具有混合槽結構的水潤滑橡膠軸承彈流潤滑特性

楊森，李明

(西安科技大學 力學系，西安 710054)

水潤滑橡膠軸承作為重要部件廣泛應用于船舶推進軸系的支承中。以水為潤滑介質的橡膠軸承與油潤滑軸承相比具有明顯的不同，一方面，水為低黏度流體，其黏度約為油的1/20，與油潤滑相比，橡膠軸承的水膜厚度較小；另一方面，橡膠的彈性模量較金屬軸套材質大約低4個量級，即使在輕載時，軸承接觸表面也會產生較大的彈性變形，水楔的形狀已經不再由軸套的原始形狀決定。因此，研究橡膠軸承的結構特征對軸承承載力、潤滑膜厚度和橡膠體變形等的影響具有重要工程意義。

近十年來，隨著我國國防工業和國民經濟的快速發展，船舶特別是軍用艦艇日趨大型、重載和高速，而橡膠軸承支承的推進軸系在運轉中出現的振動、噪聲問題也變得更加嚴重，這就對水潤滑橡膠軸承的設計、制造和安裝提出了更高的要求。部分學者通過對水潤滑橡膠軸承的結構特點、作用機理以及動態特性等方面進行研究，并提出了一些設計方案，例如：文獻[1-2]分析了水潤滑橡膠軸承的結構和工作特點，針對橡膠軸承存在的鳴音問題，提出了結構改進方法和軸承設計時需注意的一些問題；文獻[3]通過比較不同彈性模量和泊松比的2種軸承材料，分析了軸承的油膜壓力分布、油膜厚度分布、最小油膜厚度以及承載能力；文獻[4-15]采用定性、定量以及試驗手段，主要討論了彈性模量、長徑比、橡膠層厚度、軸向水槽等因素對軸承彈流潤滑性能的影響；文獻[16]對水潤滑橡膠軸承的水膜壓力進行了實測，并與理論分析結果進行了比較；文獻[17]分析了重載變速工況下的彈流潤滑特性，試驗結果顯示，在重載和超重載條件下形成的彈流膜都具有馬蹄形分布特征。

近年來，文獻[18-19]分別采用試驗和數值分析方法研究了不同工況、不同類型的水潤滑橡膠軸承的彈流潤滑特性；文獻[20-21]則綜合考慮了水潤滑橡膠軸承橡膠彈性變形以及其曲面、凹槽等幾何結構對流潤滑特性的影響。水潤滑橡膠軸承如果從軸向水槽來區分，其截面形狀可分為U形、V形、T形等；如果從接觸面的形狀進行劃分，則可以分為凹面、平面和凸面。從水膜的形成、承載、摩擦等方面來看，其性能表現各不相同，通過綜合不同結構的優勢，設計出一種新型混合槽結構橡膠軸承，利用ANSYS CFX軟件進行仿真模擬，重點討論具有混合槽結構的橡膠軸承的潤滑特性以及橡膠襯層變形等，為該類橡膠軸承的設計提供理論參考。

1 混合槽結構水潤滑橡膠軸承

1.1 軸承結構及參數

水潤滑橡膠軸承基于自身采用水做潤滑介質以及輕質環保的橡膠制成軸瓦，具有良好的減壓抑震、耐摩擦磨損、壽命長等優點，新結構水潤滑軸承應用于船舶尾軸軸系(圖1)。綜合U形、V形和T形水潤滑軸承結構開槽方式的優勢，設計出的混合槽結構水潤滑橡膠軸承結構如圖2所示，其左上部分為V形槽，右下部分為T形槽(圖2b)。

圖1 水潤滑橡膠軸承-轉子系統

圖2 混合槽結構的水潤滑橡膠軸承

水潤滑橡膠軸承結構參數見表1。

表1 水潤滑橡膠軸承結構參數

1.2 模型建立及分析

基于有限體積法，建立三維水潤滑橡膠軸承分析模型，通過條件假設、網格劃分、邊界設定以及數值計算，得到雙向流固耦合情況下的潤滑特性。

1.2.1 建立軸承實體模型

采用SOLIDWORKS繪圖軟件分別繪制U形、V形、T形以及混合型開槽方式的水潤滑橡膠軸承進行對比分析，以混合結構溝槽為例(圖2)，其由2部分構成：外部合金軸套和內部橡膠襯層。

1.2.2 模型分析及邊界設定

利用ANSYS CFX軟件實現雙向流固耦合分析。將軸承模型導入ANSYS中，生成流體水膜，得到三維水潤滑橡膠軸承流固耦合模型，采用結構六面體網格單元分別進行網格劃分，如圖3所示。其中，固體域劃分單元135 000個，流體域劃分單元176 800個。

圖3 固體域和流體域網格劃分

軸承外表面設為固定約束，內表面設為流固耦合面傳遞耦合量。流體域邊界條件主要有4部分：進口采用恒量進流，速率3 m/s；出口采用軸承水位靜壓，為0.01 MPa；內壁(流體與轉子接觸壁面)采用無滑移旋轉壁面，旋轉角速度為15.7 rad/s；外壁(固體域與流體接觸壁面)采用無滑移壁面傳遞耦合量。

