CN111503142B - 一种具有功能分区结构的水润滑尾轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有功能分区结构的水润滑尾轴承，包括橡胶内衬、高模量中间衬层和最外部的合金衬套，橡胶内衬的顶部和底部为未开槽区域，并且在橡胶内衬底部的未开槽区域中心处设有沿其轴向的缺口，橡胶内衬除去未开槽区域以外都是开槽区域，所述橡胶内衬的开槽区域的内表面设有均布的水槽；所述高模量中间衬层夹在橡胶内衬和合金衬套之间，所述高模量中间衬层底部设有与橡胶内衬的缺口配合的轴向凸起，轴向凸起顶部与橡胶内衬平齐，所述轴向凸起中部设有一个梯形截面水槽。该轴承结构简单，充分利用了多种材料和结构的优点，能够提高轴承的承载能力、润滑性能，满足轴承冷却及泥沙排泄需求，使轴承的综合性能最佳。

Description

一种具有功能分区结构的水润滑尾轴承

技术领域

本发明属于船舶机械领域，涉及一种水润滑尾轴承，具体涉及一种具有功能分区结构的水润滑尾轴承，是一种可以利用多种材料及结构的优点，提高运行时的承载能力、润滑性能、冷却能力和泥沙排泄能力的水润滑尾轴承。

背景技术

目前船舶尾轴承以油润滑白合金轴承为主，泄露的滑油会对航行水域造成污染，随着人们环保意识的增强和环保法规的日趋严格，水润滑轴承成为目前研究的热点。水润滑尾轴承是以水作为润滑介质，润滑水来源丰富、安全性好，而且省去了滑油和白合金的消耗，具有良好的社会效益和经济效益。但是水的黏度较低，润滑水的最小膜厚常常只有几微米，在低速重载和频繁启停工况下，水润滑尾轴承经常处于混合摩擦的状态，大量的摩擦热会进一步恶化轴承的性能，甚至将内衬烧毁。除此之外，目前常用的开式水润滑尾轴承无法避免泥沙污染的问题，当船舶在内河航行或者进出港口时，大量的泥沙会进入到轴承间隙，使内衬的摩擦磨损加剧。为了增强轴承的冷却散热和泥沙排泄能力，通常在轴承的内衬上设置一定数量的水槽，但是水槽会降低轴承的承载能力。增大内衬材料的弹性模量可以提高轴承的承载能力，但是轴承不易形成动压润滑。这些因素对水润滑尾轴承的材料和结构性能提出了更高的要求。

在轴承结构优化的研发上，研究人员主要集中在轴承的水槽横截面形状及水槽的布置方式等方面。水槽横截面形状可分为梯形、V形、U形等，不同横截面形状的水槽对轴承性能的影响各不相同，有文献研究表明：V形槽流场速度最大，但衬层变形较大，梯形槽承载面积大，衬层变形较小，但流动性能较差，U形槽的性能则介于两者之间，通过将V型槽用于轴承的负压区，梯形槽用于轴承的承压区，可以综合两种沟槽的优点，使轴承的冷却性能与承载性能均达到满意的程度。根据水槽在轴承周向的分布，轴承可分为部分开槽轴承和全开槽轴承，有研究表明：半开槽轴承的摩擦系数小于全开槽轴承，承载能力大于全开槽轴承，这是因为水润滑轴承的承压区主要分布在轴承的下半部，水槽的开设会使润滑水膜的压力分布不连续，相同的载荷下全开槽轴承的润滑状态更为恶劣。但是半开槽轴承的温升较大，在冷却水断流的工况下，能迅速上升到60℃以上，而全开槽轴承则可以持续在50℃下运转。另外对于开式水润滑轴承，冷却水中的杂质颗粒会在重力作用下沉降到轴承底部，使半开槽轴承的摩擦磨损加剧，而全开槽轴承的排泄能力较强，杂质颗粒的影响较小。因此，设置水槽就是通过牺牲一部分的承载能力、摩擦学性能来提高轴承的冷却性能和杂质排泄能力，可以通过优化水槽的结构来使轴承的综合性能达到最佳。

