船舶無軸推進器中旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承最大位移量研究

蘭任生，靳栓寶，祝 昊，沈 洋，劉 濤

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033）

船舶無軸推進器中旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承最大位移量研究

蘭任生，靳栓寶，祝 昊，沈 洋，劉 濤

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033）

旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承運行時的固有跳動現象，會使永磁電機的電磁氣隙產生隨動變化，導致動偏心問題。為了減少這種動偏心現象對推進器振動噪聲的不良影響，將旋轉型水潤滑橡膠軸承跳動所導致的最大位移量限定在電磁氣隙的5%以內，提出了一種設計和驗證方法。文章以某型船舶無軸推進器中旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承最大位移量0.4 mm為主要設計目標，通過有限元仿真計算得出在極端干摩擦工況下最大位移量為0.36 mm，搭建新型實驗平臺，試驗驗證測得最大位移量為0.28 mm。仿真值與結果表明設計軸承達到設計指標，文中設計方法有效可靠，為設計旋轉型水潤滑橡膠軸承提供了科學依據。

無軸推進器 水潤滑軸承 橡膠軸承 位移量

0 引言

船舶無軸推進器是一種將永磁推進電機轉子與推進器槳葉集成為一體，取消了傳統的穿艙推進軸系和密封系統，并采用電能直接傳遞功率輸出的新型船舶全電力推進技術[1,2]。目前挪威布倫沃爾（Brunvoll）公司已經成功開發了功率等級從200千瓦到1.5兆瓦間的船舶無軸推進器系列。英國羅爾斯羅伊斯（Rolls-Royce）和德國福伊特（Voith）等世界知名推進器制造商也都開發出了百千瓦功率等級的船舶無軸側向推進器[3-5]。

船舶無軸推進器的主要技術特點之一，是采用了推力與支撐軸承組合而成的一體化水潤滑軸承。其中，水潤滑橡膠支撐軸承通常布置在槳葉輪轂中，并隨槳葉一同旋轉[6-9]。這種旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承相比于傳統的靜止型水潤滑橡膠艉軸軸承而言，具有以下特點：1）槳葉重力載荷與軸承承載力中心基本重合，因此軸承載荷分布均勻，軸承磨損量、最大工作溫度和振動噪聲相對較小；2）軸承旋轉工作后，在混合摩擦狀態，軸承摩擦副的磨損面沿槳葉旋轉方向成 360°均勻分布，進而提高了軸承的使用壽命。但是旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承運行時的固有跳動現象，會使永磁電機的電磁氣隙產生隨動變化，出現動偏心問題。所以，為了減少這種動偏心現象所導致的轉子最大位移對推進器振動噪聲的不良影響，將旋轉型水潤滑橡膠軸承的最大位移量限定在電磁氣隙的5%以內。

為了改善軸承散熱和排異性能，一般把水潤滑橡膠軸承設計成帶溝槽的結構。Cabrera和Wang[10]通過數值分析研究表明，即使在水膜建立后的工作條件下，水潤滑橡膠支撐軸承也會和軸發生接觸，進而產生一定的橡膠變形。孟凡明[11]使用自編流固耦合軸承有限元程序，利用影響系數法和非線性優化法研究得出：水潤滑橡膠軸承在載荷 200 kN工作條件下會發生明顯的彈性變形。Daugherty[12]研究了7種板條型橡膠軸承的動摩擦系數隨速度變化的關系，發現橡膠變形會阻礙軸承轉動，得出橡膠軸承襯厚度越薄動摩擦系數越小的結論。秦紅玲[13]基于軸承實驗平臺研究了橡膠厚度和硬度對動摩擦性能的影響，觀察到動摩擦系數隨橡膠厚度和硬度降低而降低的現象。此外，Litwin[14]通過有限元軟件理論分析研究表明，結構和材料對軸承的動壓潤滑特性和軸心軌跡影響較大，因此優化軸承的材料和結構能顯著提升水潤滑橡膠軸承的工作性能。

