CN109296645A - 一种自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统及设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统及设计方法，属于轴承润滑领域。其特征在于：自适应承载水润滑艉轴承分为前段轴承、中间轴承、后段轴承，润滑介质海水在后段轴承螺旋槽的“泵吸”下自行进入轴承间隙，并在艉轴管导水槽和中间轴承自吸孔作用下，形成润滑介质的全域循环。根据使用工况不同，该轴承可以自行选择承载区，使得该轴承同时具有刚性艉轴承的高承载力和柔性轴承耐磨损的特性，同时改善了传统艉轴承润滑介质存在滞流区的问题，总体润滑效果明显改善。
Description
技术领域
一种自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统及设计方法，属于轴承润滑技术领域。
背景技术
艉轴承是船舶及海洋装备推进动力与抗风暴侧推螺旋桨的关键部件，起着支撑艉轴和螺旋桨的作用。艉轴承润滑好坏不仅直接影响其是否可靠稳定工作，而且也间接关系到船舶及海工装备的正常航行与在强风暴下的生存能力。水润滑轴承作为环保型艉轴承的代表，近些年得到高度重视。相关资料指出，水润滑轴承由于其润滑介质粘度通常是润滑油粘度的三十到四十分之一。因此，相同轴承结构下，水润滑轴承的承载力远小于油润滑轴承，进而导致相同工况条件下，水润滑轴承偏心率较大，稳定工作偏心率为0.6～0.7，启停或有冲击载荷时通常处于混合润滑阶段。大偏心率和混合润滑使得水润滑轴承的设计相对于传统油润滑轴承更为复杂。
为了解决上述问题，目前一般采用两种方案。第一种采用轴承材料采用非金属材料轴承，如聚四氟乙烯、橡胶等。由于采用非金属材料，在发生轴瓦碰摩或存在磨屑时，不会导致轴颈的严重磨损。另外，当润滑介质存在磨屑时，轴瓦可以变形进而容纳磨屑。为了使得磨屑能够顺利排出，通常在这类轴瓦的表面设置有导水槽，如专利CN201010596379.9。但是这类轴承由于开有凹槽导致其承载力进一步降低，使得轴承磨损加剧，轴承使用寿面严重降低。
另一类是采用轴瓦材料采用金属材料，这类轴承由于形成的水润滑压力连续，因此承载力高，但是不适用与水中磨屑较多的场合。专利CN201611081220.7提出一种双层织构型水润滑轴承，理论上可以容纳磨屑，并提高承载力，但是这类轴承加工难度大，并且磨屑容易再次逸出。
综上所述，随着船舶及海工装备大型化、环境友好方向的发展，大规模采用水润滑轴承已经成为主流趋势，但现有技术均无法解决水润滑轴承承载力、容纳磨屑、承受冲击等之间的矛盾。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在艉轴的驱动下，润滑介质在艉轴管内全域循环，承载区依照工况自适应选择的多段组合式水润滑轴承，该轴承具有承载力均匀、润滑状态良好、可抵抗冲击或启停载荷的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统，其特征在于包括艉轴、自适应承载艉轴承、全域循环型艉轴管。润滑介质海水在艉轴带动下进入后段轴承螺旋槽，在螺旋槽的“泵吸”作用下，吸引更多的海水润滑进入中间轴承与艉轴的间隙中，并在后段轴承的螺旋槽的“泵吸”作用下，海水加速从自适应承载水润滑艉轴承中排出，之后进入艉轴管的导水槽中。导水槽与外部海洋环境直接相连，进而排入海洋，使得海水在整个艉轴承系统中没有滞流水，进而形成整个润滑流场循环。
