54卷 第4期(总第207期) 中 国 造 船 、，01．54 No．4 (SedalNo．207) 2013年 12月 SHIPBUILDINGOFCHINA Dec．2013 文章编号：1000．4882(2013)04．0071．13 船舶水润滑橡胶轴承润滑特性研究 丁行武，王家序，李 锋，蒲 伟 (四川大学制造科学与工程学院，成都 610065) 摘 要 以船舶水润滑橡胶轴承为研究对象，利用数值计算方式对水润滑轴承流固耦合模型进行求解。重点分析 橡胶衬层弹性变形、不一样的材料模型对水润滑轴承动压润滑特性的影响，并就水槽结构对水润滑轴承润滑性能 的影响进行了研究。计算根据结果得出：橡胶衬层弹性变形对水润滑轴承的润滑特性有显著的影响，橡胶材料的 不同模型对水润滑轴承的影响规律相似，但造成的弹流润滑效果差异不可忽略；水槽结构会破坏水膜压力的 连续性，造成水润滑轴承承载能力的降低，在进行水润滑轴承的研究时不可将其忽略；合理的轴承安装的地方 有利于改善转子轴心轨迹和静平衡位置，来提升水润滑轴承本身的润滑性能和承载能力。最后，结合摩擦 学实验研究了水润滑橡胶轴承的润滑机理，并指出数值分析结果与相关实验结论拥有非常良好的一致性。 关 键 词：船舶工程；水润滑；橡胶轴承；流固耦合；弹流润滑 中图分类号：U664．2 文献标识码：A 0 引 言 用水作为润滑介质的轴承已越来越多应用于船舶艉管、潜水泵等工程机械。开发能够适用于含泥 沙水质，具有大尺寸和高比压的水润滑轴承，具备极其重大的实际意义。 国内外众多学者对水润滑轴承进行了研究[1-3]，试验研究工作最重要的包含水润滑轴承的摩擦磨损试验 J、 振动噪声测试[8】。同时，部分学者[1 】基于弹流润滑理论对水润滑轴承进行了数值计算。目前对于水 润滑轴承的数值模拟还存在着一些问题。比如，在考虑轴承弹性变形时对橡胶材料来了线弹性处理； 再者，大部分的研究中都忽略了水槽的影响。针对以上问题，本文利用有限体积法对水润滑轴承进行 了流固耦合数值模拟，重点研究静载工况下不同橡胶材料模型、纵向水槽对润滑性能的影响，使数值 仿真结果更接近于真实工况。最后，结合摩擦学实验平台重点研究水润滑轴承的润滑机理。 1 水润滑橡胶轴承 1．1 水润滑橡胶轴承结构 在黄铜基体上采用硫化工艺制备一层弹性模量较低的非金属材料作为轴承衬层，其中合成橡胶的 应用最为普遍。根据不同的使用上的要求在橡胶中添加增强剂、填充剂、硫化剂等。对于轴径小于300mm 的水润滑轴承，一般都会采用整体式结构；当轴径大于300ram时，需要采用板条式结构。图 1所示为一种 收稿 日期：2013-05—24：修改稿收稿 日期；2013—1】一l2 基金项目：国家 自然科学基金资助项 目 ；高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目(20l2018ll3OO12) 中 国 造 船 学术论文 带有纵向沟槽整体式水润滑橡胶轴承结构。本文将以六纵向沟槽整体式水润滑船尾轴承作为研究对象 探讨流固耦合润滑特性。 J Q ／ ／ ／f ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／fJ ／ ／f ／ ／ ／／ ／ ／ ／ ￡ (a) 六纵向沟槽水润滑橡胶轴承几何图 (b) 八纵向沟槽水润滑橡胶轴承实物图 图1 带沟槽结构的水润滑橡胶轴承 图1中，D1为轴承直径，D2为铜套外径，R1为沟槽半径，R2为过渡圆弧半径，f为橡胶衬厚度， J 为水润滑轴承长度。另外，d表示与水润滑轴承配合的轴颈直径。 橡胶衬层与铜套是粘接在一起的，且铜套是固定约束的。在进行流固耦合分析时，为了简化计算， ～ 可忽略铜套结构。 图2给出了静载情况下水润滑轴承的几何关系。图中， 为从竖直方向开始绕顺时针方向计量的 角度， 表示转子稳定状态下的偏位角，e表示转子偏心距，c为半径间隙， 为旋转角速度，，为静 载， 、，．分别表示轴承半径和轴颈半径，h(i，，1表示圆周位置任意位置上的水膜厚度， 为计算宽带， 00为轴承中心线 为轴颈中心线。 