在轴承材料的研发方面，衬套一般使用海军黄铜或锡青铜，内衬材料的种类较多，主要包括橡胶及其改性物、高分子材料及其改性物等。橡胶和高模量塑料是目前性能较好，研究较为热门的轴承材料。橡胶(比如丁腈橡胶)的抗冲击和吸振能力强，弹性模量较小，对因制造误差、安装不当以及船体变形引起的尾轴失中适应性好，而且在运行中更易形成动压润滑，但是其承载能力较小。高模量塑料(比如超高分子量聚乙烯、、聚四氟乙烯、聚氨酯等)弹性模量较大，承载能力强，但是不利于轴承形成动压润滑。可以通过将薄层橡胶铺设在高模量塑料内衬上，形成复合结构，从而充分利用两种材料的优势，提升轴承的性能。

综上所述，水润滑尾轴承的结构和材料优化，对于水润滑尾轴承性能的提升有着非常重要的意义，可以有效提高运行时的承载能力、润滑性能、冷却能力和泥沙排泄能力，延长其服役时间，利于水润滑尾轴承的推广应用。

发明内容

本发明的目的是：优化水润滑尾轴承水槽的截面形状和布置方式，充分利用橡胶和高模量塑料的优点，在提高轴承的承载能力和摩擦学性能的同时，尽可能地减弱对冷却散热能力和杂质排泄能力的影响，从而提高轴承的综合性能和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种具有功能分区结构的水润滑尾轴承，其特征在于：包括橡胶内衬、高模量中间衬层和最外部的合金衬套，整个水润滑尾轴承具有方向性，具体为：

所述橡胶内衬的顶部和底部为未开槽区域，并且在橡胶内衬底部的未开槽区域中心处设有沿其轴向的缺口，橡胶内衬除去未开槽区域以外都是开槽区域，所述橡胶内衬的开槽区域的内表面设有均布的水槽；

所述高模量中间衬层夹在橡胶内衬和合金衬套之间，所述高模量中间衬层底部设有与橡胶内衬的缺口配合的轴向凸起，轴向凸起顶部与橡胶内衬平齐，所述轴向凸起中部设有一个梯形截面水槽。

进一步地，所述橡胶内衬顶部和底部的未开槽区域均以通过其轴心的竖直线对称分布。

进一步地，所述橡胶内衬顶部的未开槽区域的总弧度为25-35度。

进一步地，所述橡胶内衬底部的未开槽区域的总弧度为35-45度。

进一步地，所述橡胶内衬内表面的水槽为V型截面水槽。

进一步地，所述合金衬套的缺口的圆心角不超过水润滑尾轴承偏位角的两倍。

进一步地，所述橡胶内衬厚度为高模量中间衬层厚度的1/2-2/3。

进一步地，：所述橡胶内衬采用薄丁腈橡胶制成，所述高模量中间衬层采用超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯或聚氨酯制成。

进一步地，所述合金衬套采用耐腐蚀的海军黄铜或锡青铜制成。

进一步地，所述橡胶内衬、高模量中间衬层和合金衬套采用粘结、过盈配合或者连接件固定安装在一起。

本发明使用橡胶作为内衬层是为了让在轴承处于混合润滑时形成一定数量的水囊，改善轴承的润滑，同时较软的橡胶内衬使得轴承更容易形成动压润滑，橡胶优良的抗冲击性能也可以有效减少轴承运转时的振动噪声，改善船员的工作和生活环境。橡胶内衬层的顶部不开水槽，这样即能够保证能够衬层的强度又不影响轴承的冷却散热能力，橡胶衬层底部的一定范围内不开设水槽，用来保证水膜的连续分布，增强轴承的承载能力，由于船舶停航时内衬的底部是主要承压区，为了减小此时轴承的变形量，橡胶衬层的底部设置了一个缺口，用来与弹性模量较大的高模量中间衬层配合，从而增强轴承在船舶停航时的承压能力，缺口的圆心角一般不超过轴承偏位角的两倍，这是为了让轴承运转时的最小膜厚位于橡胶衬层区域，从而增强轴承形成动压润滑的能力。橡胶衬层除底部和顶部外的其它区域均匀布置了一定数量的水槽，用来提高轴承的冷却散热能力，水槽的横截面形状为V形，该形状的水槽能够增大水流的速度，进一步增强轴承的散热。高模量中间衬层是为了提高多层复合内衬的强度，减少衬层的总变形量，高模量中间衬层底部凸出的部分是用来支撑船舶停航时的尾轴，同时凸出部分的中部开设有一个梯形的水槽，梯形截面水槽的作用是储存和排泄在重力作用下沉淀到轴承底部的泥沙，减小由此带来的摩擦磨损，设置为梯形是因为梯形槽的承载能力强。轴承的最外层是合金衬套，一般用耐海水腐蚀的合金材料制成，合金衬套的内表面与高模量中间衬层的外表面配合，用来支撑较软的内衬，其外表面与船舶尾轴管配合，起到径向方向上的固定作用。

