吳志猛，彭方躍，祝 然

（1.上海漣屹軸承科技有限公司，上海 201100；2.上海前瞻創(chuàng)新研究院有限公司，上海 201100）

0 引言

水潤滑艉軸承是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的主要組成部分[1-5]，主要承受艉軸和螺旋槳的重力及其轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的慣性力。水潤滑軸承的性能是制約船舶服役能力的重要因素之一，因此準(zhǔn)確合理的測(cè)試水潤滑軸承的性能對(duì)提高船舶的服役能力有很重要的影響。

目前對(duì)于水潤滑艉軸承的測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[6-8]，本文根據(jù)船舶艉軸承的工作環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，測(cè)試過程中艉軸承始終在水中運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)臺(tái)主要由主軸、水箱、加載裝置、調(diào)速裝置等機(jī)械系統(tǒng)還有傳感器、控制箱等電器系統(tǒng)組成[9-12]，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

1 主軸軸承模塊

主軸軸承模塊主要由測(cè)試軸承、艉軸及其支撐臺(tái)架組成（圖2）。該部分主要模擬船舶中的艉軸和軸承的結(jié)構(gòu)，軸承為復(fù)合材料軸承，安裝在軸和外殼之間。

圖2 艉軸和軸承模塊

圖3 為在測(cè)試過程中浸泡軸和軸承的水箱，水箱裝滿水淹沒軸和軸承，模擬水潤滑艉軸承的運(yùn)行環(huán)境。水箱上設(shè)有窺視孔，可以在軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中觀看水的流態(tài)。

圖3 水箱

2 軸承載荷和主軸轉(zhuǎn)速加載測(cè)量模塊

試驗(yàn)臺(tái)通過液壓裝置加載載荷，液壓施加向下的壓力在主軸的兩端，主軸在液壓力的作用下在測(cè)試軸承上施加向下的壓力，軸承受力的大小可以通過液壓油的壓力進(jìn)行控制。試驗(yàn)臺(tái)上施加在軸承上的壓力值可以在主板結(jié)構(gòu)上進(jìn)行加載，加載裝置如圖4 所示。

圖4 液壓加載裝置

主軸通過電機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)為無極調(diào)速電機(jī)，電機(jī)通過變頻器調(diào)速。本試驗(yàn)臺(tái)可以支撐主軸在500 r/min 以內(nèi)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)按鈕安裝在控制主板上。圖5 為加載轉(zhuǎn)速的電機(jī)與測(cè)試的主軸軸承之間的傳動(dòng)軸裝置。該裝置只傳遞扭矩不傳遞軸向力，過濾電機(jī)軸軸向力的影響。

圖5 主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間的連接裝置

3 主板控制模塊

圖6 為試驗(yàn)臺(tái)的主板控制模塊，主要通過主板進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和載荷大小的設(shè)定，主軸的啟動(dòng)、摩擦轉(zhuǎn)矩的測(cè)量顯示都在主板讀取。

圖6 主板控制模塊

4 傳感器模塊

試驗(yàn)臺(tái)的傳感器主要有壓力傳感器和溫度傳感器，溫度傳感器分為兩種：一種為外置溫度傳感器，一種為內(nèi)置溫度傳感器。

外置溫度傳感器安裝在水箱內(nèi)控制水箱的水溫，因?yàn)樗渲邪惭b了加熱棒，當(dāng)需要給水加熱時(shí)，開啟加熱棒，通過安裝在水箱4 個(gè)角上溫度傳感器測(cè)量加熱后的水溫。加熱棒和溫度傳感器交錯(cuò)安裝，避免安裝在一處，以保證測(cè)得的水溫為水箱中水的平均水溫，加熱棒周圍的水溫要高于水箱中的平均水溫，因此外置傳感器與加熱棒交錯(cuò)布置。

內(nèi)置溫度傳感器安裝在軸承的下方，主要用來測(cè)量軸承內(nèi)孔在運(yùn)行過程中的溫度。將軸承內(nèi)壁的前、中、后三端打孔，孔不直接穿透軸承，為軸承內(nèi)壁上的盲孔，距離內(nèi)壁5 mm 左右。內(nèi)置傳感器測(cè)得的溫度為軸承承載面的平均溫度。內(nèi)置溫度傳感器測(cè)得的溫度信號(hào)傳至控制主板，可以在主板的參數(shù)中直接讀出。

壓力傳感器也為內(nèi)置傳感器，主要測(cè)量軸承承受載荷的大小，壓力傳感器共有2 個(gè)，分別位于軸承前后兩端。與液壓加載裝置相配合，通過調(diào)節(jié)壓力來改變軸承承受的載荷。軸承的壓力值也可以在主板控制模塊上設(shè)定，來增加或減小軸承承受的壓力。當(dāng)前端的壓力設(shè)定值與軸承后端的壓力設(shè)定值不相同時(shí)，軸承處于偏載狀態(tài)。偏載會(huì)加速軸承的磨損，因此在設(shè)定前后加載的數(shù)值時(shí)應(yīng)該避免軸承前后兩端受到不同的壓力。

5 試驗(yàn)臺(tái)的組裝與應(yīng)用

在軟件中設(shè)計(jì)完成的試驗(yàn)臺(tái)的總裝圖如圖7 所示，試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖8 所示。本試驗(yàn)臺(tái)從設(shè)計(jì)到搭建完成花費(fèi)數(shù)月的時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸加工組裝零件，然后進(jìn)行安裝調(diào)試，目前該試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行水潤滑艉軸承的潤滑承載性能測(cè)試。

圖7 軸承測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)總裝

圖8 軸承測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速較高時(shí)，軸承處于良好的潤滑狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得的摩擦因數(shù)和摩擦力矩較小，軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸通過水膜隔開，水膜承載施加在軸承上的負(fù)載。當(dāng)載荷較小時(shí)，軸承表面的摩擦因數(shù)和摩擦力矩較小，此時(shí)軸承處于動(dòng)壓潤滑狀態(tài)。動(dòng)壓潤滑狀態(tài)是轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸與軸承分離的一種狀態(tài)，在該狀態(tài)下軸承處于良好的工作狀態(tài)，磨損量較小。

當(dāng)軸承處于良好的潤滑狀態(tài)時(shí)，軸承與主軸之間的潤滑水將摩擦產(chǎn)生的熱量逐漸帶走，軸承表面的溫度沒有明顯的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速從高到低調(diào)整時(shí)，軸承的動(dòng)壓潤滑狀態(tài)被破壞，摩擦因數(shù)明顯升高，軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸局部接觸，此時(shí)容易出現(xiàn)軸承的局部磨損。當(dāng)轉(zhuǎn)速由底到高調(diào)整時(shí)，軸承的潤滑狀態(tài)逐漸好轉(zhuǎn)，摩擦因數(shù)逐漸減小，水膜厚度逐漸增加，水膜的承載能力也在增加，此時(shí)軸承的磨損量逐漸減小。

當(dāng)載荷由小變大時(shí)，水膜厚度減小，軸承與主軸局部接觸，軸承溫度增加，容易出現(xiàn)局部磨損。當(dāng)載荷由大變小時(shí)，水膜厚度增加，潤滑狀態(tài)改善，軸承溫度沒有明顯變化。因此，軸承在高速輕載的運(yùn)行條件下具有良好的潤滑性能。