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-波兰海事研究4（62）2009年第16卷;第42-50

10.2478/ v10012-008-0055-Z

船舶螺旋桨轴的水润滑轴承问题，

实验测试和理论研究

摘要

近年来，可满足船舶的螺旋桨轴聚合物轴承是用水来润滑的。这样的解决方案简单并且相关的成本低廉，同时也环保，没有污染的风险。然而这样解决的方案限制了轴承的自由。主要问题是在某些情况下衬套材料的密集磨损。它往往导致不当的设计、加工和安装操作的错误。从润滑介质的水的低粘度来看，它的另外一个问题是水动力的承载的一个有限值容量。从研究调查的结果来看，轴承类型的选择非常敏感。选择一个合适的轴承间隙，设计最佳的轴瓦形状，选择合适的轴瓦材料对于轴承的寿命非常重要。

关键词：轴承；水润滑轴承；螺旋桨轴轴承

简介

提高生态意识，越来越严格的环保要求，有害物质排放的罚款，经济计算导致船东正在寻找建设新的现代化船舶的简单可靠的解决设计方案。这些主要原因是带有聚合物水润滑衬套的滑动轴承越来越多地应用于螺旋桨轴轴承。同样的原因决定了水润滑轴承越来越多地应用于水动力装置和泵，其中泵的液体，通常是水，作为润滑介质。人们发现这也可以应用在采矿业、水处理站、土地改良系统。

全球需求不断地增加，对于引进轴承的耐久性和可靠性有了越来越严格的要求。从机构分类和船厂的经验来看，精心设计和组装的水润滑轴承能够正常运行十年以上。不幸的是，从收集的数据来看，它也导致了许多故障发生在船舶上，尤其是在高负荷的螺旋桨轴轴承。这样的缺点对船舶海上航行是不利的，可能导致船舶无法航行。在那种情况下，当油作为润滑介质，它的泄漏会导致海水被污染。如果船舶的船员和船东没有立即决定对其进行停靠和维修，则可能发生严重的故障。（图1）

图.1.完全损坏的油润滑滑动轴承和船舶的螺旋桨轴密封装置

船用螺旋桨轴的水润滑轴承，像建造和装备船只的大部分材料和部件一样，要经分类机构的批准。在今天的市场上，对于轴承有很多种高分子聚合物材料应用在造船业。例如劳埃德发表的船舶登记册中包含了在世界许多国家生产的一百种多种这种材料[1]。

轴承材料的生产商，在他们的记载和网页中，会给出一个建议的方式去选择一个合适的材料和轴承的间隙以及可能的位置的润滑槽。因此，滑动轴承的设计很简单。然而，根据经验的结果，该方法并不总是有效的。在某些情况下，在短时间内会引起轴瓦的过度磨损。有时在混合摩擦条件下，会导致快速的磨损。在轴承中获得流体摩擦是困难的，由于水的粘度低，作为水膜承载能力是有限的。尽管如此，水润滑轴承在实际中经常使用。他们的价格低廉，与油润滑轴承相比不是没有任何意义的。

轴承类型

目前市场上可选择的材料的范围是非常广泛的。船舶申请批准的材料可分为三组：均匀聚合物，复合材料和橡胶通常采用丁腈橡胶。

它们各自具有不同性质的特性并且它们有各自的优点和缺点。橡胶的有效地阻尼振动和不敏感的污染，正是利用了这个原因，例如悬臂开式轴承系统（图2）重要的是污染物，掉进了橡胶支座只会适度加速其磨损过程。这个也会引起严重的污染，例如，高石英砂颗粒。

图2.游艇螺旋桨轴悬臂开口轴承

均匀的聚合物具有较大的弹性。其刚度通常包含在800到2500MPa。由于这样的轴瓦能够阻尼轴振动。聚合物，如橡胶，能够较好的容忍轴心与轴瓦对齐的误差。这样轴衬套的压力的范围超过扩展区域则引起轴瓦的弹性变形。

复合材料，所有上述材料，刚性模量的最大值约为4500兆帕。因此这些材料的刚性值在轴的偏斜的情况下推力敏感的边缘，但他们也有重要的优点。它们具有持久性和高抗变形性，这是某些聚合物材料的缺点。

复合衬套的损坏，导致轴轴倾斜位置产生的边缘推力（上）；

修复被研磨损坏的边缘避 免裂纹和分层的复合材料（下）

世界范围的科学调查迄今已进行了证明，陶瓷是一种很好的在水中运行的轴承材料[2]。带有陶瓷衬套的滑动轴承可以在一个非常小的润滑膜厚度的流体摩擦条件下运行。另一方面，此类轴承在轴对轴瓦相对位置误差特别敏感，尤其是他们主轴的非平行性。

