水润滑橡胶轴承结构设计

杨 俊，王 隽，周旭辉，姚世卫

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

水润滑橡胶轴承在各型船舶的尾轴承上应用广泛，其具有结构简单、可靠性高、无需特别维护、安装快速简便、不受海水腐蚀、具有一定的自对中能力以及清洁环保等诸多优点［1-3］。

对于民用船舶轴系而言，控制生产及运行成本，增加轴承使用寿命是其选择轴承的首要条件，因此在水润滑橡胶轴承设计中，降低轴承系统的摩擦磨损，提高传动系统的效率及轴承使用寿命，是需要重点考虑的问题。影响水润滑橡胶轴承使用寿命的因素除了橡胶材料本身外，还有轴承的结构，其对水润滑橡胶轴承在较低的主轴转速下建立“流体水动力润滑”，降低轴承摩擦磨损有非常重要的影响［4-6］。

本文主要从水润滑橡胶轴承的承载面形状、轴瓦橡胶层厚度及轴瓦布置形式等结构因素对轴承运行过程中摩擦性能的影响进行分析，并设计了试验台架对分析结果进行试验验证。

1 轴承结构对摩擦性能影响分析

图1为船舶轴系从启动开始到额定转速水润滑轴承润滑状态随着转速增加而变化的示意图。在主轴启动阶段，轴与轴承相互接触，此时摩擦系数最大，随着转速的增加摩擦系数会迅速下降，此时轴承处于边界润滑状态;随着转速的增加，轴和轴承之间的部分区域仍然直接接触，但是部分区域已经建立水膜，为混合润滑阶段，此时摩擦系数继续降低，在该阶段摩擦系数将达到最小值;随着转速继续升高，形成流体动压润滑，轴和轴承之间完全被一层水膜隔开，而由于水膜力的剪切作用，摩擦系数稍稍增大。在流体动压润滑阶段运行的轴及轴承磨损几乎为0［3］。

图1 轴承摩擦特性与润滑效应图Fig.1 Regime of bearing lubrication

水润滑轴承建立水膜的原理是流体动压润滑机理，即靠轴与轴承间的相对运动，使得粘附于主轴表面的水被带入逐渐缩小的楔型间隙内，建立起足以支承载荷的高压水膜，使轴和轴承相互隔开，从而降低轴承摩擦磨损。轴承中水膜压力变化情况可用雷诺方程来描述，即:

从雷诺方程中可以看出，形成水膜的条件有:水的粘度，相对运动速度和逐渐收敛的间隙。以上3个条件缺一不可。下面就从轴承结构对润滑水膜形成条件的影响进行分析。

1.1 轴瓦承载面形状对轴承摩擦性能影响

水润滑轴承轴瓦形状主要有弧面型和平面型2种。目前我国多数船舶的橡胶尾轴承基本采用CB769-1986中所规定的轴承结构。该形式轴承的工作表面采用直径和轴套外径几乎相等的弧面，目的是使轴和轴承尽量接触，以降低轴承比压，如图2(a)所示。而目前较先进的轴承均采用承载面为平面的轴承，如图2(b)所示。

对比图2(a)与(b)可以看出，弧面形轴承与主轴在载荷作用下相互紧贴，二者之间没有间隙，这种使得轴系启动阶段及低转速工况时，轴瓦的边缘起到了类似于雨刮器的作用，将润滑液从轴上刮掉，使其无法进入轴与轴承之间，水膜形成困难，从而大大增加了摩擦和磨损，并很容易出现异常噪声。而平面轴承，在静止阶段就使轴和轴承表面之间存在收敛的间隙，这样轴系运转过程中，主轴很容易将其表面附着的水带入间隙内，建立起流体润滑动压力。

图2 弧面轴承和平面轴承与主轴接触情况示意图Fig.2 Comparison of contact between shaft and bearings with different shape of land

