水润滑橡胶轴承板条设计参数分析

王 娟，王 隽，杨 俊

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

水润滑橡胶轴承板条设计参数分析

王 娟，王 隽，杨 俊

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

设计一种低摩擦、长寿命的水润滑轴承一直都是设计者和供应商所追求的目标，而水润滑轴承润滑特性和耐磨性能的提高不仅取决于材料，还与轴承板条的结构设计密切相关。本文从水润滑轴承橡胶板条结构参数设计入手，重点分析橡胶板条厚度等参数对轴承润滑特性的影响，为低摩擦、长寿命水润滑橡胶轴承的结构设计提供参考和借鉴。

水润滑;橡胶轴承;板条

0 引言

水润滑橡胶轴承具有成本低、无污染、高减振和抗冲击等显著优点［1］，60年来在各类船舶上得到了广泛应用。随着船舶技术的不断发展，无论是民用商船还是军用舰船，成本是必须要考虑的问题，因此设计一种低摩擦、长寿命的水润滑轴承一直都是设计者和供应商所追求的目标。水润滑轴承润滑特性和耐磨性能的提高不仅取决于材料，还与轴承板条的结构设计密切相关，本文将重点探讨橡胶轴承板条结构尺寸对轴承润滑和承载能力的影响。

在过去，轴承设计者为了减少摩擦，增加轴承弹性，通常也是增加橡胶的厚度。分析和实践证明，橡胶轴承承载轴系运行时，本身具有泵压效应，转动的轴系将润滑液转入到载荷区并增大压力。减少橡胶层的厚度可以减少轴的下沉量，避免橡胶板条两边形成凸起并刮掉润滑液，同时还可以减少轴与轴承间的楔型角，更有利于轴承更快地建立液膜，从而减少摩擦、磨损［2］。

本文通过建立水润滑橡胶轴承的基本模型，并应用ADINA软件的流固分析模块对具有纵向沟槽橡胶轴承板条的设计参数对其润滑和承载能力进行理论研究，重点分析相同转速条件下橡胶板条厚度对轴承压力分布、承载能力和摩擦系数的影响，同时分析橡胶板条导角处过渡圆弧尺寸对轴承润滑特性的影响，为低摩擦、长寿命水润滑橡胶轴承的结构设计提供参考和借鉴。

1 基本结构和工作原理

1.1 基本结构

船用水润滑橡胶轴承分为整体硫化式和板条式2种类型［3］。受制造工艺和成本的限制，轴颈D≤200 mm的轴承一般采用整体硫化式，轴颈D＞200 mm轴承则采用板条式［4］。无论是整体硫化式橡胶轴承还是板条式橡胶轴承，其最常见的结构形式是纵向沟槽式。如图1所示，水润滑橡胶轴承由衬套和橡胶轴瓦2部分组成，橡胶轴瓦为条状结构，橡胶板条之间设计有纵向布置的流水槽，用于使水流通过并冷却轴承以及带走泥沙。

图1 板条式橡胶轴承结构图Fig.1 Configuration of the rubber bearings batten

1.2 工作原理

工作时，橡胶轴承与轴组成了一对摩擦副。当轴系运转时，轴和橡胶轴瓦之间产生相对运动。良好的水润滑轴承是建立在良好的自润滑材料、良好的抗磨性，以及一种能快速产生水润滑水膜的结构设计基础上的。橡胶的摩擦系数有很强的非线性，因此随着转速的变化，轴承的润滑状态也会发生变化。如图2所示，根据转速的不同水润滑轴承一般工作在3个区域，即边界区域、混合润滑区和水动力润滑区。

图2 轴承摩擦特性与润滑效应图Fig.2 Relation characteristic of bearing friction and lubricated mode

这条曲线表明了摩擦系数和水润滑状态参数之间的关系。第1个区域叫做边界区域，轴和轴承的直接接触导致了很大的摩擦系数，在这个区域内，具有良好自润滑能力的轴承材料是有重大益处的。当转速升高，到达第2个区域的时候，水润滑开始建立，造成轴和轴承之间直接接触区域变小，有效地将轴托起，远离轴承，在这个区域中，摩擦系数急剧减小。第3个区域就是水动力润滑区域，在这个区域内，所有轴承和轴直接接触被消除，随着轴转速进一步升高，摩擦力进一步升高，原因是因为水黏度所产生的剪切力变大。水润滑轴承在各区域的压力分布效果如图3所示。

图3 水润滑轴承压力分布图Fig.3 Pressure distributing of the rubber bearings

2 水润滑橡胶轴承分析模型

为了分析水润滑橡胶轴承板条设计参数对轴承承载能力、润滑特性的影响，本文利用ADINA流固耦合有限元分析软件建立了轴颈尺寸为200 mm的水润滑橡胶轴承分析模型，计算的有关参数如表1所示。

表1 水润滑橡胶轴承分析参数表Tab.1 Analytical parameter table ofwater-lubricated rubber bearings

2.1 假设

在求解过程中，对有限元模型做以下假设:

1）水膜内的流动状态为层流;

