滾動軸承在全墊升氣墊船軸系中的應用

葉 楠

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

本文主要探討滾動軸承在全墊升氣墊船軸系中的應用。氣墊船的軸系包括推進軸系和墊升軸系兩大部分：推進軸系用于驅動空氣螺旋槳，墊升軸系用于傳動墊升風機。正是空氣螺旋槳產生的推力和墊升風機產生的升力，使氣墊船高速航行于水面之上。

滾動軸承是利用球或滾子的滾動將一個物體的受控運動以最小的摩擦傳遞給對應的另一個物體的軸承。迄今為止，國內設計的全墊升氣墊船的軸系中大都采用了滾動軸承。與常規船中間軸承主要采用滑動軸承不同，氣墊船大量應用滾動軸承的原因主要有以下幾點：一是氣墊船軸系轉速較高，線速度高達30 m/s，遠高于滑動軸承的線速度適用范圍1.5 ～ 8 m/s；二是氣墊船機動性高、無海水冷卻，而滾動軸承具有摩擦阻力小、起動靈敏、潤滑簡便等特點完全適用于氣墊船；三是氣墊船質量控制嚴格，滾動軸承較滑動軸承質量優勢明顯。因此，滾動軸承在全墊升氣墊船的推進和墊升軸系中起著不可或缺的作用。滾動軸承作為一種通用結構元件，在全墊升氣墊船的高速齒輪箱、空氣變距螺旋槳等裝置中用來支撐各種運動部件，也發揮著至關重要的作用。

全墊升氣墊船的軸系大多安裝在露天甲板上，日曬雨淋，經受較大幅度日夜溫差，長期工作于鹽霧、霉菌的海洋環境中。全墊升氣墊船在航行中，其圍裙會濺起大量水花，尤其是“越峰”或“改變航向”的過程中更是如此。海水會直接濺落在“高溫”的軸承座上，也會滲進軸承中，這使得全墊升氣墊船軸系中的滾動軸承工作條件相當嚴苛。全墊升氣墊船的船體多為鋁合金制造，船體結構剛性較弱，在風浪中船體變形較大。在上述工況條件下高速運行的全墊升氣墊船軸系，如何正確的進行滾動軸承選型，以及潤滑與密封等方面進行全面、系統的考量，是設計人員必須面對的問題，也是全墊升氣墊船推進與墊升系統能否正常、可靠工作的關鍵問題之一。

1 滾動軸承的選型

1.1 軸系中的滾動軸承類型

按滾動軸承在全墊升氣墊船軸系中的作用，可分為滾動式支承軸承和滾動式推力軸承兩大類；按滾動軸承在全墊升氣墊船軸系中的配置，又可分為定位軸承和浮動軸承兩種。

在全墊升氣墊船軸系中，能作軸向雙向引導的軸承稱作定位軸承，除徑向載荷外還能承受軸方向推力的所有類型軸承都適用作定位軸承。X型或O型配置的成對角接觸球軸承（通用型）和成對圓錐滾子軸承也可用作定位軸承［1］，推力軸承是軸系中的定位軸承。

浮動軸承用以補償軸向熱膨脹，幾乎所有不需要軸向引導的軸承均可用作浮動軸承，軸要利用軸向游隙［2］相對軸承座移動。在中、小型全墊升氣墊船軸系中常采用調心軸承（球或滾子）和向心球軸承來作為浮動軸承。

在定位軸承與浮動軸承的組合中，定位軸承能夠軸向雙向引導軸，浮動軸承則補償軸和軸承座之間的熱膨脹差。用兩套以上的軸承支撐軸時，只能有一個軸向定位的軸承，其他軸承都是浮動軸承。

1.2 滾動軸承的壽命計算

通常，采用“額定壽命”作為特定載荷條件下給定軸承運轉的疲勞耐久性的度量手段。這個額定壽命是指相當大一批軸承在規定載荷下運轉的估計L10壽命［3］，該壽命值與90%的可靠性、當代常用材料和加工質量以及常規運轉條件相關。

式中：C為基本額定動載荷；P為當量動載荷；n為球軸承n取3，滾子軸承n取10/3。

滾動軸承在氣墊船上的應用條件十分惡劣（如：潤滑不充分、安裝時的偏差、軸系運行時的變形偏斜、海水的侵入等），并且可能存在載荷不均，這些均會大幅縮短軸承壽命，使其無法達到自身的疲勞壽命。一般要求全墊升氣墊船軸系的推力軸承和支承軸承基本額定壽命大于5 000 h。