1.2 轴瓦厚度对轴承摩擦性能影响

按常规的设计方法，为了增大轴承磨损量，橡胶轴承轴瓦的厚度随船舶轴径增加而大幅增加。同时随着轴承负荷及轴径的增加，冷却水量需求会相应增加，为保证冷却水量，许多设计者会增加流水槽道深度，从而使橡胶层的厚度增加。

实际上由于轴系对中的要求，尾轴承允许磨损量有严格限制，并不能通过增加轴承厚度来提高轴承使用寿命。而且橡胶层厚度对水润滑橡胶轴承的摩擦磨损有很大影响，橡胶层厚度增加往往会带来更大的摩擦和磨损，薄橡胶层轴承的摩擦及磨损都要优于厚橡胶层轴承。图3分别为厚橡胶层轴承轴瓦和薄橡胶层轴承轴瓦结构示意图。

图3 不同橡胶层厚度轴瓦结构Fig.3 Structure of staves with different rubber thickness

主轴与不同厚度轴瓦接触的情况如图4所示。轴系运行时，将其表面粘附的水带入轴与轴承之间的间隙内，依靠流体在锲形间隙内流动产生的压力来承载，减少橡胶层的厚度可以明显减小轴的下沉量，由此带来以下几点好处:

1)橡胶轴瓦受载荷作用会在与主轴接触的两边形成隆起，橡胶层越厚，主轴下沉量越大，则隆起的部分越大，因此降低轴瓦厚度，能明显两边的隆起刮掉润滑液，有利于流体通过，能迅速建立压力，从而减少摩擦磨损;

2)从图中还可以看出，减小主轴在橡胶轴瓦中的下沉量，能明显减小锲形角，增加收敛间隙的长度，根据雷诺方程可知，由此能降低建立流体动压所需的相对速度V，即降低轴承建立动压润滑所需的速度，改善低转速工况的润滑条件。

图4 主轴与不同厚度轴瓦接触情况示意图Fig.4 The contact sketch between shaft and bearings with different rubber thickness

随着厚度的减少，橡胶轴承的性能会优化，但并不是厚度越小越好，厚度太小的橡胶轴承往往不能包容砂砾等杂质，同时还要考虑轴承磨损量的需求。

1.3 轴瓦布置形式对轴承摩擦性能影响

在尾轴承结构设计研究过程中，还发现轴瓦的布置形式对轴承的摩擦性能也有较大的影响。图5为不同轴瓦布置形式示意图。图5(a)为轴承底部为轴瓦的布置形式;图5(b)为轴承底部为流水槽的布置形式。

图5 流水槽不同布置位置示意图Fig.5 Bearings with different distribution of staves

根据流体动压润滑理论可知，轴在滑动轴承内运转时存在一定的偏心，润滑液膜的最大压力点并不在轴承最低部，而是存在一定的偏心，因此对于有轴向流水槽道的板条式橡胶轴承，橡胶板条位于轴承最底部并不利于轴承的承载，底部为流水槽道，将橡胶板条布置在两边稍偏心的位置，能提高轴承承载能力，有利于润滑水膜的建立。从轴承实际运行时轴瓦的摩擦磨损痕迹也可证明该结论。

2 试验研究

2.1 试验台架及测试系统设计

水润滑橡胶轴承试验在图6所示的试验台架上进行。试验台架主要由驱动部分、试验部分、加载部分和测试部分组成。试验主轴用45钢制成，其轴颈镶有铜衬套，衬套长175 mm，外径Ø152.10 mm。加载方式为中间径向加载，以保证轴承所承受载荷均匀分布。测试装置主要包括转矩转速仪、压力表等。转矩转速仪用于测试试验轴的摩擦力矩，压力表提供液压加载油缸的载荷大小。试验所用的各种仪器仪表都经过有关部门校准和标定，使用时都处在其有效期范围内。