在船舶無軸推進器中，水潤滑橡膠軸承與螺旋槳集成為一體并隨螺旋槳一同旋轉，所以軸承的最大位移量將直接反應為螺旋槳的動偏心量。為了防止螺旋槳動偏心對無軸推進器綜合性能的影響，本文將開展對旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承最大位移量的有限元仿真與旋轉型水潤滑支撐軸承綜合試驗臺架測試相結合的研究方法，驗證旋轉型水潤滑橡膠軸承是否滿足單邊最大位移量小于0.4 mm的設計指標。

1 旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承最大位移量設計

當以軸承位移量為主要設計指標時，旋轉型水潤滑支撐軸承的研制流程如圖 1所示。首先明確設計輸入，研究分析水潤滑橡膠軸承使用工況和技術要求，通過解析模型設計水潤滑橡膠軸承初始方案，即軸承的內徑、外徑、軸向長度和比壓安全系數。然后基于數值模型和有限元模型開展優化設計，分析了接觸狀態下水潤滑橡膠軸承接觸應力、變形分布等，通過公式(3)換算出水潤滑橡膠軸承主軸位移量。當軸承位移量滿足設計要求后，開展軸承的制造和臺架試驗驗證。

圖 1位移量設計方案

根據某型船舶無軸推進器的名義徑向載荷1.9 kN、比壓p小于0.246 MPa（與國外同類產品相比，安全系數大于 1）和軸承尺寸限定的設計要求，結合圖 1的設計流程，經數值模型設計得出了旋轉型水潤滑支撐軸承的初始設計方案為軸承內徑115 mm、外徑136 mm、長度126.5 mm。進而得出軸承的比壓為：

根據國外同類產品名義載荷[p]=0.246 MPa,則安全系數為：

初始設計軸承的比壓安全系數大于 1，滿足設計指標。旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承的初始方案（見圖2）和設計參數見表1。

2 旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承位移量分析

由于水的粘度很低，所以旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承運行時所形成的水膜很薄。容易受到外界干擾，而發生支撐軸與軸承橡膠軸襯間的接觸現象。因此，在分析水潤滑橡膠軸承最大位移量時，可以將軸承的位移量分為兩個部分：一個部分是軸承與軸的裝配間隙，以及制造公差；另一個部分是橡膠軸襯發生的彈性形變， 并總結為：

上式中：J—軸承位移量；

ESb—軸承上偏差，ESb= 0.25；(實際軸承加工后115.25 mm)；

?S—橡膠軸襯變形量；

EIj—軸承下偏差，EIj= 0.09。(實際軸加工后115.09 mm)

表1 旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承初始設計參數

圖2 旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承初始設計方案結構圖

本文所研究的旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承要求在轉速600 r/min、徑向載荷1.9 kN的工況下，軸承最大位移量不超過0.4 mm.據此，利用Ansys Workbench 16.1有限元商業軟件進行直槽型水潤滑橡膠支撐軸承軸承彈性形變分析。有限元分析的詳細步驟如下：

1）材料參數確定

旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承的組成材料及參數如表2所示。

2）幾何模型建模

本文中建模的有限元模型分為水潤滑橡膠支撐軸承和靜止軸兩部分，如圖 3所示。結合公式(3)，需要將水潤滑橡膠軸承考慮實際加工誤差。因此，通過對水潤滑橡膠軸承樣件的實際測量，得到軸承內徑為115.25 mm，軸直徑為115.09 mm，軸承長度為126.5 mm。此外建模的初始偏心率e = （偏心距/半徑間隙）= 1，在此條件下水潤滑橡膠軸承與軸剛好接觸，并未發生彈性形變。

圖 3 水潤滑橡支撐膠軸承模型

3）網格剖分

為了精確計算橡膠軸承在承壓后的彈性變形，對橡膠軸襯網格進行了加密，其中模型的網格節點數為517312、單元數為116960。

圖 4 直槽水潤滑橡膠軸承網格劃分

4）邊界條件設置

水潤滑橡膠軸承是通過模壓硫化精密成形工藝將丁腈橡膠材料硫化在銅管內壁上，因此故橡膠內襯與銅管采用了綁定邊界條件，如圖5所示。軸和橡膠軸襯工作面的接觸邊界條件設定為摩擦邊界條件摩擦系數取0.15，轉速為600 r/min。假設水潤滑橡膠軸承處于最極端的干摩擦工況條件下運行，即靜止軸和水潤滑橡膠軸承，并求解此時橡膠軸襯的最大變形量。為了便于分析，將軸承外殼固定約束，對主軸施加1.9 kN徑向載荷。

