一種用在自動(dòng)系泊系統(tǒng)中的復(fù)合材料軸承的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馮經(jīng)明

（特瑞堡密封系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司，上海201108）

0 引言

自動(dòng)系泊系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)使用多年，目前一些公司生產(chǎn)的自動(dòng)系泊系統(tǒng)采用真空技術(shù)快速連接并固定泊位上的船舶，適用于各種環(huán)境和泊位條件。在這種自動(dòng)系泊系統(tǒng)單元中，作為重要運(yùn)動(dòng)部件的真空吸頭，要求能在承受大的沖擊載荷的同時(shí)，迅速調(diào)整運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，適應(yīng)系泊的需要。

在以往的系泊系統(tǒng)中這些位置使用的是金屬軸承，但在港口碼頭潮濕空氣的環(huán)境中，金屬軸承容易腐蝕，而且它們工作時(shí)需要定期潤(rùn)滑，維護(hù)成本高。

采用本公司復(fù)合材料制成的軸承不但能減輕系統(tǒng)的重量，而且該材料具有耐磨性好、強(qiáng)度高、自潤(rùn)滑等性能，非常適合應(yīng)用于自動(dòng)系泊系統(tǒng)所在的海洋工程領(lǐng)域。

圖1 自動(dòng)系泊系統(tǒng)單元的一般構(gòu)成

1 自動(dòng)系泊解決方案

海洋工業(yè)正處于一個(gè)不斷變化的時(shí)期，港口碼頭的設(shè)施也必須適應(yīng)越來(lái)越苛刻的工作環(huán)境，優(yōu)化泊位利用率，降低資源、空間占用及系泊所需時(shí)間，同時(shí)增加靠泊能力。在使用傳統(tǒng)的系泊繩時(shí)，操作員可能會(huì)需要中斷操作，花費(fèi)時(shí)間和金錢在延遲轉(zhuǎn)移的工作上。

依靠先進(jìn)技術(shù)，例如自動(dòng)系泊，可以提高港口程序的安全性，并減少停泊期間人員參與操作的時(shí)間。

總之，自動(dòng)化系泊已經(jīng)在優(yōu)化船只方面發(fā)揮重要作用。一些技術(shù)領(lǐng)先的公司生產(chǎn)的自動(dòng)化系泊系統(tǒng)，能使用實(shí)時(shí)信息監(jiān)控軟件來(lái)不斷追蹤所有系泊負(fù)載，能夠在1 min內(nèi)安全停泊船只，當(dāng)其系泊的船只需要出發(fā)時(shí)，又能在30 s內(nèi)釋放船只。此類系統(tǒng)適用于各種環(huán)境和靠泊條件。

通常自動(dòng)系泊系統(tǒng)單元由5個(gè)部分組成，即水平基座、支柱、導(dǎo)向臂、真空吸盤、電氣驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)，如圖1所示。水平基座用螺栓固定在碼頭上，支柱可以通過(guò)阻尼缸的運(yùn)動(dòng)使之在水平基座上旋轉(zhuǎn)；通過(guò)支柱的旋轉(zhuǎn)、導(dǎo)向臂的直線運(yùn)動(dòng)，和裝在真空吸盤上傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)，真空吸盤能實(shí)現(xiàn)上下、左右及前后運(yùn)動(dòng)以及這三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而迅速調(diào)整姿態(tài)，準(zhǔn)確地與船體緊密接觸。一個(gè)真空吸盤對(duì)靠泊船體可產(chǎn)生20 t的吸附力；當(dāng)對(duì)系統(tǒng)發(fā)出停止工作的指令時(shí)，真空吸盤就與船體脫離，從而使船只能夠快速地離泊出港。

2 復(fù)合材料軸承的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

輕量化、低摩擦和長(zhǎng)壽命是海洋工程等工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的市場(chǎng)趨勢(shì)，因此復(fù)合材料也越來(lái)越廣泛地使用在海洋工程領(lǐng)域中。

本案例中軸承使用的復(fù)合材料是由纖維增強(qiáng)材料與樹(shù)脂組合而成。眾所周知，纖維增強(qiáng)材料重量輕、振動(dòng)阻尼大、耐腐蝕、抗沖擊；樹(shù)脂材料成本較低，并且使用方便。纖維增強(qiáng)材料旨在抵擋作用在層合板上的荷載；在壓縮加載情況下，樹(shù)脂用來(lái)為平面內(nèi)載荷“加固”纖維樹(shù)，并對(duì)平面外載荷通過(guò)直接壓縮傳遞載荷[1]。

