CN113418703A - 自补偿静压力的水润滑轴承、静压力自补偿系统及工程分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自补偿静压力的水润滑轴承、静压力自补偿系统及工程分析方法，其中，自补偿静压力的水润滑轴承包括管状的轴套和固定粘接于轴套内壁的橡胶合金内衬；橡胶合金内衬的内壁设有至少一个通压沟槽，通压沟槽为盲槽，橡胶合金内衬的厚度方向开设有与通压沟槽连通的限流孔，轴套的厚度方向开设有与限流孔连通的通孔。本发明能够在轴承内壁自补偿静压力形成支撑水膜在水润滑轴承启动、停机、低转速和重载等难于形成水膜动压的情况下对其承载转轴进行支承和润滑，防止转轴与橡胶合金内衬直接接触，避免转轴与水润滑轴承处于干摩擦或边界润滑条件下，有效提升水润滑轴承摩擦学性能、可靠性以及服役寿命。

Description

自补偿静压力的水润滑轴承、静压力自补偿系统及工程分析 方法

技术领域

本发明涉及水润滑轴承技术领域，尤其涉及一种自补偿静压力的水润滑轴承、静压力自补偿系统及工程分析方法。

背景技术

在机械工程领域中，水润滑轴承成为舰船、潜艇、水下探测机器人、无轴轮缘推进系统、水泵、汽轮机、空气压缩机等装备的关键零部件，其特点是使用自然水替代矿物油作为润滑介质，在轴承和轴相对转动过程中通过动压效应代替形成动压水膜，具有无污染、结构简单、承载能力强等优点。在船舶工程领域，随着船舶推进系统功率需求的增大，主机的体积及功率增大，对水润滑轴承的尺寸、强度和承载力要求也随之增大，使得运行工况更为复杂。特别是在水润滑轴承或转轴启动/停机时刻，轴承与转轴相对转速低，动压力达不到水膜形成条件，轴与轴承处于干摩擦或边界润滑条件下，加之自然水中富含的各种泥沙与各种金属/非金属杂质会破坏水膜形成条件，轴承又承受重载，这种工作环境下水润滑轴承或转轴启动/停机瞬间轴承内表面和转轴间摩擦系数突然变大，会产生不可控的结构温升，致使水润滑轴承或转轴在启动/停机阶段出现严重磨损的问题，更甚出现烧瓦、抱轴等问题致使传动系统直接失效。水润滑轴承或转轴启动/停机过程中的低水压、乏润滑情况很大程度上制约了其在大功率船舶和高端装备中的应用。目前广泛采用的水润滑轴承橡胶表面改性，增加橡胶亲水性、促进低压下的水膜形成等方式仍然不能很好地解决重载、低转速下润滑不良的问题。当前技术存在的具体问题如下：

1、现有技术中，设计使用的水润滑轴承均假设水膜动压充足，没有考虑到压力不足以产生润滑水膜的情况，该情况下极易出现严重的轴承磨损，轴承使用寿命低；

2、现有技术中，通过对水润滑轴承的橡胶表面进行改性以增加橡胶亲水性、促进低压下的水膜形成的技术容易受到工作时间限制，因为橡胶表面改性在一段时间后会由于橡胶表面磨损而失效。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种自补偿静压力的水润滑轴承、静压力自补偿系统及工程分析方法，能够在轴承内壁自补偿静压力形成支撑水膜在水润滑轴承启动、停机、低转速和重承载等无动压效应的情况下对其承载的转轴进行支撑和润滑，防止转轴与橡胶合金内衬直接接触，避免转轴与水润滑轴承处于干摩擦或边界润滑条件下，有效提升水润滑轴承摩擦学性能、可靠性以及服役寿命。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种自补偿静压力的水润滑轴承，包括管状的轴套和固定粘接于所述轴套内壁的橡胶合金内衬；

所述橡胶合金内衬的内壁设有至少一个通压沟槽，所述通压沟槽为盲槽，所述橡胶合金内衬的厚度方向开设有与所述通压沟槽连通的限流孔，所述轴套的厚度方向开设有与所述限流孔连通的通孔。