按上述技术方案，工程应用时，高模量中间衬层的轴向凸起应布置在轴承的底部，在船舶停航时该区域承受转轴及螺旋桨的重量，轴承运转时的最小膜厚位于橡胶衬层底部未开槽区域，该处附近区域为运转时的主要承载区，水槽为贯穿轴承的直槽且与轴承的轴线平行，冷却水从轴承的一端流入，从另一端流出，润滑水膜分布在轴承与转轴之间的间隙。

本发明与现有的技术相比，具有以下有益效果：

1)使用薄的橡胶层作为内衬的内层，高模量塑料作为内衬的外层和内层的底部，利用橡胶的抗冲击吸振性能，减少运转中的噪声和振动，利用橡胶弹性模量较小的特点，使流体动压润滑更容易实现，利用高模量塑料弹性模量较大的特点提高轴承的承载能力。

2)橡胶内衬的顶部无水槽，使其强度较高；内衬橡胶内衬的底部无水槽，轴承的承载能力增强，摩擦磨损变小；橡胶内衬除顶部和底部外的其他区域均匀开V形槽，轴承的冷却散热能力增强。

3)高模量中间衬层凸出部分的中间位置开梯形的直槽，利于泥沙杂质的排出，同时减弱了对承载能力的影响。

4)使轴承运转时的最小膜厚出现在橡胶内衬的底部未开槽区域，利用橡胶易变形并形成水囊的特点，改善该区域的润滑和冷却。

5)在考虑轴承的承载能力、润滑性能、冷却能力和泥沙排泄能力的基础上，使轴承的综合性能最佳，延长其服役时间。

附图说明

图1是本发明实施例中的橡胶内衬层示意图；

图2是本发明实施例中的超高分子量聚乙烯制成的高模量中间衬层示意图；

图3是本发明的合金衬套示意图；

图4是本发明的具有功能分区结构的水润滑尾轴承总体结构示意图；

1-合金衬套，2-高模量中间衬层，3-橡胶内衬，4-轴向凸起，5-梯形截面水槽，6-底部未开槽区域，7-V型截面水槽，8-顶部未开槽区域，9-缺口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程作进一步的说明，本实施例以薄丁腈橡胶作为橡胶内衬，以超高分子量聚乙烯层作为的高模量中间衬层。

如图1至图4所示，本发明是一种具有功能分区结构的水润滑尾轴承，是一种利用多种材料及结构的优点，提高运行时的承载能力、润滑性能、冷却能力和泥沙排泄能力的水润滑尾轴承。本发明水润滑尾轴承由外衬和内衬组成，外衬是由合金衬套1，用来与船舶尾轴管和轴承内衬配合，起到支撑内衬的作用。轴承内衬由橡胶内衬3和超高分子量聚乙烯制成的高模量中间衬层2复合组成，复合结构内衬用来与转轴配合，承担轴承和螺旋桨的重力，适应因制造偏差、安装不当及船体变形引起的轴系失中。

