新型中間軸承的結(jié)構(gòu)和性能研究

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(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2.海軍裝備部，北京 100071)

船用中間軸承的作用是為了減少軸系撓度而設(shè)置的軸系支承點，它用來承受中間軸本身的自重，以及軸系傳遞轉(zhuǎn)矩時發(fā)生變形而產(chǎn)生的徑向負荷。一般中長軸系的船舶均設(shè)置有中間軸承。中間軸承按基本結(jié)構(gòu)和與中間軸接觸部分的摩擦性質(zhì)，可分為滑動摩擦軸承(簡稱滑動軸承)和滾動摩擦軸承(簡稱滾動軸承)，我國大中型船舶的軸系中間軸承大多數(shù)采用徑向滑動軸承[1]。傳統(tǒng)滑動中間軸承潤滑及散溫過程是在軸頸與軸瓦之間通過軸承自帶的甩油盤提供一層潤滑油，實現(xiàn)軸承工作時建立潤滑油膜并通過潤滑油帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，而整個軸承工作產(chǎn)生的熱量則由設(shè)在下殼體中的冷卻水管的海水流通帶走，從而保持軸承溫度穩(wěn)定。本文介紹一種新型自動調(diào)位式自潤滑滑動軸承，它不需要通過海水冷卻潤滑油，并且采用新材料增強軸瓦耐溫強度，使結(jié)構(gòu)更為緊密，合理，壽命得到了進一步提高。

1 傳統(tǒng)中間軸承的結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)中間軸承的主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[2]，其工作原理是在其軸承座上有兩個相通的油室。甩油盤7的下部侵入在滑油中，當(dāng)軸運轉(zhuǎn)時，部分滑油被隨軸轉(zhuǎn)動的甩油盤7帶到軸承上部的注油斗，通過注油斗的小孔流至斜槽，分配至各潤滑部位以潤滑軸與軸承，最后流回底部的潤滑室。在室內(nèi)設(shè)有冷卻盤管組件10對于溫度較高的滑油進行冷卻[3]。

中間軸承的主要失效形式是滑動軸承的主要失效形式：磨損和膠合、疲勞破壞等。軸瓦磨損主要是與摩擦有關(guān)，所以選擇合適的潤滑油也是保護軸承的重要因素之一。當(dāng)軸瓦與軸之間產(chǎn)生摩擦后，就會產(chǎn)生功率損耗和熱量，如果這些熱量不設(shè)法排除，則將使軸承溫度不斷升高以致使軸瓦白合金溶化和燒壞。此時，注入潤滑油后，就會形成一層潤滑油膜，大大降低摩擦系數(shù)，減少功率損耗，同時潤滑油流動還能把所產(chǎn)生的熱量帶走，使軸承在運轉(zhuǎn)中的溫升不超過允許的數(shù)值，故可延長軸承的使用壽命。

2 新型中間軸承的結(jié)構(gòu)特點

無海水冷卻中間軸承結(jié)構(gòu)形式見圖2。其結(jié)構(gòu)特點是：在軸承的前后端設(shè)置2只油箱，布置在油箱體內(nèi)的甩油盤固定在軸系上，當(dāng)軸系轉(zhuǎn)動時，油箱中的潤滑油被甩油盤帶到軸承上部，由集油裝置刮下滑油并將其送入上軸瓦的潤滑油槽，并由此到軸頸和軸瓦滑動摩擦面上進行潤滑。在摩擦面上熱的滑油，在軸頸載荷壓力下，將從軸瓦兩端泄出，流回到油箱中。為了防治滑油漏到軸承外，在前后油箱端裝有密封件，可阻止滑油漏出軸承。軸承座與軸承蓋、上軸瓦與下軸瓦、甩油盤、油箱體都采用剖分式以利拆裝。軸瓦上的白合金，經(jīng)一定時間使用后，如發(fā)現(xiàn)其磨損已超過規(guī)定限度時，只需更換軸瓦，而不必更換整個軸承。

圖1 海水冷卻的滑動中間軸承

圖2 無海水冷卻中間軸承

3 新型中間軸承的結(jié)構(gòu)改進及優(yōu)點

與常規(guī)的海水冷卻的中間軸承相比，無海水冷卻中間軸承在結(jié)構(gòu)上得到了很大的改善。

1)取消了冷卻水槽和冷卻盤管結(jié)構(gòu)；

2)油箱位置設(shè)置在軸承兩側(cè)；

3)軸瓦采用了球面形狀，使得軸承本身具有自補償位置的功能。

結(jié)構(gòu)上的改進使得此新型中間軸承具備了如下優(yōu)點。

1)取消冷卻水管結(jié)構(gòu)后，消除了海水滲漏對中間軸承及軸系的腐蝕，使中間軸承結(jié)構(gòu)尺寸減小，結(jié)構(gòu)緊密，制造工藝得到簡化。

