CN105864280A - 基于分布式材料设计的水润滑径向轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，主要由轴承壳体(1)，与轴承壳体(1)内壁相连的瓦基(2)，以及多个沿轴向排列且与瓦基(2)表面相连的艉瓦面层(3)、艏瓦面层(4)组成，其中：一块艉瓦面层(3)、一块艏瓦面层(4)与一块瓦基(2)组成一块板条，多块板条共同承担轴承载荷。本发明具有以下主要的优点：偏载作用下艉瓦面层的变形量大于艏瓦面层的变形量，增大瓦面与转轴接触面积，减少了接触应力集中，达到提高尾轴承抵抗偏载能力的目的。本发明适用于因船舶推进轴系螺旋桨轴倾斜导致轴承偏载的场合。

Description

基于分布式材料设计的水润滑径向轴承

技术领域

本发明属于滑动轴承技术领域，特别是一种基于不同瓦面层材料分布式设计思想的水润滑径向轴承。

背景技术

水润滑尾轴承是船舶推进轴系的重要组成部分，起到支撑尾轴及螺旋桨重量的作用。随着船舶吨位的增加，螺旋桨轴在螺旋桨重量的作用下发生烧曲、轴线倾斜等现象，给尾轴承造成很大的边缘负荷，即局部载荷大，严重影响了尾轴承的性能。偏载和轴线倾斜下如何提高轴承润滑、摩擦和振动特性是目前大型船舶所面临的重要难题。

一般水润滑尾轴承由非金属瓦面层(或称“内衬”)和金属基体(或称“衬套”)组成。目前水润滑尾轴承结构形式和材料类型比较丰富，根据瓦面层和基体的关系看，可分为整体式和板条式；根据水槽的位置和数目看，可分为全开槽和部分开槽，前者水槽周向等间距分布，后者水槽仅设置在轴承上部，轴承下部无水槽；瓦面层材料主要包括合成丁腈橡胶、改性橡胶和复合聚合物材料等。从轴向看，这些类型尾轴承的瓦面层均为单一材料且物性一致，难以应对偏载问题。因为单一材料的弹性模量相同，在偏载作用下，靠近螺旋桨尾轴承瓦面会出现严重变形，严重时会引起严重磨损、磨损、剥落、分层和噪声等故障。

相对与此，本发明提出了一种基于非等厚设计的水润滑径向轴承。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服瓦面层轴向材料单一的传统水润滑尾轴承面对偏载时存在局部变形、磨损和噪声严重等问题的不足，提供一种基于分布式材料设计的水润滑径向轴承。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，主要由轴承壳体，与轴承壳体内壁相连的瓦基，以及多个沿轴向排列且与瓦基表面相连的艉瓦面层、艏瓦面层组成，其中：一块艉瓦面层、一块艏瓦面层与一块瓦基组成一块板条，多块板条共同承担轴承载荷。

所述的艉瓦面层靠近加载端，艏瓦面层远离加载端，艉瓦面层的弹性模量小于艏瓦面层的弹性模量，根据式估算，

式中：E1和E2分别为艉瓦面层和艏瓦面层的弹性模量，单位是MPa；D为轴承直径，单位是m；s为瓦面层厚度，单位是m；l和L分别为艉瓦面层和艏瓦面层的轴向长度，单位是m；γ为轴线倾斜角，单位是度。

所述的艉瓦面层和艏瓦面层，在保证两者的弹性模量不同的前提下，均采用橡胶；或者艏瓦面层采用赛龙或飞龙高分子材料，而艉瓦面层采用橡胶。

所述的艉瓦面层和艏瓦面层，其瓦面层均为橡胶时，瓦面层硫化在瓦基内表面上。

所述的艏瓦面层，其瓦面层采用赛龙或飞龙高分子材料时，该瓦面层与瓦基采用水下的强力胶粘接。

所述的艉瓦面层和艏瓦面层的连接部位有两种方案，一种方案是在艉瓦面层和艏瓦面层之间设置周向环槽间隔，这种方案适用于轴承长径比大于3:1的场合；另一种方案，在艉瓦面层端部设置锥形内孔，在艏瓦面层端部设置锥形外壁，两者紧密配合，这种方案适用于轴承长径比较小的场合。

所述轴承壳体外壁开设沉头光孔，为通孔；瓦基外壁开设螺纹孔，为盲孔；螺钉穿过沉头光孔拧进螺纹孔，将瓦基固定在轴承壳体内壁上。

本发明提供的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，还可以采用整体式结构，其中艉瓦面层和艏瓦面层分别为一个套筒，两个套筒之间设置周向环槽间隔；艉瓦面层套筒开设有轴向水槽，艏瓦面层套筒不开水槽。这种结构可提高轴承承载能力，比较适合于偏载较严重的场合。