轴瓦的制造与安装

轴瓦通常是由机械切割预制-规则-薄壁管。它只是一个表面上简单的操作。在实践中，它证明了获得一个要求的形式和精度是困难或完全不可能的。弹性衬套材料在机械切割过程中发生变形。结果，一个不准确的形式出现。因此建议在金属或刚性的复合套管内固定其衬套后，加工轴承滑动轴承的表面。为了确保准确的加工精度，通常订购一个成品的轴瓦要看哪个生产商的技术手段更好。然后只剩下解决正确安装的问题。按理来说暴力的方法不会采用，因为这样会使轴瓦发生变形。通常采用收缩法。用液氮冷却到低温下，然后安装在套筒上。不幸的是，这样的方法不保证最高的精度，因此轴承间隙可能往往不同于一个设计值。此外，如果纵向润滑槽在衬套中产生危险的滑动表面变形作为最大的变形通常出现在轴瓦最小厚度的区域，即在润滑槽的附近。制造和安装误差往往累计从最初的设计到最后的轴承几何（图4）。从下面给出的图可以观察到测得的间隙圆，100毫米直径的橡胶支座在钢套安装后出现了明显的变形。圆柱度误差和圆度误差显著。因此，可以预测，轴承在这种密集的磨合的过程中，可能会发生水动力承载能力不足的表现。

钢套安装后橡胶支座两侧的间隙；其形式错误，特别是缺乏圆度，可以观察。

从经验的结果，实际中再生或更换的轴承通常允许被投入使用：例如橡胶传动轴直径385毫米的轴承，在其中的径向间隙的范围从4毫米到近10毫米。在轴颈轴承也受到磨损，这是橡胶轴承的典型。

另一个技术问题是实现共同工作滑动面可能的高度平滑。这是至关重要的，因为润滑膜的最小厚度和轴承的水动力承载能力取决于表面粗糙度。在相关题材的文学刊物可以发现处理粗糙度分布对轴承运行的影响。然而，作为作者的实验测试的结果，这轴瓦的粗糙度是影响轴承的流体动力学的特征[3,4]。进行的测试表明，轴承运行的过程是非常快的，这样一个显着的平滑的滑动面是已经达到了几个小时的操作后。因此，流体摩擦状态的操作实现更快

（图5）。

图5.轴转速函数中的摩擦系数取值关系图；上面-刚安装轴承后记录的图标；下面-在轴承上运行几个小时后得到的图。

运行问题

船舶水润滑轴承可以有不同形式的厂商的建议。这种的差异主要在轴承的间隙值

和纵向润滑槽的数量以及建议的位置。为担心装夹的衬套材料暴露于水，一些生产厂家建议增加间隙值。大多数公认的船舶滑动轴承生产商建议，以使一定数量的润滑槽沿着衬套。他们发挥了重要的作用。由于它们，冷却水流量的增加是可能的。由于聚合物衬套在摩擦区的传热是不可能的，这对其有很大的作用。此外，槽内，特别是在开放的悬臂海水冷却轴承系统，使人们有可能从轴承更有效去除磨损和污染（图6）。

图6.暴露的未密封的水润滑轴承被污染玷污

船舶主轴轴承的寿命取决于多种因素。衬套材料的摩擦磨损特性是一个非常重要的问题。然而，延长轴承的寿命显着，它应该是这样的设计，使其工作在流体摩擦制度。从进行的试验的结果，它是可能的，尽管水具有比润滑油低的粘度[5]。不幸的是，在结果中，润滑膜的厚度往往是接近其最小值。轴承通常具有最小幅度的水动力载荷-承载能力，并在增加负载的情况下，由于在波浪中的船舶运动，他们可能在混合摩擦下运行。实验测试表明，即使一个高负载施加在轴承上，在流体摩擦情况下运行也是可能的.它的一般结果是衬套材料的平滑的快速处理和运行在流体摩擦制度的最小厚度值的润滑膜。滑动轴承的几何特性对其水动力特性有一定的不利影响。不建议过多地提高轴承间隙。在较低的部位找到润滑槽，也不建议使用，由于它们使水动力压力不可能发展，因此，它们限制轴承承载能力。

由于各种轴承的损坏分析结果，他们遭到了失败，尽管他们正确地设计和高品质材料的使用来自公认的生产制造。已发现不同的原因。快速过多的磨损造成的，有时由于缺乏水流量通过轴承，由于堵塞了润滑槽或弄错的船员没有把润滑系统循环泵投入运行。在大多数情况下，它是船舶轴系变重的运行条件，导致轴承快速磨损甚至失效的问题。

多变的运行条件是由几个因素引起的。最重要的是由于船舶在波浪中的运动导致的船体弹性结构变形。在应用于轴承轴系横向大风浪船舶运动在很多力量下可以上升到动态的组件产生的船舶横摇和垂荡运动。有时载荷施加轴瓦可能因其叶片通过非均匀流体压力场产生螺旋桨振动或不平衡运动动态负荷增大。