所述的自适应承载水润滑艉轴承为分段组合式轴承，依次由前段轴承、中间轴承和后段轴承三段组成。
优选的，前段轴承和后段轴承采用完全相同的结构参数。
优选的，前段轴承横截面为正多边形结构，且截面旋向与艉轴运动方向相同。多边形角处采用三段等直径圆弧过渡，以便容纳磨屑。
优选的，为了减轻对于艉轴的磨损，前段轴承和后段轴承均采用橡胶材料，装配时，三段轴承轴向通过压紧实现固定，周向通过定位凸起和艉管定位凹槽实行固定。
所述的中间轴承为分区域双层织构型水润滑轴承，包括刚性衬里和柔性轴承套。所述的刚性衬里沿艉轴旋转方向自重力载荷作用线依次设置自吸区、困屑区和织构区。所述的柔性轴承套沿艉轴旋转方向自重力载荷作用线依次设置辅助自吸区和辅助困屑区。
优选的，衬里层和轴承套之间为紧配合，装配时，刚性衬里直接压入柔性轴承套内，且刚性衬里和柔性轴承套之间通过衬里周向定位凸起和轴承套周向定位凹槽实现周向固定。
优选的，刚性衬里直径大于前段轴承与后段轴承的多边形内接圆直径，以保证在不同的工况下，自适应滑动轴承自动选的承载区域。当艉轴正常工作时，由于中间轴承间隙小于前、后段轴承，因此主要承载区为前、后段轴承、辅助承载区为中间轴承。当转速较低或者遭遇冲击载荷时，艉轴偏心率增加，前、后段轴承进入边界润滑状态，由于其内接圆直径小于中间轴承，因此，此时中间段轴承不会发生碰摩，进而可以有效保护刚性衬里，而具有刚性衬里的中间轴承可以在较大偏心率下快速有效形成动压承载，进而有效阻止前、后段轴承边界润滑状态的加剧，因此，在低速或冲击载荷作用下，主要承载区为中间轴承，辅助承载区为前、后段轴承；
优选的，自吸孔为圆柱形通孔，困屑孔为正方形通孔，织构为矩形孔。自吸孔的作用原理为中间轴承工作时会在上部形成低压区，使得自吸孔内侧区域压力小于外层。自吸孔的设置与艉管上部的导水槽相对应，当海水流经导水槽时，在内外压差作用下，海水会有一部分进入刚性轴承衬里与艉轴之间的间隙，进而提高润滑效果。
优选的，辅助自吸区由尺寸相同的辅助自吸孔组成，辅助自吸孔为圆柱形通孔，设置位置与刚性轴套中的自吸孔位置相对应。
优选的，辅助自吸孔直径要大于自吸孔直径。
优选的，辅助困屑区由尺寸相同的辅助困屑孔组成，辅助困屑孔为正方形通孔，其尺寸与困屑孔尺寸相同，以便加工。装配时，辅助困屑孔与困屑孔交错一定角度，以保证磨屑不会重新逃逸。
所述的全域循环型艉管在上部设置有导水槽，导水槽的设置与中间轴承中的辅助自吸孔和自吸孔位置相对应。
优选的，全域循环型艉轴管周向设置有与前段轴承、后段轴承、柔性轴承套的定位凸起相对应的艉管定位槽。后段轴承“泵出”的海水通过艉管导水槽直接流入海洋环境。
一种自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1001，通过给定的艉轴直径Dj，确定中间轴承直径Db2：
Db2＝(1+cR)Dj
式中，cR为轴承间隙系数；
步骤1002，选定织构边长dtext，计算织构分布尺寸，其轴向间隔Sa:
Sa＝(2～3)dtext
周向数目nc：
式中，Sa为织构轴向间隔；
周向间隔角度：
步骤1003，计算自吸孔直径Di1：
计算辅助自吸孔直径：
Di2＝2×Di1
步骤1004，计算装配时，陶瓷衬里和橡胶轴承套交错装配，装配交错角度为：
步骤1005，选定多边形边数，计算前后段轴承正多边形的内接圆直径Doi：
艉管定位槽和定位凸起数目：
步骤1006，选定螺旋角β，计算螺旋槽型线：
式中，0＜θ＜β。
步骤1007，设计结束。
优选的，步骤II中所述的织构区域分布在周向60～120°；
