DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 08. 005

曹玉哲，梁鹏，王超，等. 轴瓦变形对水润滑橡胶轴承润滑特性的影响研究［J］ . 机电工程技术，2020，49（08）：17-19.

基金项目：国家自然科学基金项目（编号：51505245）；山东省重点研发计划（编号：2018GSF117038, 2019GNC106102）；固体润滑国家重点实
验室开放课题（编号：LSL-1704）

 

轴瓦变形对水润滑橡胶轴承润滑特性的影响研究*
曹玉哲1，梁鹏1，2，王超1，姜芙林1
（1．青岛理工大学机械与汽车工程学院， 山东青岛266520；
2. 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室， 兰州730000）

摘要：水润滑橡胶轴承已广泛应用于船舶推进轴系中，其橡胶内衬材料的低弹性模量会使轴瓦产生较大变形，进而影响轴瓦润滑性能。以水润滑橡胶轴承为研究对象，建立水润滑轴承弹流润滑理论模型，研究轴瓦变形对水润滑橡胶轴承润滑性能的影响。结果表明，橡胶轴瓦最大变形量可达最小膜厚的两倍；轴瓦变形使橡胶轴承水膜压力下降，膜厚升高，但有利于改善大偏心率下轴承应力集中的问题；考虑轴瓦变形后轴承承载能力大幅下降，摩擦力降低，摩擦因数增大；考虑轴瓦变形后轴颈偏心率更大，偏位角更小。由此可见，轴瓦变形对水润滑橡胶轴承性能影响明显，有必要在其润滑、摩擦机理研究中考虑轴瓦的变形。
关键词：水润滑；橡胶轴承；轴瓦变形；润滑性能
中图分类号：TH133.3    文献标志码：A    文章编号：1009－9492 ( 2020 ) 08－0017－03

Study on the Influences of Bearing Bush Deformation on the Lubrication
Characteristics of Water-lubricated Rubber Bearings
Cao Yuzhe1，Liang Peng1, 2，Wang Chao1，Jiang Fulin1
（1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao,Shandong 266520, China;
2. State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China）

Abstract: Water-lubricated rubber bearings have been widely used in ship propulsion shafting. The low elastic modulus of the rubber lining material will cause large deformation of the bearing, which will affect the lubrication performance of the bearing. Taking the water-lubricated rubber bearing as the research object,a theoretical model of water-lubricated bearing elastohydrodynamic lubrication was established to study the influence of the deformation of the bearing bush on the lubrication performance of the water-lubricated rubber bearing. The results show that the maximum deformation of the rubber bearing shell can reach twice the minimum film thickness; the deformation of the bearing shell causes the water film pressure of the rubber bearing to decrease and the film thickness to increase, but it is beneficial to improve the bearing stress concentration problem under large eccentricity; considering the deformation of the bearing shell, the bearing capacity is greatly reduced, the friction is reduced, and the friction factor is increased; considering the deformation of the bearing bush, the eccentricity of the journal is larger and the deflection angle is smaller. It can be seen that the deformation of the bearing bush has a significant effect on the performance of water-lubricated rubber bearings, and it is necessary to consider the deformation of the bearing bush in the study of its lubrication and friction mechanism.
Key words: water lubrication; rubber bearing; deformation of bearing bush; lubrication performance

 

引言
水润滑轴承因其特有的绿色无污染、节约资源、结构简单等优点，已被广泛应用于船舶、舰艇等水下机械设备中。相比于油润滑轴承，由于采用弹性模量较小的非金属材料做轴承内衬，水润滑轴承会产生较大弹性变形，且水的黏度低，导致水润滑轴承的承载能力较弱，轴承润滑特性也更为复杂[1]。
近年来，人们对水润滑轴承的润滑机理及承载特性开展了一系列研究。Cabrera等[2]实验测量了水润滑橡胶轴承的水膜压力分布，并指出存在大变形的橡胶轴承水膜压力分布与刚性轴承有明显的差异。邓海峰[3]通过台架实验对不同载荷和转速下的水润滑橡胶轴承的摩擦因数进行了测量，并绘制了轴承润滑Streibeck曲线，进而分析了水润滑轴承的润滑状态。何奎霖[4]实验研究了在极端工况下不同水润滑轴承材料的摩擦磨损性能。以上实验研究结果显示，水润滑轴承常工作在混合润滑状态和弹流润滑状态之间，为理论模型的建立提供了基础。Gao等[5-6]利用有限元软件研究了刚性条件下处于不同偏心位置的水润滑轴承的承载能力。王楠[7]利用有限元软件使用流固耦合方法，研究了考虑轴瓦变形后的八沟槽水润滑橡胶轴承在不同偏心率和转速下的水膜压力分布。巩加玉[8]使用有限差分法对不同沟槽尺寸下的水润滑轴承承载能力进行了研究，并将刚性结果和考虑轴瓦变形后的结果对比，发现轴瓦变形会对轴承承载产生影响，考虑变形后的沟槽尺寸选择也更加复杂。
上述研究分析了水润滑轴承的润滑性能，但是多集中于确定轴颈偏心位置后的水膜压力和承载力研究，而工程实际之中，偏心位置一般是不确定的，且目前润滑性能研究多偏重于个别参数，研究不够系统。因此在此基础上，本文以水润滑橡胶轴承为研究对象，建立了考虑载荷平衡的有限长水润滑轴承弹流润滑模型，利用计算效率更高、计算精度得到验证的Winkle假设方法计算轴瓦变形，通过有限差分法研究轴瓦变形对水润滑橡胶轴承润滑特性的影响，并对轴心平衡位置、摩擦力和摩擦因数等参数展开综合研究。

 

结束语
本文以水润滑橡胶轴承为研究对象，研究了轴瓦变形对水润滑橡胶轴承水膜压力、水膜厚度、轴承承载力、摩擦因数、轴心平衡位置的偏心率和偏位角等参数的影响规律。主要结论如下：
（1） 轴瓦变形主要发生在水膜收敛区，橡胶材料轴瓦最大变形可达最小膜厚的两倍，大变形使橡胶轴承水膜压力下降，膜厚升高，但有利于改善大偏心率下轴承应力集中的问题；
（2） 轴瓦变形使橡胶轴承承载能力大幅下降，摩擦力降低，摩擦因数增大；
（3） 轴瓦变形对轴心的平衡位置有较大影响，考虑轴瓦变形后偏心率更大，偏位角更小。
考虑轴瓦变形对水润滑橡胶轴承润滑性能影响非常明显，本文的研究结果对轴承结构设计及轴承表面织构的设计具有借鉴意义。