2）不考虑水膜及橡胶内衬的热交换。

2.2 边界条件

1）角速度

流体模型内壁与轴壁接触，其线速度与轴外壁线速度相同，将其设为角速度边界条件。

2）固定约束

结构模型外壁设为固定约束边界条件。

3）流固耦合界面

结构模型内壁指定为与流体模型外壁对应的流固耦合界面，流体模型外壁指定为与结构模型内壁相对应的流固耦合界面。

考虑水润滑橡胶轴承内，水膜的流动主要是沿圆周方向，轴向的流动很小，因此轴向流体压力可以认为是恒定的。

根据上述条件，建立水润滑橡胶轴承的分析模型如图4所示。

图4 水润滑橡胶轴承的分析模型Fig.4 Analysismodel of the rubber bearings

针对表1所示水润滑橡胶轴承结构，取不同的橡胶层厚度和过渡圆弧半径进行润滑特性分析，以研究不同橡胶层厚度和过渡圆弧半径对润滑性能的影响。

3 板条设计参数

3.1 橡胶层厚度对压力分布的影响

用ADINA软件的流固分析模块分别对橡胶层厚度为5mm，7mm，9mm和11 mm时轴承的周向压力进行了分析。当轴转速为200 r/min时，压力分布云图如图5所示。

图5 不同橡胶层厚度下的压力分布云图Fig.5 Pressure distributing nephogram in the different batten thickness of the rubbermaterial

图6 橡胶层厚度对最大压力的影响Fig.6 The influence of the rubber batten thickness to the pressure

从图5和图6可以看出，水润滑轴承下半部分周向压力较大，而上半部分周向压力较小，这是因为轴承下半部分是主要承载区，因此周向压力大;在相同转速条件下随着橡胶板条厚度尺寸的增加，轴承周向最大压力逐渐减少。

3.2 橡胶层厚度对承载能力的影响

图7是不同橡胶层厚度下的承载能力情况，从图中可看出，轴承的承载能力随着橡胶层厚度的增加而逐渐降低。结合图6的最大压力分布变化曲线可以看出，当橡胶层厚度增加时，相同条件下，水膜中的压力会随之降低，承载能力也就随之降低。

图7 承载能力随厚度的变化Fig.7 The transformation of the carrying capacity

3.3 橡胶层厚度对摩擦系数的影响

图8是相同偏心和相同转速条件下，不同橡胶层厚度条件下的摩擦系数变化曲线。可以看到，不同橡胶层厚度下摩擦系数的数值相差不大。出现这种现象的原因是由于本分析是建立在流体动压润滑的基础上，因此在相同的转速条件下，流体对轴颈的粘性力基本相同，所以摩擦系数也较为接近。

图8 摩擦系数随橡胶层厚度的变化Fig.8 The transformation of the the friction coefficient

3.4 板条导角处过渡圆弧尺寸对润滑性能的影响

为了研究板条式水润滑橡胶轴承各板条的导角处圆弧半径对润滑性能的影响，取板条导角处圆弧半径r(见图9）为0，5，10，15 和20 mm，计算在相同条件下的压力分布、承载能力和摩擦系数。

图9 板条导角处圆弧半径示意图Fig.9 The sketch map of the batten round angle

图10给出了板条导角处圆弧半径为0，5，10，15和20 mm五种情况下，水膜中的压力分布云图。

图10 不同板条导角处圆弧半径的压力分布云图Fig.10 Pressure distributing nephogram of the batten round angle

图11给出了上述5种情况下的轴承承载能力和摩擦系数的对比情况和变化曲线。

图11 板条导角处圆弧半径对承载能力及摩擦系数的影响Fig.11 The infection of the batten round angle to carrying capacity and friction coefficient

由图11可以看出，从承载能力及摩擦系数看，板条导角处圆弧半径的大小在一定范围内增加，不仅有利于承载能力的提高，而且能够降低摩擦系数，但板条导角处圆弧半径不是越大越好。对于本文分析水润滑轴承来说，当板条导角处的圆弧半径为10mm时，其承载能力达到最大，摩擦系数也较小;而当圆弧半径再增大达到20 mm时，摩擦系数进一步减小，但承载能力却有所下降，即对分析轴承来说轴承板条导角处的圆弧半径为10 mm时有利于提高其承载能力。

4 结语

以上分析研究表明，水润滑轴承板条的结构参数对润滑特性有一定影响。随着橡胶板条层厚度的增加，水膜中的最大压力和承载能力都有所减小，而摩擦系数变化不大。橡胶板条导角处圆弧半径对承载能力的影响有一较优值，对所分析的水润滑轴承来说，圆弧半径为10mm时较好，此时承载能力最大，摩擦系数也较小。

［1］余歆尤，张启浩，罗松承.水润滑陶瓷轴承的试验研究［J］.润滑与密封，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］姚世卫，等.水润滑橡胶轴承磨擦行为及试验研究.船舶科学技术，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］姚世卫，等.橡胶轴承研究进展及在舰艇上的应用分析，舰船科学技术，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，硕士研究生，高级工程师，主要从事船舶轴系传动研究。