优选的，步骤III中所述的自吸孔轴向间隔为10mm。当中间轴承工作时，在-30～30°形成低压区，因此设置在周向-30～30°设置，共7行；
优选的，步骤VI中所述螺旋角为β＝π/3；
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、一种自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统及设计方法，其特征在于可根据工况的不同，滑动轴承自适应选择承载区域。当艉轴正常工作时，由于中间轴承间隙小于前、后段轴承，因此主要承载区为前后段轴承、辅助承载区为中间轴承。当转速较低或者遭遇冲击载荷时，艉轴偏心率增加，前、后段轴承进入边界润滑状态，由于其内接圆直径小于中间轴承，因此，此时中间段轴承不会发生碰摩，进而可以有效保护刚性衬里，而具有刚性衬里的中间轴承可以在较大偏心率下快速有效形成动压承载，进而有效阻止前后段轴承边界润滑状态的加剧，因此，在低速或冲击载荷作用下，主要承载区为中间轴承，辅助承载区为前后段轴承。
2、与传统艉轴承相比，本自适应承载的介质全域循环型水润滑艉轴承系统中在后段轴承中同样设置有螺旋槽，并且在艉轴上端与中间轴承自吸孔对应位置设置有导水槽，进而经由后段轴承出来的海水，可以在后段轴承螺旋槽的“泵送”下，进入艉管导水槽。导水槽中的水可以在直接排入海洋的过程中，经过中间轴承自吸区时，可以在中间轴承低压区的作用下，再次进入中间轴承，可有效改善中间轴承的润滑状态，进而保证其始终在动压润滑状态工作。
3、中间轴承采用分区域轴承的精细设计理念，沿艉轴旋转方向自重力载荷作用线依次设置自吸区、困屑区、织构区，其作用分别是补充润滑介质、容纳磨屑、提高承载力，分别对应着刚性艉轴承常见失效形式，即温升过高、过度磨损、摩擦噪声问题。因此，采用本设计方案可以有效提高艉轴承的工作寿命和使用效果。
4、一种自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统及设计方法，针对前后段轴承经常处于边界润滑的特点，设计有均匀分布的定位槽，可以方便拆卸后改变定位槽位置，重新进行安装，可以实现多次使用，同时前后段艉轴承采用完全相同的结构，也同样可以实现替代，进而保证前、后段轴承，尤其是后段轴承能够寿命工作。
附图说明
图1为自适应承载的介质全域循环型水润滑艉轴承系统装配图。
图2为自适应承载的介质全域循环型水润滑艉轴承系统爆炸图。
图3为自适应承载的介质全域循环型水润滑艉轴承爆炸图。
图4为中间轴承装配图。
图5为中间轴承衬里。
图6为中间轴承轴承套。
图7为前后段轴承。
图8为自适应承载示意图。
图9为全域循环型艉管。
图10为自适应承载的介质全域循环型水润滑艉轴承系统设计方法流程图。
其中：1、艉轴 2、自适应承载水润滑艉轴承 3、全域循环型艉轴管 4、前段轴承 5、中间轴承 6、后段轴承 7、刚性衬里 8、柔性轴承套 3-1、艉管导水槽 3-2、艉管定位槽 4-1、定位凸起 4-2、螺旋槽 4-3、多边形内接圆 7-1、自吸孔 7-2、困屑孔 7-3、织构 7-4、衬里周向定位凸起 8-1、辅助自吸孔 8-2、辅助困屑孔 8-3、轴承套周向定位凸起 8-4、轴承套定位凹槽。
具体实施方式
图1～9是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～9对本发明做进一步说明。