1.3 滾動軸承的高溫適應性

在氣墊船軸系中的滾動軸承工作溫度一般不會高于120℃，若使用玻璃纖維增強的聚酰胺66制造的保持架，甚至能短時經受更高的溫度。但這種軸承使用油潤滑時，如果油中含有添加劑，可能會影響保持架的使用壽命。

1.4 滾動軸承的高速適應性

在軸承樣本中，一般都會給出“極限轉速”的數據。當滾動軸承的轉速上升到一定限度后，就再也無法保證正常的均勻運轉。這時，滾動體和保持架的慣性力以及極小的形狀偏差均可導致運轉情況變化、潤滑狀態變差，使工作面摩擦和磨損增大。

一般軸承公司樣本上給出的“極限轉速”都是以工程實踐為基礎的，并且考慮了一些附加條件，如平穩運轉，有效的密封和適宜的潤滑等。

在高速及高加速度時，軸承負荷不應太小，不能低于P/C= 0.02。

軸承的工作轉速絕不應超過“極限轉速”，即使軸承工作條件和冷卻條件較好。

1.5 滾動軸承的配合

滾動軸承內圈與軸、外圈和軸承座之間的配合公差已在ANSI/ABMA中標準化［4］。軸承可靠運轉所要求的配合部位特征，取決于應用場合的工作條件。氣墊船軸系具有較好的撓性，以適應船體在風浪中的變形，因此浮動軸承相應具有軸向移動性。由于氣墊船軸系通常暴露于露天甲板，軸承壽命遠遠小于其疲勞壽命，選擇配合時除了考慮軸承套圈的可靠固定和均勻支撐，還應易于安裝與拆卸，以便于現場緊急更換軸承。

通過過盈配合是實現軸承套圈最簡單可靠的圓周方向固定的方法。此安裝方式可以防止由于軸承內徑和軸外徑之間或軸承外徑和軸承座之間相對運動而產生的微動磨損。過盈配合能均勻的支撐套圈，同時也達到了充分利用軸承載荷能力的目的。載荷越大，過盈配合應越緊，對沖擊載荷尤其如此。

對于軸承內圈與軸、外圈和軸承座之間的配合雖然都采用了緊配合，但是實際設計中配合的公差還是有區別的，一般來說軸承內圈的配合過緊度要大于軸承外圈的配合。同時，還需考慮軸承套圈和配合件之間的溫差，選擇配合時還要考慮到軸承類型和尺寸。

1.6 滾動軸承的潤滑

氣墊船軸承工作條件十分復雜。從低溫到高溫，從低速到高速，從良好的到惡劣的工作環境，設計軸承時需要兼顧考慮潤滑性能和經濟性。無論采取何種潤滑方式，推力軸承和支承軸承穩定狀態的工作溫度一般不超過80℃。

1.6.1 脂潤滑

在氣墊船軸系中，滾動軸承在大多數安裝部位可采用脂潤滑，因為脂潤滑時防止潤滑劑損耗的密封方法比油潤滑簡單，在許多情況下，潤滑脂還能防止雜質侵入軸承。

多年來研制氣墊船的工程實踐證明，氣墊船軸系中的滾動式支承軸承均可采用脂潤滑。采用脂潤滑時，必須注意：

（1）脂潤滑不能散熱；

（2）不能帶走磨損顆粒或其他顆粒。

1.6.2 油潤滑

氣墊船軸系中，高負荷和高轉速下自身發熱高的軸承應該考慮采用油潤滑。油潤滑的散熱性能好，但是在高速運轉下密封較復雜，不但要防止雜質侵入軸承，還要防止潤滑油的泄漏。

通常1 000 kW以上的滾動式推力軸承采用強制油潤滑。強制潤滑的滾動軸承應設置滑油低壓報警裝置。

油潤滑的軸承，一般使用公稱粘度約50～90 mm2/s（40℃）的耐老化油，或盡量使用與船舶主機（或減速齒輪箱）同一品牌的潤滑油。

對于新研制的氣墊船滾動式推力軸承，其功率大于1 000 kW且無母型船資料可借鑒，應進行軸承的功率損失計算，以確定所需滑油量。

1.7 滾動軸承的密封

當軸承的潤滑方法確定以后，常常要考慮如何選擇適當的密封方法。密封具有兩個基本作用：一是保持潤滑劑，二是防止雜質進入軸承內部。密封作用必須在相對運動表面之間實現。密封件結構的選擇取決于潤滑劑的類型（脂、油或固體）、轉速、摩擦、磨損，以及便于更換、經濟性等因素。密封的類型一般有防塵蓋、迷宮式密封、橡膠唇式密封、箍簧密封等型式。對于氣墊船滾動軸承的密封，一般設一道纖維編制盤根即可；但對于“高密度”氣墊船，在航行中飛濺的水花特別大，則應考慮在軸上設“甩水環”等結構，防止海水進入軸承座中。