橡胶内衬3由顶部未开槽区域8、底部未开槽区域6和两侧的开槽区域组成，所述橡胶内衬3的开槽区域的内表面设有均布的V型截面水槽7，底部未开槽区域6中部设有轴向分布的缺口9，橡胶内衬3的上部在轴承运行时的水膜厚度较大，冷却较好，不开槽可以增大其结构的强度，下部的缺口9与高模量中间衬层2的轴向凸起4配合，底部未开槽区域6是转轴(正反转)的主要承载区，利用橡胶易变形的特点促进动压润滑的形成，两侧的开槽区域均匀开设V型截面水槽7，用来加快水的流动，改善冷却性能。高模量中间衬层2的底部设置有轴向凸起4，利用超高分子量聚乙烯弹性模量较大的优点，在船舶停航时承担转轴及螺旋桨的重力，减小内衬的变形。轴向凸起4的圆心角(即总弧度)应小于轴承运转时的偏位角的两倍，这是为了使轴承的最小膜厚位于橡胶内衬3的底部未开槽区域6，从而减小摩擦磨损。轴向凸起4的中间位置开设有梯形截面水槽5，使用梯形截面水槽5来容纳和排泄因重力作用而沉降到轴承底部的泥沙杂质。梯形截面水槽5的横截面形状为梯形，这是因为梯形槽的承载能力较大，可以减弱因开槽带来的承载能力的下降。

在制造时，可以将轴承分成合金衬套1、高模量中间衬层2和橡胶内衬3三个部分来制造，然后通过粘结或机械配合等方式将这三个部分组合成一体。使用时仅需要将高模量中间衬层2的轴向凸起4布置在轴承的底部，然后与船舶尾轴配合，随后即可正常运行。

本发明实施例中，整个水润滑尾轴承具有方向性，即安装时(卧式安装)，轴向凸起4处于最底部；所述橡胶内衬3顶部和底部的未开槽区域均以通过其轴心的竖直线对称分布。

作为一种更优的实施例，所述橡胶内衬3的顶部未开槽区域8的总弧度为25-35度，所述橡胶内衬3的底部未开槽区域6的总弧度为35-45度，所述橡胶内衬3厚度为高模量中间衬层2厚度的1/2-2/3，这样既节约了开槽加工成本，又保证了内衬的强度，还能使得高模量中间衬层2和橡胶内衬3各自发挥自身材料特性，提高了整个水润滑尾轴承的使用性能。

本发明实施例的梯形截面水槽5和V型截面水槽7均为沿着水润滑尾轴承轴向的平直水槽。

需要说明的是，虽然未明确说明，但是根据现有技术公知可知，本发明的水槽均为轴向开设的水槽。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种具有功能分区结构的水润滑尾轴承，其特征在于：包括橡胶内衬、高模量中间衬层和最外部的合金衬套，整个水润滑尾轴承具有方向性，具体为：

所述橡胶内衬的顶部和底部为未开槽区域，并且在橡胶内衬底部的未开槽区域中心处设有沿其轴向的缺口，橡胶内衬除去未开槽区域以外都是开槽区域，所述橡胶内衬的开槽区域的内表面设有均布的水槽；

所述高模量中间衬层夹在橡胶内衬和合金衬套之间，所述高模量中间衬层底部设有与橡胶内衬的缺口配合的轴向凸起，轴向凸起顶部与橡胶内衬平齐，所述轴向凸起中部设有一个梯形截面水槽。

2.如权利要求1所述的水润滑尾轴承，其特征在于：所述橡胶内衬顶部和底部的未开槽区域均以通过其轴心的竖直线对称分布。

3.如权利要求2所述的水润滑尾轴承，其特征在于：所述橡胶内衬顶部的未开槽区域的总弧度为25-35度。

4.如权利要求2所述的水润滑尾轴承，其特征在于：所述橡胶内衬底部的未开槽区域的总弧度为35-45度。

5.如权利要求1所述的水润滑尾轴承，其特征在于：所述橡胶内衬内表面的水槽为V型截面水槽。

6.如权利要求1所述的水润滑尾轴承，其特征在于：所述合金衬套的缺口的圆心角不超过水润滑尾轴承偏位角的两倍。

7.如权利要求1所述的水润滑尾轴承，其特征在于：所述橡胶内衬厚度为高模量中间衬层厚度的1/2-2/3。

8.如权利要求1-7任意一项所述的水润滑尾轴承，其特征在于：所述橡胶内衬采用薄丁腈橡胶制成，所述高模量中间衬层采用超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯或聚氨酯制成。

9.如权利要求1-7任意一项所述的水润滑尾轴承，其特征在于：所述合金衬套采用耐腐蚀的海军黄铜或锡青铜制成。

10.如权利要求1-7任意一项所述的水润滑尾轴承，其特征在于：所述橡胶内衬、高模量中间衬层和合金衬套采用粘结、过盈配合或者连接件固定安装在一起。

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