采用上述结构，通过通孔和限流孔将外部静压力源的压力水流引入至橡胶合金内衬内壁的通压沟槽，通过通压沟槽进行导流，实现外部压力在通压沟槽内的均匀分布和有效维持，从而在轴承的内壁自补偿静压力形成支撑水膜，使得在水润滑轴承启动、停机、低转速和重承载等无动压效应的情况下，通过静压力形成的支撑水膜对其承载的转轴进行支撑和润滑，防止转轴与橡胶合金内衬直接接触，避免转轴与水润滑轴承处于干摩擦或边界润滑条件下，有效提升水润滑轴承摩擦学性能、可靠性以及服役寿命。

优选地，所述通压沟槽设有多个，所述多个通压沟槽沿所述橡胶合金内衬的周向和轴向均匀间隔布置。沿橡胶合金内衬的周向和轴向均匀间隔设置多个通压沟槽，从而可以根据不同部位所承载的荷载的不同而导致所需支撑力的不同，分别为水润滑轴承内壁的不同部位提供与其所承载的荷载相对应的支撑力，提高支撑效果，进一步提升水润滑轴承的摩擦学性能、可靠性以及服役寿命。

优选地，每个所述通压沟槽均呈“之”字形沿所述橡胶合金内衬的轴向和轴向延伸。这种特殊形式的通压沟槽的设计，可以保证轴承的承载界面能够广泛存在自补偿的经支撑压力，从而使得支撑水膜能够填充转轴与轴承之间的全部间隙，进一步提高静压支撑和润滑效果。

优选地，所述限流孔的出水口位于所述通压沟槽的中部。这样，可以保证限流孔进入至通压沟槽的压力水流能够均衡地往通压沟槽的两端流动，增加进水效率和支撑效果。

优选地，所述通压沟槽上与所述限流孔对应的部位设有豁口部，所述豁口部的口径大于所述通压沟槽的宽度。这样，可以避免轴承内部的橡胶合金内衬因被挤压变形而导致限流孔的出水口变小而无法入水至通压沟槽中，因此，豁口部的设置能够有效增加进水效率，提升静压支撑和润滑效果。

优选地，轴向相邻的两个所述通压沟槽之间还设置有限压沟槽，所述限压沟槽为盲槽，所述限压沟槽呈“一”字型沿所述橡胶合金内衬的轴向方向延伸。这样，当轴承工作时，限压沟槽有助于更好的产生动压效应，形成的水膜能提供更高的支撑能力，从通压沟槽流出的水会流入相邻的限压沟槽，并在限压沟槽内也形成润滑水膜，使得相邻的两个通压沟槽之间也形成有润滑水膜，进一步提高轴承对转轴的支撑和润滑效果。

优选地，所述橡胶合金内衬的内壁上沿周向均匀布置有多个排沙槽，位于相邻两个所述排沙槽之间的橡胶合金内衬内壁上设有横截面为圆弧形的承载工作面，所述排沙槽和承载工作面均沿所述橡胶合金内衬的轴向延伸并贯穿所述橡胶合金内衬的两端，所述承载工作面的横截面的圆心落在所述橡胶合金内衬轴线上，所述通压沟槽设置于所述承载工作面上。排沙槽的设置，在转轴转动或非转动状态下均可充分排沙、排杂，降低自然水中的泥沙和杂质对水膜形成的阻碍。将通压沟槽设置在承载工作面上，有利于在自补偿静压力下，在承载工作面上形成水膜对转轴进行支撑和润滑，有效避免转轴与橡胶合金内衬干磨，同时，自补偿静压力的水流会通过通压沟槽流向承载工作面上的非沟槽区域，并经排沙槽流出水润滑轴承，因此，自补偿静压力的水流还可以对承载工作面起到冲洗作用，将承载工作面与转轴之间的泥沙和杂质冲刷掉并经排沙槽排出，泥沙和杂质对橡胶合金内衬的摩擦磨损，延长水润滑橡胶合金轴承的使用寿命，提高水润滑轴承的可靠性。

