沟槽式水润滑橡胶轴承的润滑特性研究

陈梅干

[摘 要] 介绍了水润滑橡胶轴承的润滑特性研究的必要性、目标，提出运用动压润滑理论及流固耦合理论，构建润滑求解模型，借助计算软件对轴承的润滑模型进行数值模拟，计算带有沟槽的水润滑橡胶轴承内部的流场分布，分析对比不同工况条件下的轴承润滑特性的技术路线和实验方案，具有一定的推广性。

[关 键 词] 水润滑；轴承；研究

[中图分类号] U262.24 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）30-0146-02

随着城市化的快速发展和人口的增长，海洋环境遭到了严重破坏，近海流域附近的生活污水、工业废水、船舶润滑油的泄漏、海上石油开采、海水养殖的添加剂对我国近海造成了很大污染。其中，海洋机械由于运输泄露、工作溅射、正常更换等种种原因，机械设备中的润滑油都不可避免地被排放到海水中，这都对江海湖泊以及陆地造成了严重破坏，甚至对生物生态平衡和自然生态环境带来了一定的影响。目前，在经济发达的西方国家，如美国早已通过立法等法律途径来严格禁止在内地河流和湖泊通行的船舶中使用任何油润滑艉轴承，通过法律的途径对水资源环境加以保护。因此，我国应该鼓励绿色发展，倡导对水润滑轴承的应用与推广。

一、研究的意义

在提倡节约资源、绿色环保的大环境背景下，各国亦开始着手研究和开发绿色无污染并且集可靠、高效节能、减振减噪等良好功效于一体的新型轴承系统，以此来解决海洋、河流、湖泊等水环境的污染问题。

水润滑橡胶轴承是一种采用橡胶、塑料、陶瓷等非金属材料作为轴承衬层，用水作为润滑介质以替代矿物油的滑动轴承。与传统油润滑轴承相比，水润滑轴承有其独特的优越性，采用橡胶作为衬层的水润滑橡胶轴承，由于橡胶材料特殊的性质和轴承加工过程中的独特工艺，使其具有以下优点：（1）润滑介质水粘度低，压粘效应和温粘效应相对于油要稳定；（2）安全性能好，水不具有可燃性，避免了由于温度过高可能造成的燃料燃烧；（3）耐磨性好，亲水性好，沟槽橡胶衬层包容性好；（4）橡胶材料能缓冲吸振降噪；（5）结构简单，价格适中。

水润滑橡胶轴承在环保、节能和可持续发展等方面具有非常大的发展潜力和发展空间，越来越受到人们的关注。我们该如何提高水润滑轴承的工作特性呢？如何改善水润滑轴承的实际应用效果呢？这些问题已经逐渐成为各个国家该领域的科技工作者相继探索的一个焦点方向。

二、研究的现状

随着经济和科技水平的高速发展，国内外学者在水润滑橡胶轴承的研究方面也取得了重大进展，国外有运用流体力学对滑动轴承进行分析的K. P. Gertzo（希腊）和R.Pai，D J Hargreaves（澳大利亚），有运用有限差分法求解雷诺方程达到对水润滑轴承静动态分析的B.C.Majumdar， R Pai和D. J. Hargreaves（澳大利亚），国内有运用多重网格计算法将橡胶水润滑轴承和塑料水润滑轴承相结合的王家序、余江波等人，有运用MARC软件分析出流体惯性对轴承润滑心梗影响的段芳莉，有运用有限差分法对螺旋槽流体动压轴承作了详尽研究的王丽丽等，他们是在理论及仿真层面进行研究，另外，国外的澳大利亚昆士兰电子研究所，国内的重庆大学、燕山大学、719研究所等在设计以及实验方面进行了研究，也取得了很多重大突破。有些相关产品目前已经被广泛应用于各种水润滑相关设备中。

三、研究目標

沟槽式水润滑橡胶轴承是在当前产品的基础上对结构进行大胆创新而产生的新型产品。以沟槽式水润滑橡胶轴承作为研究对象，要将动压润滑理论研究和分析情况与实际紧密结合起来，将计算机仿真和试验相结合，将不同工况、不同结构参数进行多方面研究。对于水润滑橡胶轴承结构创新提供一定的理论借鉴，对水润滑橡胶轴承的更新换代及工程领域的应用推广及对国家机械产业战略转型和技术储备具有一定的促进作用。

1.根据轴承安装间隙、转速和几何结构，确定流场的流动状态，利用动压润滑理论和流固耦合理论，构建沟槽水润滑橡胶轴承的润滑求解模型，确定数值计算类型及选择合适的边界条件。

2.通过应用软件——ANSYS FLUENT 来分析轴承在运行过程中其内部流场，通过分析、对比、计算、总结，得出在不同工作情况、条件下的轴承润滑特性（水膜压力分布、流速分布、橡胶衬层变形等）。