本发明提供的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承的应用，其安装在因船舶推进轴系螺旋桨轴倾斜导致轴承偏载场合中的应用，以避免局部载荷过大，磨损严重等问题。

该基于分布式材料设计的水润滑径向轴承安装时，其艉瓦面层靠近螺旋桨。

本发明提出瓦面层轴向分布多种材料的设计思想，将艉瓦面层材料的弹性模量设置的大于艏瓦面层材料弹性模量，实现偏载作用下瓦面层前端和后端变形相同，从而保持瓦块前后形面一致，达到提高尾轴承抵抗偏载能力的目的。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

现有水润滑尾轴承瓦面层从轴向看均为单一材料，在偏载作用下存在局部变形大、应力集中和磨损严重等问题。本发明采用瓦面层轴向分布不同弹性模量材料的设计，在偏载区采用小弹性模量材料，在非偏载区采用大弹性模量材料，增加偏载作用下尾轴承与转轴的接触面积，能有效解决偏载下单一材料设计所存在的上述问题。

附图说明

图1是本发明的轴承装配示意图。

图2是本发明的板条第一种实施例结构示意图。

图3是本发明的板条第一种实施例结构几何关系图。

图4是本发明的板条第二种实施例结构示意图。

图5是本发明的轴承第二种实施例结构示意图。

图中：1.轴承壳体；2.瓦基；3.艉瓦面层；4.艏瓦面层；5.螺钉；6.沉头光孔；7.螺纹孔；8.转轴。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其结构如图1所示，主要由轴承壳体1，与轴承壳体1内壁相连的瓦基2，以及沿轴向排列且与瓦基2表面相连的艉瓦面层3、艏瓦面层4组成，其中：一块艉瓦面层3、一块艏瓦面层4与一块瓦基2组成一块板条，多块板条共同承担轴承载荷。

所述的一块板条，其结构如图2所述，艉瓦面层3靠近加载端，艏瓦面层4远离加载端，艉瓦面层3的弹性模量小于艏瓦面层4的弹性模量，如图3，两参数取值可根据下式估算：

$\frac{F_1}{E_{1}l}-\frac{F_2}{E_2(L-l)}\≈\frac{DL}{2s}tan\mathrm{\γ}---\left(1\right)$

式中：E1和E2分别为艉瓦面层3和艏瓦面层4的弹性模量，单位是MPa；D为轴承直径，单位是m；s为瓦面层厚度，单位是m；l和L分别为艉瓦面层3和艏瓦面层4的轴向长度，单位是m；γ为轴线倾斜角，单位是度。精确的E1和E2的取值，需要根据求解轴承热弹流润滑模型得到的最佳承载性能来确定。

所述的艉瓦面层3和艏瓦面层4，在保证两者的弹性模量不同(如公式(1))的前提下，可以为物理性能不同的同种材料或者不同材料。例如两者均为橡胶，或者艉瓦面层4为橡胶，艏瓦面层3为赛龙。根据轴承实际的偏载程度和运行环境等，艉瓦面层3和艏瓦面层4分别选择不同材料可以充分利用两种材料的优势。

所述的艉瓦面层3和艏瓦面层4，其连接处可以有两种方案，如图2所示，在艉瓦面层3与艏瓦面层4之间设置周向环槽间隔，该间隔间距与轴向槽宽度相当，这种方案适用于轴承长径比大于3:1的场合；如图4所示，在艉瓦面层3端部设置锥形内孔，在艏瓦面层4端部设置锥形外壁，两者紧密配合，这种方案适用于轴承长径比较小的场合。

所述的艉瓦面层3和艏瓦面层4，其材料可选用橡胶或者复合聚合物等水润滑材料，当选用橡胶时，则采用硫化工艺将瓦面层硫化在瓦基上。硫化工艺为现有技术，主要是橡胶大分子在加热下与交联剂硫磺发生化学反应，交联成为立体网状结构，粘接在瓦基上。具体硫化工艺可参考文献(《水润滑轴承橡胶硫化工艺系统优化方法研究》，崔洪斌)；当选用复合聚合物时，则采用水下强力胶粘接：首先，在粘接之前，对钢基和复合材料的结合面进行表面处理，去除油污，铁锈和杂质等；然后进行胶料和固化剂等组分的配比，形成胶黏剂；将胶黏剂涂覆在胶接件表面，将钢基和复合材料粘接在一起；在一定的温度、时间和压力作用下，实现胶黏剂的固化。