对轴系、轴瓦适当的对齐方式是直接影响轴承寿命的下一个重要的因素；因此安装精度是一个特殊的重要性。在安装误差情况下可能发生轴与衬套轴歪斜。导致轴承的承载能力将是有限的。在极端的情况下，所谓的边缘现象和相关的快速运行的磨损会因为许用接触压力值出现局部突破。刚性陶瓷，金属或复合材料的衬套轴承的这种现象特别敏感（图7）。

图7.一个白色的金属衬套油润滑轴承，由于边缘破损

研究目的

这几年的研究是为了收集对发生在船舶主轴水润滑轴承的现象的知识。

由于调查迄今已进行了成功的确定很多影响因素装关于弹性衬套轴承特点与低粘度液体润滑。

研究了以下因素对轴承特性的影响：

径向间隙；

衬套材料和滑动表面状态；

安装误差，特别是轴的倾斜；

永久变形的润滑间隙，造成磨损，考虑到可能的安装错误。

目前进行了一项研究，目的是确定衬套材料对轴承寿命的影响，以及对磨损率的估计，从而有可能制定一个计算算法，以确定轴承的寿命，并有利于设置必要的再生摩擦节点的最后期限。

实验和理论研究

船舶轴系轴承的研究已经由格但斯克工业大学的海洋工程与船舶技术学院引领了近十年。今天三个不同的测试站被应用到这个实验研究[6]。他们提供广泛的研究的可能性，而且，他们的尺寸使轴承有全面测试的可能。

记录轴承的运动阻力、轴承轴心运动轨迹、润滑莫压力等参数，以及润滑介质的温度、流量和压力等参数，都在设定变工况的情况下是有可能的，如轴承转速和载荷。

结束

保存结果文件

否

是

对轴承的承载能力变化的控制，从布什变形产生的变化

水动力压力场影响下轴瓦弹性变形的计算（有限元）

对动水压力场进行计算

流体润滑理论考虑了润滑间隙高度的变化，产生了衬套变形。

对动水压力场进行计算

基于雷诺兹方程无衬套变形的流体动力润滑理论

开始

数据输入

图.8.计算方法示意图

除了实验测试，理论研究也在进行中。本文介绍了利用原作者的软件基于流体动力润滑理论适用于弹性衬套材料获得的计算结果（EHL）。该软件是由两个模块组成：基于流体动力润滑理论的程序，FORTRAN语言编写的模块，并基于有限元法（FEM）在宏观形式的商业软件。图的计算方法示意图（图8）。在一个迭代模式进行计算。一般来说，一个满意的结果，最多可以经过二十次迭代（图9）。实现正确的结果出现在极端条件下的操作的情况下，非常薄的润滑膜的问题。

图9。一个承载能力的计算值的计算值的承载能力的连续迭代步骤的数目：

第一系列-稳定的解决方案是实现；第二系列-一个收敛的结果没有实现

这是对等温模型进行的计算。从温度分布的计算结果（图10）和试验台测量油膜温升很低，通常达不到5ordm;C。因此，在计算润滑介质粘度的最小变化，以及衬套材料特性，导致温度的局部上升，可能会被忽视。

图10。水润滑轴承润滑膜中的温度分布，通过商业软件计算

对实验结果进行了验证实验。他们证实所采用的计算方法是正确的。准确测量润滑间隙高度的计算误差是很难估计的问题。在笔者看来，计算误差不超过20%。计算和测量的水润滑轴承的水动力压力分布的结果，如下（图11）。

图11。压力场测量和计算结果的比较

间隙值和衬套材料对轴承质量的影响

直径间隙对滑动轴承质量的重要影响。所测试的轴承达到通常是其最大的流体力学承载能力的相对间隙值在0001至0002（图12）。然而，这种价值在实践中是不适用的。应该记住的是，在典型的情况下，一个完整的聚合物滑动衬套是坐在使用收缩方法。因此，它通常是很难入座后轴承实现精确轴瓦内径也精确的直径间隙值。另一个问题是吸水性，典型的大多数聚合物。轴瓦材料膨胀，作为一个结果的过程。因为轴瓦被安置在钢结构内所有衬套材料的膨胀使轴承内径较小，从而导致轴瓦到轴和轴承阻塞风险。它造成了严重的危险，因此轴承制造商建议作为一个规则来增加轴承间隙。在测试进行的过程中有一个事件发生。实际上，拆卸轴承已经几天。如果这样的情况发生在真实的船上，其后果将是相当不可预测的。

图12。轴承径向间隙的影响（轴承间隙）和刚性模量衬套材料最大载荷的轴承承载能力；轴直径为100 mm，长度为400mm轴瓦

从计算结果表明刚性模量影响卧管式滑动轴承承载能力（图12）。在润滑膜的水动力压力下，与衬套材料的弹性变形有关。在影响最大变形发生在中间部分的轴承，附近的边缘只有轻微的影响。由于这个原因，轴承的中心部分的润滑间隙高度变大

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