筘化模型 ， ， 介质才‘’．--～一 一 一 ， ， 嗽 轴向对称面 。’·’一 — 0 l 一 一 l I— p 一 一 一 、二 、 ’1．’ L—一 (a) 简化模型 (b) 周向结构 (c) 轴向结构 图2 水润滑橡胶轴承几何关系图 图 2(a)为水润滑轴承的简化模型，即忽略了沟槽结构。水润滑轴承相对来说还是比较长，为了减小计算 成本，仅取轴向方向上的一小段作为研究对象，如图2(c)所示，并在轴向对称的边界上施加相应的 边界条件。 54卷 第 4期 (总第 207期) 丁行武，等：船舶水润滑橡胶轴承润滑特性研究 1．2 材料 水润滑轴承采用水作为润滑介质，采用合成橡胶作为轴瓦材料。合成橡胶材料是一种典型的近似 不可压缩的材料 (泊松比V O．47)，其本构模型主要有Mooney-Rivlin和Ogden两种，这两种模型均 适用于2D和 3D实体单元，支持大位移／大应变分析。本文采用Mooney．Rivlin模型，对应的应变能密 度方程为 G(一3)+C2(一3) (1) 式中，Cz和C2为橡胶力学性能常数。该模型能很好地描述变形小于150％的橡胶材料力学性能 。上 式中的1。和 分别表示如下： L5 4 3 2 ● 2 9 5 式中， 、 和 表示拉伸比，定义为一个小的体积单元的拉伸长度与未拉伸长度的比值。 为获得水润滑橡胶轴承用橡胶材料的力学性能参数，依照国家 硫“化橡胶或热塑性橡胶压缩应力应 变性能的测定标准”在RGT-10电子万能试验机上进行了橡胶的单轴拉伸试验，得到如表 1所示的载荷一 位移 曲线数据 。 表 l 水润滑轴承用橡胶载荷位移试验数据 载荷 ／N 位移／mm 0．3327 0．4993 0．6663 0．8327 0．9997 1．2497 l5．7542 l6．2543 将试验数据输入有限元软件，当应变处于一0．1~0范围内时对 Mooney-Rivlin曲线进行直线拟合。 计算得到橡胶材料 的弹性模量约为 7．8MPa，体积模量约为 43．3MPa，Mooney—Rivlin系数为 C。=0．7066MPa，C：=0．3704MPa。所以，在对橡胶作线弹性体处理时可取弹性模量为7．8MPa。 水润滑橡胶轴承中其它材料的参数见表 2。 表 2 水润滑轴承材料参数 74 中 国 造 船 学术论文 2 船舶水润滑轴承流固耦合模型 用作水润滑轴承轴瓦材料的橡胶合金，其弹性模量一般都很低。在水润滑轴承工作过程中，水膜压 力会影响橡胶轴瓦的弹性变形分布；而橡胶轴瓦的弹性变形又反过来影响水膜形态和压力分布。橡胶材 料的特殊性决定了这种相互影响是显著的。换言之，水润滑轴承的水膜压力分布和轴瓦的弹性变形之间 是耦合的，在数值计算过程中是同时、同步变化和相互影响的。我们把这种耦合模型称为 双“向耦合”。 2．1 水膜厚度方程 水润滑轴承的水膜厚度可用下式表示： h=c+eCOS0+Ah+ (3) 式中，h为水膜厚度， 为由轴承最大间隙处沿顺时针方向转动计量的角度，Ah为轴向沟槽径向深度， 为橡胶轴瓦内表面在水膜压力作用下的径向弹性位移。 2．2 水动力方程 对于连续流体介质水，其运动形式可以用经典力学方程来描述。笛卡尔坐标系下的质量守恒方程 和动量守恒方程分别为 ( )0 (4) (V) (… ) (5) 式中，,ol为水介质密度，V为哈密顿算子，f为时间，1，为水流速度矢量， = (【，，VVyy，，：：))，， 表表示示作作 用在流体区域的体积力，：( )，为应力张量。 对于橡胶轴瓦的变形过程，能够准确的通过Newton第二定律求得其运动微分方程为： 2，J o-0J．+f／ ，户 l，Y， (6) L，正 式中， 为橡胶轴瓦密度， 为柯西应力张量，．，’为外部施加的体积力。 对于方程 (4)～方程 (6)，采用任意拉格朗 日一欧拉 (arbitraryLagrange—Euler，ALE)法求解 引。 ALE可以很好地跟踪固体边界和流体边界的运动状况，通过坐标变换将直角坐标系下的连续方程和动 量方程变换到ALE坐标系下的连续方程和动量方程，能很好地反映耦合界面的网格变化。