水潤滑艉管軸承磨損機(jī)理分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

張 飛，何 濤 ，蔣文超

(1.上海漣屹軸承科技有限公司，上海 201100；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所,湖北 武漢 430205)

國內(nèi)多數(shù)船舶使用油作為艉管軸承潤滑介質(zhì)，造成潤滑油的浪費(fèi)，并且潤滑油的泄漏會對河、海的水資源環(huán)境造成污染，威脅生態(tài)環(huán)境；由于潤滑油的黏性高，艉管軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量的熱量，易造成油潤滑軸承溫度異常升高而影響其使用壽命。水潤滑艉管軸承通常以海水或者河水作為潤滑介質(zhì)，具有環(huán)保無污染、結(jié)構(gòu)簡單、減振降噪、安全性好等優(yōu)點，具有良好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和軍事價值[1]。某電力推進(jìn)軸系試驗平臺，其水潤滑艉管軸承為賽龍軸承材料，平臺運(yùn)行數(shù)月后，艉管后軸承嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致艉軸下沉，并伴有艉管處振動噪聲過大現(xiàn)象。本文針對此軸承磨損事故原因進(jìn)行了機(jī)理分析，并通過研究分析重新對平臺艉管軸承進(jìn)行了材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效提高了試驗平臺艉管軸承的可靠性與使用壽命，保障了平臺的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 水潤滑艉管軸承磨損機(jī)理分析

1.1 原因分析

圖1為某試驗平臺水潤滑艉管軸承嚴(yán)重磨損后的實物圖。根據(jù)試驗方提供信息及現(xiàn)場測量，艉軸軸頸直徑為270 mm，軸承徑向安裝間隙為1.2 mm，水潤滑艉管軸承厚度為21 mm，磨損后最小厚度為15 mm。

圖1 某試驗平臺艉管軸承嚴(yán)重磨損后的實物圖

根據(jù)試驗方提供信息及現(xiàn)場測量，對試驗平臺水潤滑艉管軸承的磨損事故進(jìn)行判斷：①軸系軸承載荷分布不合理，艉管后軸承承壓過大，導(dǎo)致軸承嚴(yán)重磨損；②水潤滑艉管軸承工作時，軸承間隙內(nèi)形成具有一定厚度的動壓水膜，膜壓力將軸支撐起來，試驗平臺由于轉(zhuǎn)速低、軸承承載大，艉軸與艉管軸承之間未能形成有效的動壓水膜，從而使艉軸與艉管軸承摩擦表面直接接觸，加重艉管軸承磨損，發(fā)生艉軸下沉及振動過大事故；③軸承液膜壓力與膜厚的變化以及溫度升高使水潤滑艉管軸承易受空化效應(yīng)的影響，影響其承載能力，使軸承材料受到侵蝕。

1.2 軸系校中校核

軸系載荷分布不合理，可導(dǎo)致水潤滑艉管軸承過度磨損，發(fā)生事故，因此通過對原軸系進(jìn)行校中校核計算，研究軸系相關(guān)布置的合理性。根據(jù)軸系實際布置結(jié)果，將高彈視為自由端，螺旋槳作為集中載荷處理，建立校中計算模型，軸系計算模型全長約為12 m，通過傳遞力矩法按照規(guī)范進(jìn)行計算[2]，軸系校中計算模型示意圖如圖2所示。圖2中，G為螺旋槳集中重力，作用點為螺旋槳重心位置；F1為密封動環(huán)組件的作用力，作用點為動環(huán)組件重心位置；F2為盤車裝置大齒輪的作用力，作用點為大齒輪重心位置。

圖2 軸系校中計算模型示意圖

根據(jù)試驗方提供的原始合理校中時軸系布置及軸承位移值，軸系合理性計算結(jié)果如表1所示。其中，軸承位移值為試驗方提供原始合理校中時軸承的位移值；20%G指相鄰兩軸段之間重力的20%[2]。

表1 軸系合理性計算結(jié)果

根據(jù)表1校中結(jié)果及實際測量值，艉管后軸承1反力為81.86 kN，艉管后軸承比壓接近其比壓許用值[3]，而艉管前軸承2比壓為0.09 MPa；平臺運(yùn)行過程中，由于載荷分布不均可造成水膜壓力過大以及膜厚不足以隔離艉管后軸承與艉軸，使軸承經(jīng)常處于邊界潤滑和混合潤滑狀態(tài)，從而摩擦學(xué)性能下降，在船舶啟停和低速重載的情況下尤為嚴(yán)重，因此，試驗平臺軸系布置不合理是艉管后軸承嚴(yán)重磨損的根本原因；此外，艉管后軸承處轉(zhuǎn)角的弧度為7.1×10-4rad，轉(zhuǎn)角過大而未采取相關(guān)補(bǔ)救措施也是軸承異常磨損的主要原因。

1.3 軸承潤滑特性計算分析

水潤滑艉管軸承工作時，形成具有一定厚度的動壓水膜，水膜支撐艉軸并防止艉軸與艉管軸承直接接觸；因此通過對艉管軸承液膜壓力及液膜厚度的研究，可以確定艉管軸承的潤滑與磨損特性。