优选地，所述排沙槽的横截面为圆弧形，所述排沙槽和所述承载面之间通过横截面为圆弧形的连接面相切圆滑过渡。采用圆弧形排沙槽，相比截面为矩形的直槽，能够有效增强水润滑轴承的排泄泥沙和杂质的能力，并提高橡胶合金内衬的散热性能，且更容易产生弹性流体动压润滑，在橡胶合金内衬与转轴之间形成水膜支承，降低橡胶合金内衬摩擦磨损速度。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种水润滑轴承的静压力自补偿系统，其包括本发明的第一个方面任意一项所述的自补偿静压力的水润滑轴承，还包括水泵和储水槽，所述水泵的进水口与所述储水槽连通，所述水泵的出水口通过管道与所述水润滑轴承的橡胶合金内衬上的限流孔连通。

通过储水槽给水泵提供水源，储水槽内的水优选为不含泥沙和杂质的自然水，水泵提供自补偿静压力的压力水流，压力水流通过管道输送至水润滑轴承的橡胶合金内衬上的限流孔。

根据本发明的第三个方面，本发明提供一种水润滑轴承的静压力自补偿系统的工程分析方法，所述方法包括：

将通过水润滑轴承的限流孔进入通压沟槽的水流类比于电路中的电流，外部提供静压力的压力源类比于电路中的电压源，限流孔和橡胶合金内衬内壁的沟槽对水流的阻尼类比于电路中的电阻，沟槽分布类比于电路分布，根据电路设计原理，设计沟槽在橡胶合金内衬内壁的分布。

通过将水润滑轴承内部的水流路类比于电路，从而模拟电路分析原理对水流路各处的阻尼、压力之间的关系进行分析，基于分析得到的数据进行橡胶合金内衬上限流孔和通压沟槽的分布的设计，分析方法简单有效，大大降低分析难度。

本发明的有益效果：

本发明通过设置限流孔、通压沟槽和限压沟槽等引入外部静压力源到轴承接触支撑界面，并使外部压力在沟槽内均匀分布和有效维持，实现水润滑金轴承在启动、停机、低转速、重承载等动压效应不足或者无动压效应下有水膜支撑，防止转轴与橡胶合金内衬直接接触，解决在水润滑轴承启动或者停机过程中轴承与转轴相对转速低的工况下动压效应不足难产生动压水膜，导致轴承异常磨损、抱轴、烧瓦等难题，其次排沙槽的设计可以实现快速排沙去杂，降低自然水中的泥沙和杂质对水膜形成的阻碍，减少水润滑轴承的磨损，减小磨损时的噪声，延长水润滑轴承服役寿命。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明一实施例中自补偿静压力的水润滑轴承的立体结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图2中的A-A剖视图；

图4是图3中的B-B剖视图；

图5是本发明一实施例中水润滑轴承的静压力自补偿系统的结构示意图；

图6是本发明一实施例中模拟电路原理的自补偿进行设计原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-5所示，本发明实施例提供一种自补偿静压力的水润滑轴承，其包括管状的轴套1和固定粘接于轴套1内壁的橡胶合金内衬2；橡胶合金内衬2的内壁设有至少一个通压沟槽3，通压沟槽3为盲槽，橡胶合金内衬2的厚度方向开设有与通压沟槽3连通的限流孔4，轴套1的厚度方向开设有与限流孔4连通的通孔5。

本实施例通过在橡胶合金内衬2的内壁上设置通压沟槽3，并在橡胶合金内衬2上开设限流孔4，在轴承上开设通孔5，并使得通孔5、限流孔4和通压沟槽3依次连通，通过通孔5和限流孔4将外部静压力源的压力水流引入至橡胶合金内衬2内壁的通压沟槽3，通过通压沟槽3进行导流，实现外部压力在通压沟槽3内的均匀分布和有效维持，从而在轴承的内壁自补偿静压力形成支撑水膜，使得在水润滑轴承启动、停机、低转速和重承载等无动压效应的情况下，通过静压力形成的支撑水膜对其承载的转轴100进行支撑和润滑，防止转轴100与橡胶合金内衬2直接接触，避免转轴100与水润滑轴承处于干摩擦或边界润滑条件下，有效提升水润滑轴承摩擦学性能、可靠性以及服役寿命。