所述的轴承壳体1，其外壁开设沉头光孔6，为通孔。瓦基2外壁开设螺纹孔7，为盲孔。螺钉5穿过沉头光孔6拧进螺纹孔7，将瓦基2固定在轴承壳体1的内壁上。

本发明提出的基于分布式材料设计方案可以应用于不同的水润滑轴承结构中，来适应不同的应用需求，除图1所示的板条式轴承结构之外，图5为整体式轴承结构方案。

如图5所示，轴承瓦面层为周向完整的套筒状，即靠近加载端艉瓦面层3和远离加载端的艏瓦面层4分别为一个套筒，两个套筒对接处设置周向环槽间隔，该间隔间距与轴向槽宽度相当，用于避免两种材料变形量差异较大时接口处应力集中，以及便于冷却水流动。所述套筒的上部(艉瓦面层3套筒)开有轴向水槽，用于冷却水流动；套筒的下部(艏瓦面层4套筒)不开水槽。当套筒为橡胶时，采用硫化方案与轴承壳体1内壁结合；当套筒为复合聚合物时，采用冷装法。冷装法为现有技术，主要是将套筒冷冻，套筒冷冻收缩后装入轴承壳体1的孔中，当常温恢复尺寸后可获得所要求的配合。这种方案的轴承承载面积大于板条式轴承，因此承载能力也比板条式轴承大，比较适合于偏载较严重的场合。

本发明提供的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其工作过程如下：从轴承一端提供润滑水，转轴4旋转，水被转轴带入到转轴4与板条形成的楔形间隙中，起到润滑和承载的作用。当转轴倾斜时，轴承尾部受到较大偏载，由于轴承艉瓦面层3比艏瓦面层4弹性模量小，在偏载作用下，艉瓦面层3的变形量大于艏瓦面层4，导致轴承瓦面与转轴接触面积较大，减少了接触应力集中，从而提高轴承抗偏载能力。

Claims (10)

1.一种基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其特征是主要由轴承壳体(1)，与轴承壳体(1)内壁相连的瓦基(2)，以及多个沿轴向排列且与瓦基(2)表面相连的艉瓦面层(3)、艏瓦面层(4)组成，其中：一块艉瓦面层(3)、一块艏瓦面层(4)与一块瓦基(2)组成一块板条，多块板条共同承担轴承载荷。

2.根据权利要求1所述的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其特征在于所述的艉瓦面层(3)靠近加载端，艏瓦面层(4)远离加载端，艉瓦面层(3)的弹性模量小于艏瓦面层(4)的弹性模量，根据式估算，

式中：E1和E2分别为艉瓦面层(3)和艏瓦面层(4)的弹性模量，单位是MPa；D为轴承直径，单位是m；s为瓦面层厚度，单位是m；l和L分别为艉瓦面层(3)和艏瓦面层(4)的轴向长度，单位是m；γ为轴线倾斜角，单位是度。

3.根据权利要求2所述的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其特征在于所述的艉瓦面层(3)和艏瓦面层(4)，在保证两者的弹性模量不同的前提下，均采用橡胶，或者艏瓦面层(4)采用赛龙或飞龙高分子材料，而艉瓦面层(3)采用橡胶。

4.根据权利要求3所述的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其特征在于所述艉瓦面层(3)和艏瓦面层(4)，其瓦面层均为橡胶时，瓦面层硫化在瓦基(2)内表面上。

5.根据权利要求3所述的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其特征在于所述艏瓦面层(4)，其瓦面层采用赛龙或飞龙高分子材料时，该瓦面层与瓦基(2)采用水下的强力胶粘接。

6.根据权利要求2所述的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其特征在于所述的艉瓦面层(3)和艏瓦面层(4)的连接部位有两种方案，一种方案是在艉瓦面层(3)和艏瓦面层(4)之间设置周向环槽间隔，这种方案适用于轴承长径比大于3:1的场合；另一种方案，在艉瓦面层(3)端部设置锥形内孔，在艏瓦面层(4)端部设置锥形外壁，两者紧密配合，这种方案适用于轴承长径比较小的场合。

7.根据权利要求1所述的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其特征在于所述轴承壳体(1)外壁开设沉头光孔(6)，为通孔；瓦基(2)外壁开设螺纹孔(7)，为盲孔；螺钉(5)穿过沉头光孔(6)拧进螺纹孔(7)，将瓦基(2)固定在轴承壳体(1)内壁上。

8.根据权利要求1所述的基于分布式材料设计的水润滑径向轴承，其特征在于该水润滑径向轴承采用整体式结构，其中艉瓦面层(3)和艏瓦面层(4)分别为一个套筒，两个套筒之间设置周向环槽间隔；艉瓦面层(3)套筒开设有轴向水槽，艏瓦面层(4)套筒不开水槽。

9.根据权利要求1至8中任一所述基于分布式材料设计的水润滑径向轴承的应用，其特征在于该轴承安装在因船舶推进轴系螺旋桨轴倾斜导致轴承偏载场合中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于该轴承安装时，艉瓦面层(3)靠近螺旋桨。