3.建立艉轴承有限元模型，分别研究沟槽半径、过渡圆弧半径和橡胶衬层厚度对水润滑橡胶轴承润滑性能的影响。

4.对特定结构和间隙的水润滑橡胶轴承进行试验，分析载荷、转速和间隙对摩擦系数的影响，将实验数据和理论分析结果进行比较，以便进一步修改和完善。

四、技术路线和实验方案

1.从计算流体力学的角度进行考虑，对水润滑轴承的工作原理以及动压形成的过程进行研究和探索，计算水润滑轴承润滑的流动状态为湍流，简化湍流状态的控制方程。考虑空穴现象，建立水润滑橡胶轴承水膜流场与轴承固体的二维流固耦合数学模型，并研究轴承润滑特性参数的计算方法。

2.通过Workbench平台的FLUENT模块来实现相关的数值计算。本课题主要研究合适计算水润滑轴承内流场的湍流模型，得到接近真实工况的计算模型和求解器，更有利于轴承内部流场的计算，同时考虑橡胶层的弹性变形与水的空化现象，确定数值计算方法。

3.对于简化模型和沟槽结构模型的水润滑橡胶轴承，以及橡胶衬层的弹性变形和水的空化现象，通过对不同的转速和偏心率进行流固耦合数值模拟计算，对承载能力的分布以及摩擦系数的变化规律进行分析，找出转速和偏心率等工况对轴承内部流场分布的影响，使得数值仿真结果更接近于真实工况。

4.运用ANSYS Workbench平台的强大功能，尤其它其中的Coulping system耦合模块，进行流体Fluent与固体Transient Structural的双向流固耦合模型的构建，对水润滑橡胶轴承的润滑模型、润滑机理进行仿真、分析和研究。建立水润滑橡胶轴承的仿真模型，求解水膜压力分布和流速分布的瞬时变化状况。求解不同转速和不同偏心率下的水膜压力分布状况、水膜流速分布、橡胶衬层的变形、等效应力。并计算相应工况条件下的水膜承载力、摩擦力和摩擦系数。

5.研究水润滑橡胶轴承的结构参数对轴承润滑特性的影响，采用双向流固耦合方法，分别从最大水膜压力、橡胶衬层变形和承载能力几个方面进行数值仿真计算，得到有利于润滑性能的提高的措施。

6.通过水润滑尾轴承台架模拟试验，采用MPV-20D屏显式摩擦磨损试验机，试验机由交流电机拖动，液压油泵加载，计算机自动完成试验数据的采集与处理，摩擦系数可以通过计算机直接读出。通过改变转速和载荷，探索水润滑橡胶尾轴承的摩擦系数随工况参数变化的规律，并将试验结果与前面研究的数值分析结果进行对比。验证转速与载荷等参数间的关系与轴承机构的合理性，分析影响它们的主要因素，为水润滑橡胶轴承结构设计及优化提供参考。

五、研究的创新点

1.建立适用于水润滑橡胶轴承的计算流体力学模型，得出判定水膜流态的计算方法，选用RNG模型用于湍流状态的计算；通过对轴承实际运转情况的分析，确定合适的边界条件；结合流固耦合求解技术，得出水润滑橡胶轴承的水膜承载能力、摩擦力及摩擦系数的计算方法。

2.对不同偏心率、不同转速、不同沟槽半径、不同过渡圆弧半径、不同橡胶衬层厚度等多种工况下的动压润滑特性进行比较分析。对水润滑轴承工作中最大的压强、橡胶变形、流速分布以及摩擦性能进行研究，分析对润滑性能有所提高的结构变化。

3.根据仿真和试验的分析，研究轴承的摩擦系数随载荷、转速、轴承间隙这三个影响因素的变化规律，得出随着转速增大，轴承摩擦因数减小的结论。得到试验用的轴承在转速600～1000

r/min转速下具有较低的摩擦系数，试验用轴承的最佳半径间隙的条件。为沟槽水润滑橡胶轴承润滑机理的研究提供借鉴。

水润滑橡胶轴承是船舶推进装置的重要零部件，已经越来越多地应用于潜水泵、船舶艉管等工程机械。根据轴承安装间隙、转速和几何结构，确定流体流动状态，运用动压润滑理论及流固耦合理论，构建润滑求解模型，借助应用软件对轴承的润滑模型进行数值模拟，计算带有沟槽的水润滑橡胶轴承内部的流场分布，计算带有沟槽的水润滑橡胶轴承内部的流场分布，分析对比不同工况条件下的轴承润滑特性。研究沟槽半径、过渡圆弧半径和橡胶衬层厚度等因素对水润滑橡胶轴承润滑性能的影响。对特定结构和间隙的水润滑橡胶轴承进行试验，分析载荷、转速和间隙对摩擦系数的影响，对比仿真结果中的摩擦系数随转速的变化规律，得到轴承的最佳间隙，为水润滑轴承的优化设计提供理论和试验数据。对我国大力发展“绿色航运”具有一定的推动作用。

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