2)在軸承前后分別設(shè)置油箱和甩油盤，采用新型的特種材料制成的油箱及軸承結(jié)構(gòu)能使得潤滑油無需海水冷卻就能充分散熱，保持軸承滑油溫度穩(wěn)定。

3)軸瓦與軸承座采用球面接觸，軸瓦在軸承座內(nèi)可以沿軸線靈活轉(zhuǎn)動，適應(yīng)軸徑的偏斜，可使軸承沿軸長方向受力均衡，以消除由于軸系對中精度誤差而造成軸承與軸系接觸面受力不均衡的情況，避免了軸彎曲變形或軸承孔傾斜時造成軸頸與軸瓦兩端邊緣接觸加劇磨損和發(fā)熱[4]。

4)中間軸承為對開式滑動軸承，軸承潤滑采用自給式。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時，滑油被甩油盤帶到軸承上部集油裝置，通過集油裝置將滑油分配到各潤滑部分進行潤滑，并通過潤滑油循環(huán)流動將機械功產(chǎn)生的熱量帶走。

4 中間軸承材料的選用對比

一般來說，滑動軸承主要失效形式有：磨損和膠合、疲勞破壞等，所以對軸承材料的要求，主要考慮軸承的這些失效形式[5]。對軸承材料的要求，主要有如下幾點。

1)良好的減摩性、耐磨性和抗膠合性；

2)良好的順應(yīng)性，嵌入性和磨合性；

3)足夠的強度和必要的塑性；

4)良好的耐腐蝕性、熱化學(xué)性能(傳熱性和熱膨脹性)和調(diào)滑性(對油的吸附能力)；

5)良好的工藝性和經(jīng)濟性等。

由于新型中間軸承在工作過程中，沒有采用常規(guī)的通過冷卻盤管中的冷卻海水將產(chǎn)生的熱量帶走，而是靠軸承本體將熱量散發(fā)掉，這樣該軸承溫度就要比有海水冷卻的軸承溫度要高。此溫度對于軸瓦來說，是非常敏感的問題。因此，新型中間軸承的軸瓦材料選用是非常關(guān)鍵的技術(shù)問題。表1為新材料與常規(guī)軸承材料ZSnSb11Cu6硬度與溫度變化情況。

表1 新材料與常規(guī)軸承材料ZSnSb11Cu6硬度與溫度變化情況

從表1可知，新材料耐溫性能指標(biāo)要優(yōu)于常規(guī)軸承材料ZSnSb11Cu6，當(dāng)新材料的軸瓦溫度達到80℃時，其硬度值與常規(guī)軸瓦材料ZSnSb11Cu6的50 ℃時相當(dāng)[6-7]。在選用新材料的制造時，軸系即使處在高工況工作也能夠滿足使用要求，目前該材料是一種新研制軸承材料，其制作工藝非常復(fù)雜而又極其嚴(yán)謹(jǐn)，所以該材料還處于試驗使用階段，并沒有在國內(nèi)大范圍推廣使用，因此應(yīng)進一步開展該材料的澆鑄工藝等方面的課題試驗研究，以便能推廣使用該材料。

5 新型中間軸承潤滑和散熱

新型中間軸承工作時，摩擦產(chǎn)生的熱量一是靠中間軸承本體將熱量散發(fā)掉，二是潤滑油通過循環(huán)流動帶走大部分熱量。產(chǎn)生的熱量通過油箱殼體可以迅速散熱，保證了中間軸承工作溫度正常。因此，對潤滑油的選擇也是極其重要的，粘度是選擇潤滑油最重要的參考指標(biāo)。

5.1 選擇粘度時，應(yīng)考慮如下基本原則

1)在壓力大、溫度高、載荷沖擊變動大時，應(yīng)選用粘度大的潤滑油；

2)滑動速度高時，容易形成油膜(轉(zhuǎn)速高時)，為減少摩擦應(yīng)選用粘度較低的潤滑油；

3)加工粗糙或未經(jīng)跑合的表面，應(yīng)選用粘度較高的潤滑油；

5.2 控制中間軸承溫升的目的

工作時摩擦功耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃渴沟弥虚g軸承溫度升高，此時潤滑油的粘度降低，軸瓦與軸之間間隙改變，軸承的承載能力下降；另外軸瓦溫升過高會使金屬軟化，容易發(fā)生抱軸事故，所以對中間軸承溫度的控制是保證其正常工作的重要條件之一。