2.1 本案例軸承所用復(fù)合材料的性能

該復(fù)合材料是一種特殊的熱固性材料，按照配方在樹(shù)脂制造過(guò)程中添加了一定量的PTFE和二硫化鉬潤(rùn)滑劑，該材料既適用于有水或其他介質(zhì)潤(rùn)滑的場(chǎng)合，也適用于干運(yùn)行的環(huán)境。這是因?yàn)镻TFE潤(rùn)滑劑能減少摩擦和磨損的程度；二硫化鉬在鋼摩擦副表面能形成干潤(rùn)滑膜，改善摩擦和磨損性能[2]。

該復(fù)合材料具有良好的機(jī)械和物化性能。它的比重小，密度為1.25 g/cm3；承載能力大，壓縮彈性模量達(dá)到2 800 MPa，極限壓縮強(qiáng)度超過(guò)300 MPa，如圖2所示，沖擊強(qiáng)度達(dá)120 kJ/m2；摩擦系數(shù)低，磨損量比金屬軸承材料小，如表1所示；能在-150～130℃的溫度范圍內(nèi)使用，耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕能力強(qiáng)（比如海水、硫酸等），尺寸穩(wěn)定（在水中浸一年后的膨脹率低于0.1%）等。

按照ISO 604標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該復(fù)合材料的試樣進(jìn)行壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，得到圖2所示曲線。由圖可以看出，當(dāng)材料變形量小于5%時(shí)，該材料遵循胡克定律，設(shè)計(jì)軸承時(shí)也是使其形變?cè)?%的范圍內(nèi)。

同時(shí)，將該復(fù)合材料與鑄造銅合金進(jìn)行摩擦力和磨損對(duì)比試驗(yàn)，如表1所示，試驗(yàn)表明，在相同條件下，該復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于鑄造銅合金；同時(shí)也表明，該復(fù)合材料在低速重載場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)更明顯。

圖2 該復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度

表1 該復(fù)合材料與鑄造銅合金的對(duì)比試

圖3 一對(duì)球軸承（外軸承還沒(méi)有切半）

2.2 復(fù)合材料軸承的設(shè)計(jì)及安裝

由該復(fù)合材料制成的直筒型軸承和球軸承，用在某客戶公司的自動(dòng)系泊系統(tǒng)單元中，其中直筒型軸承用在導(dǎo)向臂中，一對(duì)球軸承用在導(dǎo)向臂與真空吸盤的連接處，以實(shí)現(xiàn)真空吸盤的多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。在此，由于球軸承設(shè)計(jì)過(guò)程比直筒型軸承復(fù)雜，故僅闡述球軸承的設(shè)計(jì)過(guò)程。

導(dǎo)向臂與真空吸盤連接處的軸承座孔尺寸為φ210H7，金屬桿的直徑為φ150h8，需要的球軸承的軸向長(zhǎng)度為86 mm。球軸承需要承受的工作壓力達(dá)到600 kN，工作溫度是-20～+60℃，最大速度為1 m/min，無(wú)介質(zhì)潤(rùn)滑。軸承座孔和金屬桿均為某合金鋼，表面粗糙度為Ra0.4～Ra0.8。根據(jù)已知的工作條件，設(shè)計(jì)一對(duì)由該復(fù)合材料制成的球軸承，它由內(nèi)、外軸承組成，如圖3所示。

其中，內(nèi)軸承與金屬桿過(guò)盈配合，由于金屬桿的直徑是150 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取過(guò)盈量δ=0.3 mm，內(nèi)軸承與外軸承的間隙值取0.8 mm。外軸承經(jīng)厚度為4 mm的鋸片切半后，再以機(jī)械方式固定在軸承座孔中。設(shè)計(jì)的球軸承的內(nèi)軸承和外軸承如圖4和圖5所示。

對(duì)于該復(fù)合材料軸承的安裝，一般有四種方式。

第一種是采用液氮冷凍安裝，它適合安裝外徑在250 mm以上的軸承。

第二種是采用粘結(jié)劑粘結(jié)安裝，一般而言，當(dāng)工作溫度超過(guò)60℃時(shí)才采用此方式。

圖5 球軸承的外軸承設(shè)計(jì)圖

第三種是在常溫下利用液壓工具或工裝沿軸向方向進(jìn)行壓裝，這適用于過(guò)盈量不大的情況。

第四種是采用螺栓等進(jìn)行機(jī)械固定安裝，軸承壁比較厚時(shí)可采用此方式。

安裝球軸承的內(nèi)軸承時(shí)，內(nèi)軸承與金屬桿是過(guò)盈配合，因此可對(duì)金屬桿進(jìn)行液氮冷凍后，再把內(nèi)軸承裝在金屬桿上。但也可以采用第三種方式進(jìn)行壓裝，這時(shí)需要比較準(zhǔn)確地計(jì)算出加在該復(fù)合材料軸承上的軸向壓裝力，否則容易損壞該軸承。根據(jù)多年的安裝經(jīng)驗(yàn)，壓裝力可以結(jié)合下面兩個(gè)公式計(jì)算出來(lái)[2]：

