùn)滑油的泄漏會(huì)對(duì)河、海的水資源環(huán)境造成污染，威脅生態(tài)環(huán)境；由于潤(rùn)滑油的黏性高，艉管軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，易造成油潤(rùn)滑軸承溫度異常升高而影響其使用壽命。水潤(rùn)滑艉管軸承通常以海水或者河水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，具有環(huán)保無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、減振降噪、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和軍事價(jià)值[1]。某電力推進(jìn)軸系試驗(yàn)平臺(tái)，其水潤(rùn)滑艉管軸承為賽龍軸承材料，平臺(tái)運(yùn)行數(shù)月后，艉管后軸承嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致艉軸下沉，并伴有艉管處振動(dòng)噪聲過(guò)大現(xiàn)象。本文針對(duì)此軸承磨損事故原因進(jìn)行了機(jī)理分析，并通過(guò)研究分析重新對(duì)平臺(tái)艉管軸承進(jìn)行了材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提高了試驗(yàn)平臺(tái)艉管軸承的可靠性與使用壽命，保障了平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 水潤(rùn)滑艉管軸承磨損機(jī)理分析

1.1 原因分析

圖1為某試驗(yàn)平臺(tái)水潤(rùn)滑艉管軸承嚴(yán)重磨損后的實(shí)物圖。根據(jù)試驗(yàn)方提供信息及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，艉軸軸頸直徑為270 mm，軸承徑向安裝間隙為1.2 mm，水潤(rùn)滑艉管軸承厚度為21 mm，磨損后最小厚度為15 mm。

圖1 某試驗(yàn)平臺(tái)艉管軸承嚴(yán)重磨損后的實(shí)物圖

根據(jù)試驗(yàn)方提供信息及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)水潤(rùn)滑艉管軸承的磨損事故進(jìn)行判斷：①軸系軸承載荷分布不合理，艉管后軸承承壓過(guò)大，導(dǎo)致軸承嚴(yán)重磨損；②水潤(rùn)滑艉管軸承工作時(shí)，軸承間隙內(nèi)形成具有一定厚度的動(dòng)壓水膜，膜壓力將軸支撐起來(lái)，試驗(yàn)平臺(tái)由于轉(zhuǎn)速低、軸承承載大，艉軸與艉管軸承之間未能形成有效的動(dòng)壓水膜，從而使艉軸與艉管軸承摩擦表面直接接觸，加重艉管軸承磨損，發(fā)生艉軸下沉及振動(dòng)過(guò)大事故；③軸承液膜壓力與膜厚的變化以及溫度升高使水潤(rùn)滑艉管軸承易受空化效應(yīng)的影響，影響其承載能力，使軸承材料受到侵蝕。

1.2 軸系校中校核

軸系載荷分布不合理，可導(dǎo)致水潤(rùn)滑艉管軸承過(guò)度磨損，發(fā)生事故，因此通過(guò)對(duì)原軸系進(jìn)行校中校核計(jì)算，研究軸系相關(guān)布置的合理性。根據(jù)軸系實(shí)際布置結(jié)果，將高彈視為自由端，螺旋槳作為集中載荷處理，建立校中計(jì)算模型，軸系計(jì)算模型全長(zhǎng)約為12 m，通過(guò)傳遞力矩法按照規(guī)范進(jìn)行計(jì)算[2]，軸系校中計(jì)算模型示意圖如圖2所示。圖2中，G為螺旋槳集中重力，作用點(diǎn)為螺旋槳重心位置；F1為密封動(dòng)環(huán)組件的作用力，作用點(diǎn)為動(dòng)環(huán)組件重心位置；F2為盤(pán)車(chē)裝置大齒輪的作用力，作用點(diǎn)為大齒輪重心位置。

圖2 軸系校中計(jì)算模型示意圖

根據(jù)試驗(yàn)方提供的原始合理校中時(shí)軸系布置及軸承位移值，軸系合理性計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中，軸承位移值為試驗(yàn)方提供原始合理校中時(shí)軸承的位移值；20%G指相鄰兩軸段之間重力的20%[2]。

表1 軸系合理性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1校中結(jié)果及實(shí)際測(cè)量值，艉管后軸承1反力為81.86 kN，艉管后軸承比壓接近其比壓許用值[3]，而艉管前軸承2比壓為0.09 MPa；平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，由于載荷分布不均可造成水膜壓力過(guò)大以及膜厚不足以隔離艉管后軸承與艉軸，使軸承經(jīng)常處于邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑狀態(tài)，從而摩擦學(xué)性能下降，在船舶啟停和低速重載的情況下尤為嚴(yán)重，因此，試驗(yàn)平臺(tái)軸系布置不合理是艉管后軸承嚴(yán)重磨損的根本原因；此外，艉管后軸承處轉(zhuǎn)角的弧度為7.1×10-4rad，轉(zhuǎn)角過(guò)大而未采取相關(guān)補(bǔ)救措施也是軸承異常磨損的主要原因。

1.3 軸承潤(rùn)滑特性計(jì)算分析

水潤(rùn)滑艉管軸承工作時(shí)，形成具有一定厚度的動(dòng)壓水膜，水膜支撐艉軸并防止艉軸與艉管軸承直接接觸；因此通過(guò)對(duì)艉管軸承液膜壓力及液膜厚度的研究，可以確定艉管軸承的潤(rùn)滑與磨損特性。