圖5 直槽水潤滑橡膠軸承接觸邊界條件

目標水潤滑橡膠軸承的應力和變形分布如圖6所示。可以清晰的觀察到，與軸發生接觸的軸襯中有4塊板條承擔了徑向載荷，其中最大應力為0.26 MPa。由于沒有約束限制，橡膠軸襯的變形主要分布在軸承兩端，因此是水潤滑橡膠軸承彈性形變量最大的區域。最終，仿真得出水潤滑橡膠軸承的最大位移量為0.36 mm。

3 旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承試驗分析

在仿真分析水潤滑橡膠軸承最大位移量符合設計要求后，開展了橡膠軸承的加工制造工作。圖7展示的是水潤滑橡膠軸承三維制圖與實際產品照片。

圖7 直槽型水潤滑橡膠軸承三維與實物圖

由于目標水潤滑橡膠支撐軸承為特有的旋轉型工作模式，因此需要在專門設計的水潤滑軸承試驗臺架上開展性能分析試驗工作。圖 8展示的是新型旋轉型水潤滑軸承綜合測試臺架，其中軸承的最大位移量是利用電渦流傳感器進行測量的。

圖 8水潤滑橡膠旋轉支撐軸承實驗平臺

表3總結了旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承的試驗數據。從中可以看出，在溫度、轉速、載荷一定的情況下，旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承的最大位移量隨進口水壓的變化有輕微幅度改變，因此旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承的最大位移量隨水壓變化關系微弱。此外，軸承最大位移量幅值與有限元仿真結果0.36 mm有較好的吻合度，并且都一致表明軸承最大位移量值小于0.4 mm的設計要求。通過仿真值與試驗值對比，驗證了文中旋轉型水潤滑橡膠軸承最大位移量計算方法的可行性。

表3 水潤滑橡膠軸承位移量試驗臺架測量結果

4 結論

由于船舶無軸推進器中的旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承具有特殊工作方式和與推進電機轉子高度集成的特點，使其最大位移量成為關鍵的設計指標之一。本文利用有限元建模仿真計算和新型水潤滑軸承試驗臺架測試分析，驗證了所設計的旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承能夠達到最大位移量小于某一設計值。試驗結果還表明，旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承的最大位移量隨進口水壓的變化關系微弱。

本文為系統性的建立對旋轉型水潤滑橡膠支撐軸承摩擦學性能的研究，奠定了基礎。

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Maximum Displacement of Rotary Water Lubricated Rubber Bearing for Shipborne Shaftless Propulsor

Lan Rensheng, Jin Shuanbao, Zhu Hao, Shen Yang, Liu Tao

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The elastic deformation of rotary water lubricated rubber bearing (RWLR bearing) presents negative effect on impeller eccentricity, which results in undesired fluctuation of output torque. Therefore, the amount of maximum elastic deformation of RWLR is designed below than 5% of electric machine’s electromagnetic air-gap length. In this paper, a RWLR bearing with the design aim of achieving maximum elastic deformation below than 0.4 mm is designed and evaluated by both finite-element analysis (FEA) and test. It is founded that the amount of maximum deformation of RWLR is 0.36 mm by FEA and 0.28 mm by experiment. The results show that bearing reaches the design target and the design method is effective and reliable. It provides scientific basis for the design of RWLR bearing.

rubber bearing; shaftless propulsor; runout; water lubricated bearing.

U664.21

A

：1003-4862（2017）02-0016-04

2016-09-06

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51307177，51309229，51409256)

蘭任生(1992-)，男，碩士生。專業方向：電氣工程。E-mail: 532087205@qq.com