2 氣墊船軸系中常見的支承軸承和推力軸承

在氣墊船軸系中，無論是支承軸承還是推力軸承，必須具備足夠的角度調整性能，以適應船體的彈性變形、軸的撓曲以及軸和軸承座安裝時不可避免的誤差。

完善的軸承安裝設計不僅應正確選定軸承基礎、軸承結構和軸承配置，還必須考慮軸承周圍的組成部件（即軸、軸承座、緊固件、潤滑、密封等），所有這些都應列入必須考慮的影響因素。

軸承座材料可以是鋼或鋁合金。考慮到氣墊船軸系會承受沖擊力或其他動態力，不建議使用灰口鑄鐵、球墨鑄鐵。

軸系中軸承的布置應滿足軸系校中計算，縱向穩定性計算和回旋振動計算的要求［5］。

2.1 軸系中的支承軸承

圖1與圖2分別為浮動軸承和定位軸承。其適用于墊升軸系中的支承軸承，均采用了調心滾子軸承。

圖1 浮動軸承

調心滾子軸承雙列球面滾子，滾子軸線傾斜于軸承的旋轉軸線，其外圍滾道呈球面形，滾子可在外圈滾道內進行調心，以補償軸的撓曲和同心誤差。調心滾子軸承也可承受雙向軸向力，其內圈用緊定套固定在軸上。

圖2 定位軸承

在所有的滾動軸承中，調心滾子軸承承載能力最大，而且基本不受軸徑大小的影響，可廣泛應用在承受強大沖擊力或者難以避免同心誤差和撓曲較大的支承部位。

對于加工公差：此類支承軸承，其內圈承受圓周載荷，緊定套在軸上的配合面為h8，軸承座孔為H7。

調心滾子軸承安裝也可設計成不帶緊定套，但在軸上須設有軸肩，并且采用擋圈或螺母鎖定。軸承采用脂潤滑，脂潤滑的選擇按本文“1.6.1”，軸承的密封可選用纖維編織盤根。此類盤根導熱性能優良，可在軸線速度達到21.8 m/s狀態下長時間工作，盤根也不會過熱，其溫度適用范圍為-40℃～+280℃。

2.2 軸系中的推力軸承

下頁圖3所示為適用于小型氣墊船推進軸系中的推力軸承，采用成對安裝的角接觸軸承，呈“O”型布置。其不僅能夠承受較高的極限轉速，并承受一定的雙向軸向載荷，采用脂潤滑和纖維編織盤根的密封方式。

圖3 推力軸承（適用小型全墊船）

圖4 推力軸承（適用大、中型氣墊船 ）

下頁圖4所示為適用于大、中型氣墊船推進軸系中的推力軸承。它采用了一個調心滾子軸承和一個推力調心滾子軸承的組合方式。調心滾子軸承能夠承受徑向力和較小的軸向載荷，推力調心滾子軸承能夠承受較大的軸向載荷。由于氣墊船正推力遠大于負推力，因此，采用推力調心滾子軸承承受正推力，調心滾子軸承承受徑向力和負推力。

這種推力軸承在結構設計時，要確保向心和推力軸承的外圈滾道曲率中心重合，這樣軸承可以自動調心，以此補償軸和船體的偏斜和彎曲。

該軸承采用油潤滑，潤滑油可由船上的齒輪箱供給。推力軸承的密封采用三種密封形式，即迷宮密封、唇形密封和箍簧密封的組合。推力調心滾子軸承在無應力時由彈簧預加載，這樣可以確保一個恒定的最小軸向載荷，使得這種密封性能更可靠。同時，在軸上設有“甩油環”，借助離心力將滑油沿徑向甩出，使滑油進入內部油槽進而達到密封目的。

對于加工公差建議如下：

（1）推力調心滾子軸承，軸n6；軸承座：不受載，車削。

（2）向心調心滾子軸承，軸m6；軸承座：H7。

3 結 論

在2.1節中，我們提到調心滾子軸承承載能力最大，但并非在氣墊船軸系設計中不分場合，一律采用調心滾子軸承，還要考慮調心球軸承和調心滾子軸承“最小載荷”的要求。

所謂“最小載荷”，是指為保證軸承在運轉過程中不產生打滑，軸承必須承受足夠的載荷。如果載荷不足，軸承會發生打滑，在潤滑不良的情況下會導致軸承損壞。

調心滾子軸承是一種“線接觸”軸承，比“點接觸”的調心球軸承對“最小載荷”更敏感。因此，在氣墊船軸系中，能用調心球軸承的場合，不建議用調心滾子軸承。