水潤滑艉管軸承磨損機理分析及結構設計

張 飛，何 濤 ，蔣文超

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

國內多數船舶使用油作為艉管軸承潤滑介質，造成潤滑油的浪費，并且潤滑油的泄漏會對河、海的水資源環境造成污染，威脅生態環境；由于潤滑油的黏性高，艉管軸承在運轉時會產生大量的熱量，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，具有環保無污染、結構簡單、減振降噪、安全性好等優點，具有良好的社會效益、經濟效益和軍事價值[1]。某電力推進軸系試驗平臺，其水潤滑艉管軸承為賽龍軸承材料，平臺運行數月后，艉管后軸承嚴重磨損，導致艉軸下沉，并伴有艉管處振動噪聲過大現象。本文針對此軸承磨損事故原因進行了機理分析，并通過研究分析重新對平臺艉管軸承進行了材料選擇與結構設計，有效提高了試驗平臺艉管軸承的可靠性與使用壽命，保障了平臺的穩定運行。

1 水潤滑艉管軸承磨損機理分析

1.1 原因分析

圖1為某試驗平臺水潤滑艉管軸承嚴重磨損后的實物圖。根據試驗方提供信息及現場測量，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重磨損后的實物圖

根據試驗方提供信息及現場測量，對試驗平臺水潤滑艉管軸承的磨損事故進行判斷：①軸系軸承載荷分布不合理，艉管后軸承承壓過大，導致軸承嚴重磨損；②水潤滑艉管軸承工作時，軸承間隙內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，可導致水潤滑艉管軸承過度磨損，發生事故，因此通過對原軸系進行校中校核計算，研究軸系相關布置的合理性。根據軸系實際布置結果，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范進行計算[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為密封動環組件的作用力，作用點為動環組件重心位置；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 軸系合理性計算結果

根據表1校中結果及實際測量值，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，使軸承經常處于邊界潤滑和混合潤滑狀態，從而摩擦學性能下降，在船舶啟停和低速重載的情況下尤為嚴重，因此，試驗平臺軸系布置不合理是艉管后軸承嚴重磨損的根本原因；此外，艉管后軸承處轉角的弧度為7.1×10-4rad，轉角過大而未采取相關補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)液膜壓力計算及結果分析。已知水潤滑艉管軸承承載與工作環境，研究其在實際工況下的潤滑特性。使用有限元軟件ARMD建立數學模型，并對其潤滑特性進行研究分析，按照實際工況輸入載荷，艉管軸承間隙等參數由試驗方提供，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速關系曲線見圖4。

圖3 艉管軸承液膜壓力分布云圖

圖4 液膜壓力與軸系轉速關系曲線

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

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

圖5 液膜最小厚度與液膜軸系轉速關系曲線

根據水潤滑艉管軸承數值計算結果，軸承液膜厚度隨轉速的增加而增加，而艉管軸承實際工作時常用轉速為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常處于邊界潤滑和混合潤滑狀態，潤滑性能下降，導致平臺艉管后軸承磨損嚴重。

2 結構設計

根據計算結果，原軸系布置不合理，導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構設計開展研究分析。艉管軸承材料的耐磨性能易受溫度影響，過高的溫度易導致水潤滑艉管軸承磨損嚴重甚至直接燒壞，通常具有良好導熱性的軸承材料以及設計有效冷卻的結構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構設計尤為重要[4]。

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

表2 試驗測得MRXW-01相關性能

2)根據校中計算結果和軸承潤滑特性的研究分析，由于艉管后軸承處艉軸轉角的弧度為7.1×10-4rad， 易導致水潤滑艉管后軸承與艉軸接觸不均勻，從而導致艉管后軸承端部嚴重磨損，因此將艉管后軸承設計斜鏜孔，即軸線傾斜度為0.5 mm/m，解決由于艉管后軸承處艉軸轉角過大對艉管后軸承造成的影響?？紤]到復合材料的水脹性以及熱脹性，安裝間隙設計為1.3 mm，以保證其運行間隙符合設計標準；軸承非承載區設計有導水槽，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，減緩軸承磨損程度，艉管軸承結構如圖6所示。

圖6 艉管軸承結構

3 結束語

文章按照相關標準進行了艉管后軸承承載校核，并以校核結果為輸入參數，對艉管軸承潤滑特性進行了數值計算研究，得到了艉管后軸承過度磨損原因，并對艉管軸承進行重新設計。根據研究結果，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行了調整，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。