水润滑橡胶轴承板条设计参数分析

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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 ，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-种低摩擦、长寿命的水润滑轴承-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撒于材料，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人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 。

本文通过建立水润滑橡胶轴承 的基本模型 ，并应用 ADINA软件的流固分析拈对具有纵 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 。受制造工艺和成本的限制，轴颈 D≤200 mm的轴承-般采用整体硫化式，轴颈 D>200mm轴承则采用板条式 。无论是整体硫化式橡胶收稿 日期 ：2011-O6-23作者简介：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。

· 126· 舰 船 科 学 技 术 第 35卷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。

轴承衬套 橡胶板图 1 板条式橡胶轴承结 构图Fig.1 Configuration of the rubber bearings baten1.2 工 作原 理工作时 ，橡胶轴承与轴组成了-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-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-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 andlubricated 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，摩擦系数急剧减校第 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-步升高，摩擦力进-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。

边界 润滑区 混合 润滑 区 动力润滑 区图 3 水润滑轴 承压力分布 图Fig.3 Pressure distributing of the rubber bearings2 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 l所示。

表 1 水润滑橡胶轴 承分析参数表Tab.1 Analytical parameter table of water-lubricatedrubber bearings参数名称 参数值轴颈直径/mm 400轴承间隙/mm 1.2水槽个 数 14橡胶层厚度/ram 5，7，9，11过渡圆浑径/mm 0，5，10，15，20水的密度/kg·m l000纯水 的动力粘度/Pa·s 1.005×10 (20% )海水的动力粘度/Pa·S 10.8×10- (2O℃)橡胶的弹性模量/Pa 7.8×10橡胶的泊松比 0.472.1 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。

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第3期 王 娟，等：水润滑橡胶轴承板条设计参数分析 ·127·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 。

(a)结构几何模型 (b)流体几何模型纱 -(c)板条的网格局部图 (d)水膜的网格局部图图4 水润滑橡胶轴承的分析模型Fig.4 Analysis model 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浑径进行润滑特性分析 ，以研究不同橡胶层厚度和过渡圆浑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软件的流固分析拈分别对橡胶层厚度为 5 mm，7 mm，9 mm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。

(a橡胶层厚度5 mm(c)橡胶层厚度 9mm韫 ‰ .It黼 D品 . r橡胶层厚度7 mil。

fd)橡胶层厚度 11 mm溪图5 不同橡胶层厚度下的压力分布云图Fig.5 Pressure distributing nephogram in the different batenthickness of the rubber material- -4 ，--- 专 r， - 1220000 誊至掌 ≤嚣誊玉兰j誊≥ 迁 -0～l'- ji .J2- l：专 ： ≥l 莹 .1 蕊 -专 ≮-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 ♂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。

44000 43000主420004100040000≈群 39000380003700036Oo0图 7 承载能力随厚度的变化Fig.7 The transformation of the carrying capacity3.3 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∩ 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 。

口 蓬 · 128· 舰 船 科 学 技 术 第 35卷l吕 0.0036要0.0320.0028囊0.0240.00204 5 6 7 8 9 l0 1l 12橡胶厚度/mm图8 摩擦系数随橡胶层厚度的变化Fig.8 The transformation of the the friction coefficient3.4 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浑径对润滑性能的影响 ，儒条导角处圆浑径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 导角处圆浑径示意 图Fig.9 The sketch map of the baten round angle图 10给 出了板条导角处 圆浑径为 0，5，10，15和 20 mm五种情况下 ，水膜 中的压力分布云 图。

嚣 A- -r (a板条导角处圆浑径 0mm- (b)板条导角处圆浑径5mm蓬(d)板条导角处圆浑径 15 nlm图 l0 不同板条导角处圆浑径的压力分布云图Fig.10 Pressure distributing nephogram of the baten 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。

O.O6O.O50.04O.O3O.02O.O1O.线承载能力，MPa叫 摩擦系数f0 5 10 15 20 25板条边缘圆浑径/mm图 11 板条导角处圆浑径对承载能力及摩擦系数的影响Fig.1 1 The infection of the batten round angle to carryingcapacity and friction coefficient由图 11可以看出，从承载能力及摩擦 系数看，板条导角处圆浑径的大小在-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，但板条导角处圆浑径不是越大越好。对于本文分析水润滑轴承来说，当板条导角处的圆浑径为 10 mm时，其承载能力达到最大 ，摩擦系数也较小；而当圆浑径再增大达到20 mm时，摩擦系数进-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-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。橡胶板条导角处圆浑径对承载能力的影响有-较优值 ，对所分析的水润滑轴承来说 ，圆浑径为 10mm时较好 ，此时承载能力最大 ，摩擦系数也较小 。