如图1～3所示，该自适应承载的介质全域循环型水润滑艉轴承系统，包括艉轴(1)、自适应承载艉轴承(2)、全域循环型艉轴管(3)。润滑介质海水在艉轴带动下进入后段轴承(6)螺旋槽(4-2)，在螺旋槽(4-2)的“泵吸”作用下，吸引更多的海水润滑进入中间轴承(5)与艉轴(1)的间隙中，并在前段轴承(4)的螺旋槽(4-2)的“泵吸”作用下，海水加速从自适应承载艉轴承(2)中排出，之后进入全域循环型艉轴管(3)的艉管导水槽(3-1)中。艉管导水槽(3-1)与外部海洋环境直接相连，进而排入海洋，使得海水在整个艉轴承系统中没有滞流水，改善了传统艉轴承中泥沙、微生物等的过度积累。
自适应承载水润滑艉轴承(2)与艉轴(1)之间存在间隙，与全域循环型艉管(3)之间为紧配合。自适应承载水润滑艉轴承(2)由前段轴承(4)、中间轴承(5)和后段轴承(6)组成。装配时，三段轴承轴向通过压紧实现紧密贴合。考虑到腐蚀和艉轴磨损问题，前段轴承(4)和后段轴承(6)优选采用采用橡胶材料，装配时，直接压入全域循环型艉轴管(3)形成紧配合。考虑到存在大量的边界润滑状态，前段轴承(4)和后段轴承(6)与艉轴(1)之间存在强烈的剪切应力，因此周向通过艉管定位槽(3-2)和定位凸起(4-1)实行固定。考虑到实际使用过程中轴承轴向受力较少，仅通过紧配合即可完成固定。
如图4～6所示，中间轴承(5)为分区域双层织构型水润滑轴承，包括刚性衬里(7)和柔性轴承套(8)，刚性衬里(7)和柔性轴承套(8)之间为紧配合，装配时，刚性衬里(7)直接压入柔性轴承套(8)内，且刚性衬里(7)和柔性轴承套(8)之间通过衬里周向定位凸起(7-4)和轴承套定位凹槽(8-4)实现周向固定。考虑到海水的腐蚀问题，衬里层优选选择陶瓷，轴承套材料优先选择橡胶。
刚性衬里(7)从重力载荷作用线沿旋转方向依次为自吸区、困屑区和织构区。其中，自吸孔(7-1)优先选择圆柱形通孔，困屑孔(7-2)优先选择正方形通孔，织构(7-3)优先选择矩形孔。自吸孔的作用原理为中间轴承工作时会在上部形成低压区，使得自吸孔(7-1)内侧区域压力小于外层。自吸孔(7-1)的设置与全域循环型艉轴管(3)上部的艉管导水槽(3-1)相对应，当海水流经艉管导水槽(3-1)时，在内外压差作用下，海水会有一部分进入刚性衬里(7)与艉轴(1)之间的间隙，进而提高润滑效果。
柔性轴承套(8)沿艉轴旋转方向自重力载荷作用线依次设置辅助自吸区和辅助困屑区，所述的辅助自吸区由尺寸相同的辅助自吸孔(8-1)组成，辅助自吸孔(8-1)为圆柱形通孔，设置位置与刚性衬里(7)中的自吸孔(7-1)位置相对应，但是辅助自吸孔(8-1)直径要大于自吸孔(7-1)直径。辅助困屑区由尺寸相同的辅助困屑孔(8-2)组成，辅助困屑孔(8-2)为正方形通孔，其尺寸与困屑孔(7-2)尺寸相同，以便加工。装配时，辅助困屑孔(8-2)与困屑孔(7-2)交错一定角度，以保证磨屑不会重新逃逸。
如图7所示，从使用经验来看，后段轴承较容易损坏，为了充分发挥轴承性能，前段轴承(4)和后段轴承(6)采用完全相同的结构参数，以便互换。前段轴承(4)和后段轴承(6)横截面均为正多边形结构，多边形角处采用三段等直径圆弧过渡，形成螺旋槽(4-2)，以便容纳磨屑，截面旋向与艉轴运动方向相同。前段轴承(4)和后段轴承(6)外部设置有三个等间距的定位凸起(4-1)实现周向定位。