1)液膜壓力計算及結(jié)果分析。已知水潤滑艉管軸承承載與工作環(huán)境，研究其在實際工況下的潤滑特性。使用有限元軟件ARMD建立數(shù)學(xué)模型，并對其潤滑特性進(jìn)行研究分析，按照實際工況輸入載荷，艉管軸承間隙等參數(shù)由試驗方提供，艉管軸承液膜壓力分布云圖見圖3。針對試驗平臺實際工況，計算得液膜壓力與軸系轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線見圖4。

圖3 艉管軸承液膜壓力分布云圖

圖4 液膜壓力與軸系轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

由圖3、圖4知，液膜壓力集中在承載區(qū)正下方，且單一變量下，液膜壓力隨軸系轉(zhuǎn)速的增加而減小，即軸系轉(zhuǎn)速越大，越有利于液膜的形成；當(dāng)軸系轉(zhuǎn)速小于80 r/min時，液膜壓力急劇增大，達(dá)到0.9 MPa以上，可能會使軸承產(chǎn)生局部干摩擦，溫度快速升高，導(dǎo)致軸承承載區(qū)過度磨損。

2)液膜厚度計算及結(jié)果分析。圖5為液膜最小厚度與液膜軸系轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，由圖5知，液膜厚度隨著軸系轉(zhuǎn)速的增加而增加。

圖5 液膜最小厚度與液膜軸系轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

根據(jù)水潤滑艉管軸承數(shù)值計算結(jié)果，軸承液膜厚度隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，而艉管軸承實際工作時常用轉(zhuǎn)速為70 r/min，即最小液膜厚度約為7.5 μm。由于水膜較薄，水潤滑艉管后軸承與艉軸之間經(jīng)常處于邊界潤滑和混合潤滑狀態(tài)，潤滑性能下降，導(dǎo)致平臺艉管后軸承磨損嚴(yán)重。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)計算結(jié)果，原軸系布置不合理，導(dǎo)致軸承載荷分布不均勻，艉管后軸承與艉軸之間難以形成有效的動壓水膜，潤滑性能下降，從而平臺因艉管軸承過度磨損發(fā)生故障。由于更改軸系布置成本過大，因此為了降低成本，提高水潤滑艉管軸承的可靠性及使用壽命，對水潤滑艉管軸承的材料選用及結(jié)構(gòu)設(shè)計開展研究分析。艉管軸承材料的耐磨性能易受溫度影響，過高的溫度易導(dǎo)致水潤滑艉管軸承磨損嚴(yán)重甚至直接燒壞，通常具有良好導(dǎo)熱性的軸承材料以及設(shè)計有效冷卻的結(jié)構(gòu)有利于減緩水潤滑艉管軸承的摩擦磨損，艉管中存在的泥沙也會導(dǎo)致水潤滑艉管軸承的潤滑性能減弱，影響水潤滑艉管軸承的使用壽命，因此對水潤滑艉管軸承材料的選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要[4]。

1)根據(jù)水潤滑艉管軸承材料潤滑特性及機(jī)械性能，將選用纖維樹脂基復(fù)合材料(簡稱MRXW-01)，MRXW-01材料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性好、吸振性好等優(yōu)點，相比于原賽龍軸承材料具有良好的熱導(dǎo)性及耐磨性能，且適用于各種泥沙工況中，試驗測得MRXW-01相關(guān)性能如表2所示。

表2 試驗測得MRXW-01相關(guān)性能

2)根據(jù)校中計算結(jié)果和軸承潤滑特性的研究分析，由于艉管后軸承處艉軸轉(zhuǎn)角的弧度為7.1×10-4rad， 易導(dǎo)致水潤滑艉管后軸承與艉軸接觸不均勻，從而導(dǎo)致艉管后軸承端部嚴(yán)重磨損，因此將艉管后軸承設(shè)計斜鏜孔，即軸線傾斜度為0.5 mm/m，解決由于艉管后軸承處艉軸轉(zhuǎn)角過大對艉管后軸承造成的影響?？紤]到復(fù)合材料的水脹性以及熱脹性，安裝間隙設(shè)計為1.3 mm，以保證其運(yùn)行間隙符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；軸承非承載區(qū)設(shè)計有導(dǎo)水槽，使艉管后軸承充分冷卻，有效防止水膜破壞，減小液膜阻尼系數(shù)，減緩軸承磨損程度，艉管軸承結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 艉管軸承結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

文章按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了艉管后軸承承載校核，并以校核結(jié)果為輸入?yún)?shù)，對艉管軸承潤滑特性進(jìn)行了數(shù)值計算研究，得到了艉管后軸承過度磨損原因，并對艉管軸承進(jìn)行重新設(shè)計。根據(jù)研究結(jié)果，選擇了更具耐磨特性的MRXW-01材料，提高了平臺水潤滑艉管后軸承的使用壽命；對試驗平臺艉管后軸承軸線進(jìn)行了調(diào)整，使艉管后軸承受力更加均勻，從而減緩艉管后軸承磨損，提高了艉管后軸承使用壽命。