新型中間軸承采用雙油箱和雙供油環(huán)部件，在軸承的前后各布置一套以保證軸承工作時得到充分的滑油潤滑。油箱材質(zhì)為鑄鋁合金，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約為鋼的2～3倍，因此，中間軸承運行時產(chǎn)生的熱量通過鑄鋁油箱殼體可以迅速散熱。在中間軸承內(nèi)部，熱平衡條件是：單位時間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量H等于同一時間潤滑油流動帶走的熱量H1和軸承散發(fā)熱量H2之和。

H=H1+H2

(1)

單位時間內(nèi)潤滑油流動帶走的熱量H1，回到油箱后，通過鋁材料與空氣接觸散熱

H1=ρVCΔt

(2)

式中：V——潤滑油單位時間內(nèi)的總流量，由耗油量系數(shù)求得，m3/s；

ρ——潤滑油的密度；

C——潤滑油的比熱容；

Δt——潤滑油的溫升，即

Δt=t2-t1

單位時間內(nèi)軸承由軸頸和軸承殼體散發(fā)的熱量H2為

H2=ξπl(wèi)BΔt

(3)

式中：ξ——軸承表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，由軸承結(jié)構(gòu)和散熱條件而定；

πl(wèi)B——軸頸表面積。

摩擦功耗引起軸承單位時間內(nèi)的發(fā)熱量H為

H=fFv

(4)

式中：f——油潤滑摩擦系數(shù)，實際工作時摩擦系數(shù)要稍大一些，所以f需要進行必要的修正；

F——外載；

v——液體流速。

熱平衡時，H=H1+H2，由此得

fFv=ρVCΔt+ξπl(wèi)BΔt

(5)

故如果知道外載的條件，可以求得溫度的變化量。由于新型中間軸承沒有海水冷卻管，所以潤滑油帶走熱量在油箱中通過鋁材料散發(fā)到空氣中，最后達到熱平衡后整個油箱的油溫恒定，此時溫差變化小，潤滑油的粘度、均勻性均變化較小。當(dāng)達到熱平衡時，傳熱方式均為金屬導(dǎo)熱，所以式(5)也等同于

fFv=ζSΔt+ξπl(wèi)BΔt

(6)

式中：ζ——鋁油箱表面導(dǎo)熱系數(shù)；

S——油箱表面積。

為保證承載所要求的最高溫度t<75℃，一般取t=50～75℃。通常要求油溫t=50～65℃。由于采用新型合金鋼制造，所以在此溫度下軸瓦完全能夠正常工作。若t>80℃時，中間軸承易過熱失效，此時應(yīng)該改變相對間隙和油的粘度，直至計算滿足要求為止[8]。

6 新型中間軸承的發(fā)展趨勢

無海水冷卻中間軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，實用性強等特點，隨著國內(nèi)外工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，其優(yōu)點將會得到凸現(xiàn)，應(yīng)用將會越來越廣泛，今后必將成為船用中間軸承發(fā)展的趨勢。但是在此新型中間軸承的發(fā)展應(yīng)用中，還有些問題值得進一步研究。

1)中間軸承集油裝置散熱與材料成分之間的關(guān)系；

2)中間軸承軸瓦材料隨溫度改變的特性變化；

3)通過澆鑄工藝來提高新軸瓦材料性能；

4)中間軸承液體油在內(nèi)部循環(huán)時粘度、流速和溫度之間的關(guān)系；

5)內(nèi)部溫度控制對整個中間軸承性能參數(shù)的影響。

[1] 朱樹文.船舶動力裝置原理與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1980.

[2] 中國船舶及海洋工程設(shè)計院.GB/T14364-1993船舶軸系滑動式中間軸承[S].北京：全國船用機械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會,1993.

[3] 譚仁臣.船舶輔機與軸系[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1996.

[4] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].第2卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[5] 全國鑄造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.鑄造軸承合金[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[6] 曾正明.機械工程材料手冊：金屬材料[M].北京：機械工業(yè)出版社,2003.

[7] 邵開文，馬運義.艦船技術(shù)與設(shè)計概論[M].北京：國防工業(yè)出版,2005.

[8] 中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2009.