圖4 球軸承的內(nèi)軸承設(shè)計(jì)圖

式中，p為過(guò)盈配合面的界面壓力；d為名義過(guò)盈直徑；δ為內(nèi)軸承內(nèi)徑與金屬桿的過(guò)盈量；vo、vi分別為球軸承和金屬桿的泊松比；Eo、Ei分別為球軸承和金屬桿的壓縮彈性模量；di為金屬桿的內(nèi)孔直徑（如果有）；do為內(nèi)軸承的外輪廓有效直徑；L為內(nèi)軸承的軸向長(zhǎng)度；μ為內(nèi)軸承和金屬桿配合面的摩擦系數(shù)。

對(duì)于本案例，Eo=210 GPa，Ei=2 800 MPa，由于Eo遠(yuǎn)大于Ei，所以公式（1）可以簡(jiǎn)化為公式（3）：

根據(jù)金屬桿的直徑φ150h8，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)可取δ=0.3 mm，把d=150 mm，vo=0.3，do=（175.7+195.6）/2=185.7 mm，代入公式（3），可以得到p=1.11 MPa，借助類似該工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取μ=0.11～0.12，將p=1.11 MPa，L=86 mm代入公式（2），可以得到F=4.9～5.4 kN。

在安裝內(nèi)軸承前，采用FEA軟件對(duì)內(nèi)軸承進(jìn)行安裝前后的應(yīng)力分析，結(jié)果表明選取的過(guò)盈量δ=0.3 mm給內(nèi)軸承帶來(lái)的內(nèi)應(yīng)力不大；而且FEA軟件輸出的壓裝力F與公式（2）計(jì)算的壓裝力很接近，如圖6所示，驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)是合理的。

圖6 用FEA軟件對(duì)內(nèi)軸承安裝后的應(yīng)力分析

2.3 自動(dòng)系泊系統(tǒng)試驗(yàn)

該自動(dòng)系泊系統(tǒng)在完成本體建造工作后，需要對(duì)其進(jìn)行各種試驗(yàn)。首先在自動(dòng)系泊系統(tǒng)出廠前需要對(duì)每一個(gè)系泊系統(tǒng)單元進(jìn)行連續(xù)兩個(gè)月的載荷試驗(yàn)，該載荷試驗(yàn)在專門設(shè)計(jì)的臺(tái)架上進(jìn)行，如圖7所示，載荷大小和流程按照需要入級(jí)的船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

載荷試驗(yàn)是一個(gè)非常重要的試驗(yàn)，它能檢查所使用的復(fù)合材料軸承和其他零部件能否承受長(zhǎng)時(shí)間工作載荷。在連續(xù)兩個(gè)月的載荷試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果表明該復(fù)合材料軸承滿足試驗(yàn)要求。

圖7 系泊系統(tǒng)單元的載荷試驗(yàn)

在載荷試驗(yàn)合格后，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行功能性控制系統(tǒng)試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)等其他試驗(yàn)，再進(jìn)行自動(dòng)系泊系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)。最后在港口碼頭安裝好該自動(dòng)系泊系統(tǒng)后，進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。這些試驗(yàn)前后持續(xù)了一年時(shí)間，最終試驗(yàn)表明，整個(gè)自動(dòng)系泊系統(tǒng)通過(guò)了驗(yàn)收。

3 結(jié)語(yǔ)

為了適應(yīng)輕量化、低摩擦和長(zhǎng)壽命的市場(chǎng)趨勢(shì)，在自動(dòng)系泊系統(tǒng)的重要部件中采用復(fù)合材料軸承替換以往使用的金屬襯套，試驗(yàn)表明它是可行的，能更好地滿足系統(tǒng)的功能需要，同時(shí)延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。當(dāng)然，它也可以逐步應(yīng)用到海洋工程的其他設(shè)備中去。

[1]ASSOCIATES E G.船復(fù)合材料[M].2版.趙成璧，唐友宏，譯.上海：上海交通大學(xué)出版社，2013.

[2]VAN BEEK A.Advanced Engineering Design: Lifetime Performance And Reliability[M].Delft:TU Delft,2015.