在本实施例中，通压沟槽3设有多个，多个通压沟槽3沿橡胶合金内衬2的周向和轴向均匀间隔布置，每个通压沟槽3均呈“之”字形沿橡胶合金内衬2的轴向和轴向延伸。轴向相邻的两个通压沟槽3之间还设置有限压沟槽6，限压沟槽6为盲槽，限压沟槽6呈“一”字型沿橡胶合金内衬2的轴向方向延伸。橡胶合金内衬2的内壁上沿周向均匀布置有多个排沙槽7，位于相邻两个排沙槽7之间的橡胶合金内衬2内壁上设有横截面为圆弧形的承载工作面8，排沙槽7和承载工作面8均沿橡胶合金内衬2的轴向延伸并贯穿橡胶合金内衬2的两端，承载工作面8的横截面的圆心落在橡胶合金内衬2轴线上，通压沟槽3设置于承载工作面8上，排沙槽7的横截面为圆弧形，排沙槽7和承载面之间通过横截面为圆弧形的连接面9相切圆滑过渡。

具体地，通压沟槽3和限压沟槽6的深度与橡胶合金内衬2厚度的1/5-1/3。大量实验数据以及实践证明，这样的沟槽深度的设置，在保证橡胶合金内衬2的自身强度的同时，有利于静压水膜的形成以及对转轴100的有效静压支撑。

具体地，限流孔4的出水口位于通压沟槽3的中部，通压沟槽3上与限流孔4对应的部位设有豁口部301，豁口部301的口径大于通压沟槽3的宽度。在本实施例中，豁口部301呈圆形，减小水流阻力，有利于提高进水效率。

需要说明的是，上述实施例中图1与图3只是对通压沟槽3和限压沟槽6的一个较优的具体布局方式的展示，并不是对通压沟槽3与限压沟槽6的形状结构和布局方式的限定，通压沟槽3与限压沟槽6的形状、结构和布局方式可以根据具体需求进行多样化设计。

如图5所示，本发明实施例还提供一种水润滑轴承的静压力自补偿系统，其包括本发明的上述任一实施例中的自补偿静压力的水润滑轴承，还包括水泵10和储水槽11，水泵10的进水口与储水槽11连通，水泵10的出水口通过管道12与安装在通孔5上的压力管接头13连接，从而与水润滑轴承的橡胶合金内衬2上的限流孔4连通。

工作时，首先储水槽11内的水通过水泵10工作加压后，经管道12和安装在水润滑轴承金属或非金属轴承套上的压力管接头13将自然水通过限流孔4导入到通压沟槽3内，此时进入通压沟槽3的水压力进一步升高，且会流入相邻的限压沟槽6内形成局部次高压区域，自然水就会在各自区域内形成润滑水膜，即在水润滑轴承与转轴100发生相对运动的时候，通压沟槽3和限压沟槽6也可以产生静压水膜，且水膜压力能够支撑作用在橡胶合金内衬2表面的径向载荷。

本发明实施例还提供一种水润滑轴承的静压力自补偿系统的工程分析方法，所述方法包括：

将通过水润滑轴承的限流孔4进入通压沟槽3的水流类比于电路中的电流，外部提供静压力的压力源类比于电路中的电压源，限流孔4和橡胶合金内衬2内壁的沟槽对水流的阻尼类比于电路中的电阻，沟槽分布类比于电路分布，根据电路设计原理，设计沟槽在橡胶合金内衬2内壁的分布。

如图6所示，为模拟电路原理的自补偿静压设计原理图，以在橡胶合金内衬2的内壁顶部和内壁底部各设置一个通压沟槽3为例，分析水润滑轴承所受的压力差ΔF变化。假设从限流孔4入口流入的水流压力为压力源的供水压力F_s，自补偿静压力的水流经过上、下通压沟槽3对应的限流孔4，上、下限流孔4对水流的阻尼分别为流入阻尼