图6 试验台架示意图Fig.6 Schematic view of experiment system

2.2 试验结果分析

2.2.1 轴瓦形状对轴承摩擦性能影响试验

为了验证轴承轴瓦表面形状对轴承摩擦特性的影响，进行了弧面轴承和平面轴承的台架试验。如图7所示，2个试验轴承的材料相同，轴瓦最大厚度相同，轴瓦数量相同，轴瓦形状一种为弧面式，另一种为平面式，试验轴承安装时保证轴承的底部都为板条。

图7 不同轴瓦形状原理试验轴承Fig.7 Experiment bearings with different shape of staves

试验测量了2个试验轴承在不同承载压力下随转速变化的摩擦特性，试验轴承载荷分别为0.1 MPa，0.2 MPa和0.4 MPa，试验结果如图8所示。

试验结果表明，采用平面结构的橡胶轴承在试验的3个比压下摩擦系数都要低于弧面结构的橡胶轴承。对于0.4 MPa的高比压工况，2个轴承在高转速工况的摩擦特性比较接近，但是在低转速工况下平面轴瓦的摩擦系数还是明显小于弧面轴瓦，表现出了良好的低转速工况运转性能。

2.2.2 轴瓦厚度对轴承性能影响试验

为了对比分析轴承橡胶层厚度对摩擦性能的影响，进行了不同厚度橡胶层轴承的对比试验，试验样机如图9所示。2个试验样机所采用的材料相同，轴瓦表面形状相同，都为平面式轴瓦，轴瓦数量相同，安装试验轴承时保证轴承底部都为板条，轴承橡胶层厚度不同，分别为18.4 mm和10 mm。

图8 速度-摩擦系数曲线Fig.8 Coefficients of friction vs shaft speed of different land shape with different pressures

图9 不同轴瓦厚度轴承原理试样Fig.9 Experiment bearings with different rubber thickness

试验测量了2个不同橡胶层厚度轴承在不同轴承载荷下随转速变化的摩擦特性，试验轴承载荷分别为0.1 MPa，0.2 MPa和0.4 MPa。试验结果如图10所示。

图10 橡胶轴承不同轴瓦厚度的摩擦特性Fig.10 Friction characteristic of bearings with different rubber thickness with different pressures

试验结果表明，轴承轴瓦取不同橡胶层厚度对轴承的摩擦特性有较大的影响，橡胶层厚度较薄的轴承更有利于轴承建立流体动力润滑，能明显降低摩擦系数。但轴瓦并不是越薄越好，在工程设计中还应考虑减振、耐磨、寿命等因素。因此轴承轴瓦厚度的选取还应结合工程实际，设计合适的橡胶层厚度。

2.2.3 轴瓦布置形式对轴承性能影响试验

为了对比分析轴承轴瓦布置形式对摩擦性能的影响，对同一个轴承分别进行了不同轴承载荷下轴承底部为板条及轴承底部为流水槽的对比试验，试验轴承载荷分别为0.1 MPa，0.2 MPa和0.4 MPa。试验结果如图11所示。

台架试验对比结果表明，除了0.2 MPa的个别工况外，底部为水槽布置结构的轴承摩擦系数都要远小于底部为板条结构的轴承，0.2 MPa的个别工况可以认为是试验误差所致。试验结果充分表明流水槽布置在最底部有利于降低轴承的摩擦系数。

图11 橡胶轴承不同轴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 结语

通过对水润滑橡胶轴承的结构设计研究及台架试验验证表明，在轴承设计过程中除了选择合适的轴承材料，还应从以下几个方面重点考虑水润滑橡胶轴承结构设计:

1)采用平面型轴瓦结构，改善轴承在低转速工况的运行条件;

2)通过理论分析和原理试验相结合的方法，设计出具有最佳橡胶层的厚度的轴瓦;

3)采用底部为流水槽道的轴瓦布置形式。

通过以上方法的采用，能明显降低水润滑轴承的摩擦、磨损，提高轴系传动效率，并延长轴承使用寿命。

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