如图8所示，刚性衬里(7)直径大于前段轴承(4)和后段轴承(6)的多边形内接圆直径(4-3)，以保证在不同的工况下，自适应滑动轴承自动选的承载区域。当艉轴正常工作时，由于中间轴承间隙小于前、后段轴承，因此主要承载区为前段轴承(4)、后段轴承(6)，辅助承载区为中间轴承(5)。当转速较低或者遭遇冲击载荷时，艉轴偏心率增加，前段轴承(4)、后段轴承(6)进入边界润滑状态，由于其内接圆直径小于中间轴承，因此，此时中间轴承(5)不会发生碰摩，进而可以有效保护刚性衬里，而刚性衬里(7)高压力下仍然可以保证较好的收敛楔形，使得中间轴承(5)可以在较大偏心率下快速有效形成动压承载，进而有效阻止前段轴承(4)、后段轴承(6)边界润滑状态的加剧，因此，在低速或冲击载荷作用下，主要承载区为中间轴承(5)，辅助承载区为前段轴承(4)、后段轴承(6)；
如图9所示，全域循环型艉轴管(3)上部设置有艉管导水槽(3-1)，周向设置有与前段轴承(4)和后段轴承(6)的定位凸起(4-1)相对应的艉管定位槽(3-2)。后段轴承“泵出”的海水通过艉管导水槽(3-1)直接流入海洋环境，艉管导水槽(3-1)的设置与中间轴承(5)中的辅助自吸孔(8-1)和自吸孔(7-1)位置相对应，方便海水在艉管导水槽(3-1)中流动时能够进入中间轴承(5)，提高润滑效果。
如图10所示，一种自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统设计方法，以艉轴(1)直径为Dj＝140mm为例，包括如下步骤：
步骤1001，通过给定的艉轴(1)直径Dj，确定中间轴承(5)直径Db2：
Db2＝(1+cR)Dj＝(1+0.2％)×140＝140.28mm
式中，cR为轴承间隙系数，推荐取为0.2％；
步骤1002，选定织构(7-3)边长dtext＝2mm，计算织构分布尺寸，其轴向间隔Sa:
Sa＝(2～3)dtext＝(2～3)×2＝4～6mm
取Sa＝0.05mm。
周向数目nc：
式中，Sa为织构轴向间隔；
周向间隔角度：
步骤1003，计算自吸孔(7-1)直径Di1：
计算辅助自吸孔(8-1)直径：
Di2＝2×Di1＝11mm
步骤1004，计算装配时，刚性衬里(7)和柔性轴承套(8)交错装配，装配交错角度为：
步骤1005，选定多边形边数，推荐选为6，计算前段轴承(4)和后段轴承(6)正多边形的内接圆直径Doi：
取Doi＝323.500mm。
艉管定位槽(3-2)和定位凸起(4-1)数目：
步骤1006，选定螺旋角β，推荐β＝π/3，计算螺旋槽型线：
式中，0＜θ＜β。
步骤1007，设计结束。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统及设计方法，其特征在于包括艉轴(1)、自适应承载艉轴承(2)、全域循环型艉轴管(3)。润滑介质海水在艉轴带动下进入后段轴承(6)螺旋槽(4-2)，在后段轴承(6)螺旋槽(4-2)的“泵吸”作用下，吸引更多的海水润滑进入中间轴承(5)与艉轴(1)的间隙中，并在前段轴承(4)螺旋槽(4-2)的“泵吸”作用下，海水加速从自适应承载艉轴承(2)中排出，之后进入全域循环型艉轴管(3)的艉管导水槽(3-1)中。艉管导水槽(3-1)与外部海洋环境直接相连，进而排入海洋，使得海水在整个艉轴承系统中没有滞流水。
2.根据权利要求1，所述的自适应承载水润滑艉轴承(2)由前段轴承(4)、中间轴承(5)和后段轴承(6)组成。所述的前段轴承(4)和后段轴承(6)采用完全相同的结构参数。前段轴承(4)横截面为正多边形结构，多边形角处采用三段等直径圆弧过渡，截面旋向与艉轴运动方向相同形成螺旋槽(4-2)。前段轴承(4)和后段轴承(6)均采用橡胶材料，装配时，三段轴承轴向通过压紧实现固定，周向通过艉管定位槽(3-2)和定位凸起(4-1)实行固定。