和

则在对应的上、下通压沟槽3内水膜形成后，上部通压沟槽3和下部通压沟槽3内水膜的静水压分别为

和

则水膜压力可以通过下式计算：

下标r表示限流孔4，下标p表示沟槽，上标i指橡胶合金内衬2的上部通压沟槽3或下部通压沟槽3。根据上式可知，上、下通压沟槽3之间的压力差以及因此的承载力变为：

所以根据上式可知，只要设置合适的压力源P_s提供外部静水压力，根据轴承设计的限流孔4计算出流入阻尼

和

和流出阻尼

和

就可以根据压力差ΔF计算出静压补偿轴承的压力，即压力差ΔF等于静压补偿轴承的压力，根据需要补偿的压力等于ΔF可以推导出外部压力源F_s大小，从而根据需要提供压力形成自适应的静压补偿。

通过将水润滑轴承内部的水流路类比于电路，从而模拟电路分析原理对水流路各处的阻尼、压力之间的关系进行分析，基于分析得到的数据进行橡胶合金内衬上限流孔和通压沟槽的分布的设计，分析方法简单有效，大大降低分析难度。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种自补偿静压力的水润滑轴承，包括管状的轴套和固定粘接于所述轴套内壁的橡胶合金内衬，其特征在于：

所述橡胶合金内衬的内壁设有至少一个通压沟槽，所述通压沟槽为盲槽，所述橡胶合金内衬的厚度方向开设有与所述通压沟槽连通的限流孔，所述轴套的厚度方向开设有与所述限流孔连通的通孔。

2.根据权利要求1所述的自补偿静压力的水润滑轴承，其特征在于：

所述通压沟槽设有多个，所述多个通压沟槽沿所述橡胶合金内衬的周向和轴向均匀间隔布置。

3.根据权利要求2所述的自补偿静压力的水润滑轴承，其特征在于：

每个所述通压沟槽均呈“之”字形沿所述橡胶合金内衬的轴向和轴向延伸。

4.根据权利要求3所述的自补偿静压力的水润滑轴承，其特征在于：

所述限流孔的出水口位于所述通压沟槽的中部。

5.根据权利要求1所述的自补偿静压力的水润滑轴承，其特征在于：

所述通压沟槽上与所述限流孔对应的部位设有豁口部，所述豁口部的口径大于所述通压沟槽的宽度。

6.根据权利要求2-4任意一项所述的自补偿静压力的水润滑轴承，其特征在于：

轴向相邻的两个所述通压沟槽之间还设置有限压沟槽，所述限压沟槽为盲槽，所述限压沟槽呈“一”字型沿所述橡胶合金内衬的轴向方向延伸。

7.根据权利要求2-4任意一项所述的自补偿静压力的水润滑轴承，其特征在于：

所述橡胶合金内衬的内壁上沿周向均匀布置有多个排沙槽，位于相邻两个所述排沙槽之间的橡胶合金内衬内壁上设有横截面为圆弧形的承载工作面，所述排沙槽和承载工作面均沿所述橡胶合金内衬的轴向延伸并贯穿所述橡胶合金内衬的两端，所述承载工作面的横截面的圆心落在所述橡胶合金内衬轴线上，所述通压沟槽设置于所述承载工作面上。

8.根据权利要求7所述的自补偿静压力的水润滑轴承，其特征在于：

所述排沙槽的横截面为圆弧形，所述排沙槽和所述承载面之间通过横截面为圆弧形的连接面相切圆滑过渡。

9.一种水润滑轴承的静压力自补偿系统，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的自补偿静压力的水润滑轴承，还包括水泵和储水槽，所述水泵的进水口与所述储水槽连通，所述水泵的出水口通过管道与所述水润滑轴承的橡胶合金内衬上的限流孔连通。

10.一种权利要求9所述的水润滑轴承的静压力自补偿系统的工程分析方法，其特征在于：

所述方法包括：

将通过水润滑轴承的限流孔进入通压沟槽的水流类比于电路中的电流，外部提供静压力的压力源类比于电路中的电压源，限流孔和橡胶合金内衬内壁的沟槽对水流的阻尼类比于电路中的电阻，沟槽分布类比于电路分布，根据电路设计原理，设计沟槽在橡胶合金内衬内壁的分布。

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