滚动轴承在全垫升气垫船轴系中的应用

2018-08-25叶楠

船舶 2018年4期

叶楠

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

本文主要探讨滚动轴承在全垫升气垫船轴系中的应用。气垫船的轴系包括推进轴系和垫升轴系两大部分：推进轴系用于驱动空气螺旋桨，垫升轴系用于传动垫升风机。正是空气螺旋桨产生的推力和垫升风机产生的升力，使气垫船高速航行于水面之上。

滚动轴承是利用球或滚子的滚动将一个物体的受控运动以最小的摩擦传递给对应的另一个物体的轴承。迄今为止，国内设计的全垫升气垫船的轴系中大都采用了滚动轴承。与常规船中间轴承主要采用滑动轴承不同，气垫船大量应用滚动轴承的原因主要有以下几点：一是气垫船轴系转速较高，线速度高达30 m/s，远高于滑动轴承的线速度适用范围1.5 ～ 8 m/s；二是气垫船机动性高、无海水冷却，而滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵敏、润滑简便等特点完全适用于气垫船；三是气垫船质量控制严格，滚动轴承较滑动轴承质量优势明显。因此，滚动轴承在全垫升气垫船的推进和垫升轴系中起着不可或缺的作用。滚动轴承作为一种通用结构元件，在全垫升气垫船的高速齿轮箱、空气变距螺旋桨等装置中用来支撑各种运动部件，也发挥着至关重要的作用。

全垫升气垫船的轴系大多安装在露天甲板上，日晒雨淋，经受较大幅度日夜温差，长期工作于盐雾、霉菌的海洋环境中。全垫升气垫船在航行中，其围裙会溅起大量水花，尤其是“越峰”或“改变航向”的过程中更是如此。海水会直接溅落在“高温”的轴承座上，也会渗进轴承中，这使得全垫升气垫船轴系中的滚动轴承工作条件相当严苛。全垫升气垫船的船体多为铝合金制造，船体结构刚性较弱，在风浪中船体变形较大。在上述工况条件下高速运行的全垫升气垫船轴系，如何正确的进行滚动轴承选型，以及润滑与密封等方面进行全面、系统的考量，是设计人员必须面对的问题，也是全垫升气垫船推进与垫升系统能否正常、可靠工作的关键问题之一。

1 滚动轴承的选型

1.1 轴系中的滚动轴承类型

按滚动轴承在全垫升气垫船轴系中的作用，可分为滚动式支承轴承和滚动式推力轴承两大类；按滚动轴承在全垫升气垫船轴系中的配置，又可分为定位轴承和浮动轴承两种。

在全垫升气垫船轴系中，能作轴向双向引导的轴承称作定位轴承，除径向载荷外还能承受轴方向推力的所有类型轴承都适用作定位轴承。X型或O型配置的成对角接触球轴承（通用型）和成对圆锥滚子轴承也可用作定位轴承［1］，推力轴承是轴系中的定位轴承。

浮动轴承用以补偿轴向热膨胀，几乎所有不需要轴向引导的轴承均可用作浮动轴承，轴要利用轴向游隙［2］相对轴承座移动。在中、小型全垫升气垫船轴系中常采用调心轴承（球或滚子）和向心球轴承来作为浮动轴承。

在定位轴承与浮动轴承的组合中，定位轴承能够轴向双向引导轴，浮动轴承则补偿轴和轴承座之间的热膨胀差。用两套以上的轴承支撑轴时，只能有一个轴向定位的轴承，其他轴承都是浮动轴承。

1.2 滚动轴承的寿命计算

通常，采用“额定寿命”作为特定载荷条件下给定轴承运转的疲劳耐久性的度量手段。这个额定寿命是指相当大一批轴承在规定载荷下运转的估计L10寿命［3］，该寿命值与90%的可靠性、当代常用材料和加工质量以及常规运转条件相关。

式中：C为基本额定动载荷；P为当量动载荷；n为球轴承n取3，滚子轴承n取10/3。

滚动轴承在气垫船上的应用条件十分恶劣（如：润滑不充分、安装时的偏差、轴系运行时的变形偏斜、海水的侵入等），并且可能存在载荷不均，这些均会大幅缩短轴承寿命，使其无法达到自身的疲劳寿命。一般要求全垫升气垫船轴系的推力轴承和支承轴承基本额定寿命大于5 000 h。