3.根据权利要求1、2，所述的中间轴承(5)为分区域双层织构型水润滑轴承，包括刚性衬里(7)和柔性轴承套(8)，刚性衬里(7)和柔性轴承套(8)之间为紧配合。装配时，刚性衬里(7)直接压入柔性轴承套(8)内，且刚性衬里(7)和柔性轴承套(8)之间通过轴承套周向定位凸起(8-3)和轴承套定位凹槽(8-4)实现周向固定。所述的刚性衬里(7)直径大于前段轴承(4)与后段轴承(6)的多边形内接圆直径。
4.根据权利要求3，所述的刚性衬里(7)，其特征在于沿重力载荷作用线依次为自吸区、困屑区和织构区。其中，自吸孔(7-1)优先选择圆柱形通孔，困屑孔(7-2)优先选择正方形通孔，织构(7-3)优先选择矩形孔。自吸孔的作用原理为中间轴承工作时会在上部形成低压区，使得自吸孔(7-1)内侧区域压力小于外层。自吸孔(7-1)的设置与全域循环型艉管(3)上部的艉管导水槽(3-1)相对应，当海水流经艉管导水槽(3-1)时，在内外压差作用下，海水会有一部分进入刚性衬里(7)与艉轴(1)之间的间隙，进而提高润滑效果。
5.根据权利要求3、4，所述的柔性轴承套(8)其特征在于沿重力载荷作用线依次为辅助自吸区和辅助困屑区，所述的辅助自吸区由尺寸相同的辅助自吸孔(8-1)组成，辅助自吸孔(8-1)为圆柱形通孔，设置位置与刚性衬里(7)中的自吸孔(7-1)位置相对应，但是辅助自吸孔(8-1)直径要大于自吸孔(7-1)直径。辅助困屑区由尺寸相同的辅助困屑孔(8-2)组成，辅助困屑孔(8-2)为正方形通孔，其尺寸与困屑孔(7-2)尺寸相同，以便加工。装配时，辅助困屑孔(8-2)与困屑孔(7-2)交错一定角度，以保证磨屑不会重新逃逸。
6.根据权利要求1、2，所述的全域循环型艉轴管(3)其特征在于上部设置有艉管导水槽(3-1)，艉管导水槽(3-1)的设置与中间轴承(5)中的辅助自吸孔(8-1)和自吸孔(7-1)位置相对应。周向设置有与前段轴承(4)和后段轴承(6)的定位凸起(4-1)相对应的艉管定位槽(3-2)。后段轴承“泵出”的海水通过艉管导水槽(3-1)直接流入海洋环境。
7.根据权利要求1、2，一种自适应承载全域循环型水润滑艉轴承系统设计方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1001，通过给定的艉轴(1)直径Dj，确定中间轴承(5)直径Db2：
Db2＝(1+cR)Dj
式中，cR为轴承间隙系数；
步骤1002，选定织构(7-3)边长dtext，计算织构分布尺寸，其轴向间隔Sa:
Sa＝(2～3)dtext
周向数目nc：
式中，Sa为织构轴向间隔；
周向间隔角度：
步骤1003，计算自吸孔(7-1)直径Di1：
计算辅助自吸孔(8-1)直径：
Di2＝2×Di1
步骤1004，计算装配时，刚性衬里(7)和柔性轴承套(8)交错装配，装配交错角度为：
步骤1005，选定多边形边数，计算前后段轴承正多边形的内接圆直径Doi：
艉管定位槽(3-2)和定位凸起(4-1)数目：
步骤1006，选定螺旋角β，计算螺旋槽型线：
式中，0＜θ＜β。
步骤1007，设计结束。
8.根据权利要求7，所述的织构区域其特征在于分布在周向60～120°。
9.根据权利要求7，所述的自吸孔(7-1)其特征在于轴向间隔为10mm，且设置在周向-30°～30°设置，共7行。
10.根据权利要求7，所述螺旋角其特征在于β＝π/3。
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