1)液膜壓力計(jì)算及結(jié)果分析。已知水潤(rùn)滑艉管軸承承載與工作環(huán)境，研究其在實(shí)際工況下的潤(rùn)滑特性。使用有限元軟件ARMD建立數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其潤(rùn)滑特性進(jìn)行研究分析，按照實(shí)際工況輸入載荷，艉管軸承間隙等參數(shù)由試驗(yàn)方提供，艉管軸承液膜壓力分布云圖見(jiàn)圖3。針對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際工況，計(jì)算得液膜壓力與軸系轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

圖3 艉管軸承液膜壓力分布云圖

圖4 液膜壓力與軸系轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

由圖3、圖4知，液膜壓力集中在承載區(qū)正下方，且單一變量下，液膜壓力隨軸系轉(zhuǎn)速的增加而減小，即軸系轉(zhuǎn)速越大，越有利于液膜的形成；當(dāng)軸系轉(zhuǎn)速小于80 r/min時(shí)，液膜壓力急劇增大，達(dá)到0.9 MPa以上，可能會(huì)使軸承產(chǎn)生局部干摩擦，溫度快速升高，導(dǎo)致軸承承載區(qū)過(guò)度磨損。

2)液膜厚度計(jì)算及結(jié)果分析。圖5為液膜最小厚度與液膜軸系轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，由圖5知，液膜厚度隨著軸系轉(zhuǎn)速的增加而增加。

圖5 液膜最小厚度與液膜軸系轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

根據(jù)水潤(rùn)滑艉管軸承數(shù)值計(jì)算結(jié)果，軸承液膜厚度隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，而艉管軸承實(shí)際工作時(shí)常用轉(zhuǎn)速為70 r/min，即最小液膜厚度約為7.5 μm。由于水膜較薄，水潤(rùn)滑艉管后軸承與艉軸之間經(jīng)常處于邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑性能下降，導(dǎo)致平臺(tái)艉管后軸承磨損嚴(yán)重。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，原軸系布置不合理，導(dǎo)致軸承載荷分布不均勻，艉管后軸承與艉軸之間難以形成有效的動(dòng)壓水膜，潤(rùn)滑性能下降，從而平臺(tái)因艉管軸承過(guò)度磨損發(fā)生故障。由于更改軸系布置成本過(guò)大，因此為了降低成本，提高水潤(rùn)滑艉管軸承的可靠性及使用壽命，對(duì)水潤(rùn)滑艉管軸承的材料選用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)展研究分析。艉管軸承材料的耐磨性能易受溫度影響，過(guò)高的溫度易導(dǎo)致水潤(rùn)滑艉管軸承磨損嚴(yán)重甚至直接燒壞，通常具有良好導(dǎo)熱性的軸承材料以及設(shè)計(jì)有效冷卻的結(jié)構(gòu)有利于減緩水潤(rùn)滑艉管軸承的摩擦磨損，艉管中存在的泥沙也會(huì)導(dǎo)致水潤(rùn)滑艉管軸承的潤(rùn)滑性能減弱，影響水潤(rùn)滑艉管軸承的使用壽命，因此對(duì)水潤(rùn)滑艉管軸承材料的選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要[4]。

1)根據(jù)水潤(rùn)滑艉管軸承材料潤(rùn)滑特性及機(jī)械性能，將選用纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱MRXW-01)，MRXW-01材料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性好、吸振性好等優(yōu)點(diǎn)，相比于原賽龍軸承材料具有良好的熱導(dǎo)性及耐磨性能，且適用于各種泥沙工況中，試驗(yàn)測(cè)得MRXW-01相關(guān)性能如表2所示。

表2 試驗(yàn)測(cè)得MRXW-01相關(guān)性能

2)根據(jù)校中計(jì)算結(jié)果和軸承潤(rùn)滑特性的研究分析，由于艉管后軸承處艉軸轉(zhuǎn)角的弧度為7.1×10-4rad， 易導(dǎo)致水潤(rùn)滑艉管后軸承與艉軸接觸不均勻，從而導(dǎo)致艉管后軸承端部嚴(yán)重磨損，因此將艉管后軸承設(shè)計(jì)斜鏜孔，即軸線傾斜度為0.5 mm/m，解決由于艉管后軸承處艉軸轉(zhuǎn)角過(guò)大對(duì)艉管后軸承造成的影響?？紤]到復(fù)合材料的水脹性以及熱脹性，安裝間隙設(shè)計(jì)為1.3 mm，以保證其運(yùn)行間隙符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；軸承非承載區(qū)設(shè)計(jì)有導(dǎo)水槽，使艉管后軸承充分冷卻，有效防止水膜破壞，減小液膜阻尼系數(shù)，減緩軸承磨損程度，艉管軸承結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 艉管軸承結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語(yǔ)

文章按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了艉管后軸承承載校核，并以校核結(jié)果為輸入?yún)?shù)，對(duì)艉管軸承潤(rùn)滑特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究，得到了艉管后軸承過(guò)度磨損原因，并對(duì)艉管軸承進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。根據(jù)研究結(jié)果，選擇了更具耐磨特性的MRXW-01材料，提高了平臺(tái)水潤(rùn)滑艉管后軸承的使用壽命；對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)艉管后軸承軸線進(jìn)行了調(diào)整，使艉管后軸承受力更加均勻，從而減緩艉管后軸承磨損，提高了艉管后軸承使用壽命。