分析設定完成后，通過設置流固耦合面作為中間平臺互換耦合量，把固體結構產生的位移傳遞給流體，而流體部分產生的力反過來傳遞給固體結構，經過反復迭代，直至完全收斂。

1.2.3 條件假設

假設流體為不可壓縮的Newton流體，不考慮流體的慣性力；轉子在軸向沒有位移，在周向上由于偏心會產生位移，在軸向上所受載荷、壓力不發生變化；流體域設定為不考慮熱量傳輸。

2 結果及分析

2.1 橡膠襯層變形

由于軸承結構采用低彈性模量的丁腈橡膠作為襯層材料，在軸承轉子系統運轉過程中會出現顯著的彈性變形，相比于金屬軸承更容易形成彈流潤滑水膜，因此，襯層變形對水潤滑橡膠軸承的潤滑特性有著至關重要的影響。

通過計算得到4種不同結構橡膠軸承襯層變化情況如圖4所示。由圖可知：沿軸向分布的襯層變形(圖4a)在入口處最大，出口次之，中間較小，呈“馬蹄形”分布，并且4種不同結構的最大變形量分布趨勢近似，體現出開溝槽結構軸承襯層變化的普遍分布規律；在軸承入口處(圖4b)，襯層最大的變化量有著明顯的區別，V形結構襯層變化最大，與其余3種結構差別較大，T形結構襯層變化最小，即彈性變形小，在偏心承載區提供能夠承載軸承潤滑的水膜厚度，避免水膜過厚，導致彈流潤滑效果不佳，這也是選擇T形結構作為偏心區軸承開槽方式的原因。混合結構與U形結構襯層變化幾乎一致，與T形結構相差很小，所以混合結構對于襯層變化的適應性較好。

圖4 橡膠襯層變形

2.2 水膜壓應力分布

水膜壓應力是軸承承載能力的一種表現方式，當壓應力達到一定程度時，橡膠襯層產生彈性變形并形成潤滑水膜，出現彈流潤滑，降低摩擦因數；但當壓應力過高時，潤滑水膜不足以支承，造成水膜破裂，形成干摩擦，導致軸承摩擦磨損。模擬計算得到4種不同結構橡膠軸承水膜壓應力分布如圖5所示。

沿軸向方向水膜壓應力分布如圖5a所示。由圖可知，由于邊界條件采用入口速度邊界，出口海水靜壓，呈現出從入口到出口壓應力遞減的狀況。從總體趨勢來看，T形結構壓應力變化較為平緩，沿軸向轉子運轉更穩定，所以選用其作為軸承偏心承載的開槽類型；V形結構壓應力最大，并且沿著軸壓力遞減趨勢明顯，轉子啟停過程中進出口承壓跨度太大，導致轉子傾斜作用明顯，磨損加劇，所以選用其作為軸承負壓上半區開槽類型；混合結構介于二者之間，有效避免了承壓過高或者過低對其潤滑效果的影響。

沿著中截面周向的水膜壓應力分布如圖5b所示。由圖可知，混合結構相比于其他3種結構，最大壓應力峰值來臨更早，并且下降的速度更快，避免楔形區域過于狹長，體現了其承載能力的優越性；沿周向方向，混合結構壓應力分布介于T形和V形之間，但與T形更為接近，彌補了V形槽承載特性上的缺點，改進了其綜合承載能力。

圖5 水膜壓應力分布

2.3 流場速度分布

流場速度分布是檢測水流流動特性的重要指標。為了滿足軸承潤滑要求，承壓區需要有足夠的供水以帶走泥沙及熱量，而負壓區需要改善其流動速度，讓水流更加通暢，不影響周向的供水平衡。模擬計算得到4種不同結構橡膠軸承流場速度分布及對比如圖6所示。

圖6 流場速度分布

由圖可知，V形結構流動速度最佳，但波動較大，流場穩定性較差，所以選用其作為負壓區開槽結構，可改善流動速度，不影響周向供水平衡。T形結構流動速度較低，但其溝槽面積大，儲水更多，更容易改善承壓區急速環境下的熱量和泥沙的排出，并且其周向流動穩定性較好，更容易形成連續水膜，彈流效果更佳，所以選用其作為承壓區開槽結構。混合結構在軸向方向上流動特性僅次于V形結構，并且通過結構改良，在周向穩定性上效果更好，有利于改善流體流動、供水平衡，更容易形成連續的彈流潤滑水膜，在流動特性上結果理想。

3 結論

設計了一種具有混合槽結構的水潤滑橡膠軸承，主要研究了各種不同溝槽結構對其橡膠襯層變形、水膜壓應力分布以及流場速度分布的影響，得出結論如下：

1)V形結構溝槽流場速度最大，但其周向水潤滑膜不連續，壓應力以及襯層變形較大，此結構適用于混合結構負壓區結構布置；

2)T形結構溝槽承載面積大，襯層變形以及水膜壓應力較小，但流動特性較差，此結構比較適用于混合結構承壓區結構布置；

3)不同結構溝槽分別在襯層變形、水膜壓應力以及流場速度分布上各有優勢，混合結構溝槽綜合了各方面優點，整體潤滑效果較好。