1.3 滚动轴承的高温适应性

在气垫船轴系中的滚动轴承工作温度一般不会高于120℃，若使用玻璃纤维增强的聚酰胺66制造的保持架，甚至能短时经受更高的温度。但这种轴承使用油润滑时，如果油中含有添加剂，可能会影响保持架的使用寿命。

1.4 滚动轴承的高速适应性

在轴承样本中，一般都会给出“极限转速”的数据。当滚动轴承的转速上升到一定限度后，就再也无法保证正常的均匀运转。这时，滚动体和保持架的惯性力以及极小的形状偏差均可导致运转情况变化、润滑状态变差，使工作面摩擦和磨损增大。

一般轴承公司样本上给出的“极限转速”都是以工程实践为基础的，并且考虑了一些附加条件，如平稳运转，有效的密封和适宜的润滑等。

在高速及高加速度时，轴承负荷不应太小，不能低于P/C= 0.02。

轴承的工作转速绝不应超过“极限转速”，即使轴承工作条件和冷却条件较好。

1.5 滚动轴承的配合

滚动轴承内圈与轴、外圈和轴承座之间的配合公差已在ANSI/ABMA中标准化［4］。轴承可靠运转所要求的配合部位特征，取决于应用场合的工作条件。气垫船轴系具有较好的挠性，以适应船体在风浪中的变形，因此浮动轴承相应具有轴向移动性。由于气垫船轴系通常暴露于露天甲板，轴承寿命远远小于其疲劳寿命，选择配合时除了考虑轴承套圈的可靠固定和均匀支撑，还应易于安装与拆卸，以便于现场紧急更换轴承。

通过过盈配合是实现轴承套圈最简单可靠的圆周方向固定的方法。此安装方式可以防止由于轴承内径和轴外径之间或轴承外径和轴承座之间相对运动而产生的微动磨损。过盈配合能均匀的支撑套圈，同时也达到了充分利用轴承载荷能力的目的。载荷越大，过盈配合应越紧，对冲击载荷尤其如此。

对于轴承内圈与轴、外圈和轴承座之间的配合虽然都采用了紧配合，但是实际设计中配合的公差还是有区别的，一般来说轴承内圈的配合过紧度要大于轴承外圈的配合。同时，还需考虑轴承套圈和配合件之间的温差，选择配合时还要考虑到轴承类型和尺寸。

1.6 滚动轴承的润滑

气垫船轴承工作条件十分复杂。从低温到高温，从低速到高速，从良好的到恶劣的工作环境，设计轴承时需要兼顾考虑润滑性能和经济性。无论采取何种润滑方式，推力轴承和支承轴承稳定状态的工作温度一般不超过80℃。

1.6.1 脂润滑

在气垫船轴系中，滚动轴承在大多数安装部位可采用脂润滑，因为脂润滑时防止润滑剂损耗的密封方法比油润滑简单，在许多情况下，润滑脂还能防止杂质侵入轴承。

多年来研制气垫船的工程实践证明，气垫船轴系中的滚动式支承轴承均可采用脂润滑。采用脂润滑时，必须注意：

（1）脂润滑不能散热；

（2）不能带走磨损颗粒或其他颗粒。

1.6.2 油润滑

气垫船轴系中，高负荷和高转速下自身发热高的轴承应该考虑采用油润滑。油润滑的散热性能好，但是在高速运转下密封较复杂，不但要防止杂质侵入轴承，还要防止润滑油的泄漏。

通常1 000 kW以上的滚动式推力轴承采用强制油润滑。强制润滑的滚动轴承应设置滑油低压报警装置。

油润滑的轴承，一般使用公称粘度约50～90 mm2/s（40℃）的耐老化油，或尽量使用与船舶主机（或减速齿轮箱）同一品牌的润滑油。

对于新研制的气垫船滚动式推力轴承，其功率大于1 000 kW且无母型船资料可借鉴，应进行轴承的功率损失计算，以确定所需滑油量。

1.7 滚动轴承的密封

当轴承的润滑方法确定以后，常常要考虑如何选择适当的密封方法。密封具有两个基本作用：一是保持润滑剂，二是防止杂质进入轴承内部。密封作用必须在相对运动表面之间实现。密封件结构的选择取决于润滑剂的类型（脂、油或固体）、转速、摩擦、磨损，以及便于更换、经济性等因素。密封的类型一般有防尘盖、迷宫式密封、橡胶唇式密封、箍簧密封等型式。对于气垫船滚动轴承的密封，一般设一道纤维编制盘根即可；但对于“高密度”气垫船，在航行中飞溅的水花特别大，则应考虑在轴上设“甩水环”等结构，防止海水进入轴承座中。

2 气垫船轴系中常见的支承轴承和推力轴承

在气垫船轴系中，无论是支承轴承还是推力轴承，必须具备足够的角度调整性能，以适应船体的弹性变形、轴的挠曲以及轴和轴承座安装时不可避免的误差。

完善的轴承安装设计不仅应正确选定轴承基础、轴承结构和轴承配置，还必须考虑轴承周围的组成部件（即轴、轴承座、紧固件、润滑、密封等），所有这些都应列入必须考虑的影响因素。

轴承座材料可以是钢或铝合金。考虑到气垫船轴系会承受冲击力或其他动态力，不建议使用灰口铸铁、球墨铸铁。

轴系中轴承的布置应满足轴系校中计算，纵向稳定性计算和回旋振动计算的要求［5］。

2.1 轴系中的支承轴承

图1与图2分别为浮动轴承和定位轴承。其适用于垫升轴系中的支承轴承，均采用了调心滚子轴承。

图1 浮动轴承

调心滚子轴承双列球面滚子，滚子轴线倾斜于轴承的旋转轴线，其外围滚道呈球面形，滚子可在外圈滚道内进行调心，以补偿轴的挠曲和同心误差。调心滚子轴承也可承受双向轴向力，其内圈用紧定套固定在轴上。

图2 定位轴承

在所有的滚动轴承中，调心滚子轴承承载能力最大，而且基本不受轴径大小的影响，可广泛应用在承受强大冲击力或者难以避免同心误差和挠曲较大的支承部位。

对于加工公差：此类支承轴承，其内圈承受圆周载荷，紧定套在轴上的配合面为h8，轴承座孔为H7。

调心滚子轴承安装也可设计成不带紧定套，但在轴上须设有轴肩，并且采用挡圈或螺母锁定。轴承采用脂润滑，脂润滑的选择按本文“1.6.1”，轴承的密封可选用纤维编织盘根。此类盘根导热性能优良，可在轴线速度达到21.8 m/s状态下长时间工作，盘根也不会过热，其温度适用范围为-40℃～+280℃。

2.2 轴系中的推力轴承

下页图3所示为适用于小型气垫船推进轴系中的推力轴承，采用成对安装的角接触轴承，呈“O”型布置。其不仅能够承受较高的极限转速，并承受一定的双向轴向载荷，采用脂润滑和纤维编织盘根的密封方式。

图3 推力轴承（适用小型全垫船）

图4 推力轴承（适用大、中型气垫船）

下页图4所示为适用于大、中型气垫船推进轴系中的推力轴承。它采用了一个调心滚子轴承和一个推力调心滚子轴承的组合方式。调心滚子轴承能够承受径向力和较小的轴向载荷，推力调心滚子轴承能够承受较大的轴向载荷。由于气垫船正推力远大于负推力，因此，采用推力调心滚子轴承承受正推力，调心滚子轴承承受径向力和负推力。

这种推力轴承在结构设计时，要确保向心和推力轴承的外圈滚道曲率中心重合，这样轴承可以自动调心，以此补偿轴和船体的偏斜和弯曲。

该轴承采用油润滑，润滑油可由船上的齿轮箱供给。推力轴承的密封采用三种密封形式，即迷宫密封、唇形密封和箍簧密封的组合。推力调心滚子轴承在无应力时由弹簧预加载，这样可以确保一个恒定的最小轴向载荷，使得这种密封性能更可靠。同时，在轴上设有“甩油环”，借助离心力将滑油沿径向甩出，使滑油进入内部油槽进而达到密封目的。

对于加工公差建议如下：

（1）推力调心滚子轴承，轴n6；轴承座：不受载，车削。

（2）向心调心滚子轴承，轴m6；轴承座：H7。