为了简化计 算，没考虑温度场的变化。 2．3 流固耦合控制方程 在水润滑轴承系统中，水介质和橡胶衬层的交界面上应该满足流体与固体应力 (／-)和位移 () 相等或守恒 ，即存在如下关系式u ： (7) 式中，下标f表示流体，S表示固体。 水润滑轴承的固体部分为橡胶材料，弹性变形显而易见，宜选用直接法对其进行数值求解。直接 法将式 (7)耦合到一个矩阵中求解，也就是在同一求解器中同时求解流体和固体的控制方程。 Ass As Bs l 儿JlJ] ㈣ 式中，k为迭代时间步，Ass、 和Bs分别表示流场的系统矩阵、待求量和外部作用力；同理，Ass、 80 中 国 造 船 学术论文 得轴承的润滑特性最好，承载能力最强。 余江波 基于摩擦学实验平台研究了水润滑轴承纵向沟槽的安装的地方对轴承摩擦系数的影响。所 获得的实验结果与本文的理论分析结论具有 良好的一致性。他的实验根据结果得出：当水润滑轴承的轴向 安装角度为0。(xt应图l(a)所示位置)和6O。时，轴承摩擦系数最小；而当安装角度处于30。附近时， 轴承的摩擦系数达到最大。该实验结论与上述数值计算结果是一致的，这反映出了相关模型的正确性。 4 水润滑轴承实验分析与结构改进 4．1 水润滑轴承润滑机理实验分析 恐 实验用轴承具体结构如图l(a)所示，给出结构参数如表3所示。 表 3 水润滑轴承结构参数 结构参数 数值 ／mm 加 印 ， 6 实验设备是采用MPV一20D数字式摩擦磨损试验机。以摩擦系数为水润滑轴承的性能评价指标，摩擦 系数能够最终靠计算机直接读出。如图13所示为实验平台原理图。 实验在两种转子转速 n下进行，轴承所受载荷 F范围为 1．5～15kN，采用清水为润滑介质，且充分 润滑，不考虑水温变化。实验得到如图l4所示的摩擦系数变化关系图。 图13 MPV-20D型摩擦磨损试验机原理图 1．5 2 2．5 3 6 9 2 l5 截待F N 图l4 水润滑轴承摩擦系数随载荷的变化 中 国 造 船 学术论文 参 考 文 献 【1]KRAUTERAI．Generationofsqueal／chatterinwater—lubricatedelastomericbearings[J]．ASMEJournalofLubrication Technology,1981，103：406-413． [2]MAJUMDARBC，PAlR，HARGREAVESDJ．Analysisofwater-lubricatedjournalbearingswithmultipleaxialgrooves [J】．ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers，PartJ：JournalofEngineeringTriboloyg,2004，218(2)： 135．146． [3】HUAXJ，WANGJX，ZHUJJ，eta1．Smdyontribologicalbehaviorofwater—lubricatedbearings[J1．JournalofAdvanced ManufacturingSystems，2008，7(1)：115-121． [44]HIRANIH，VERMAM．Tribologicalstudyofelastomericbearingsformarinepropellersh雄 system[J]．Triboloyg International，2009，42(2)：378-390． [5]王优强，王龙，黄丙习，等．水润滑橡胶轴承摩擦试验研究[J]．农业机械学报，2006，37(2)：136．140． [66]DAUGHERTYTL，SIDESN Frictionalcharacteristicsofwater-lubricatedcompliantsurfacestavebearings[J]．ASLE TRANSACTIONS，1981，24(3)：293—301． [7】LITWINW Influenceofsurfaceroughnesstoporgaphyonpropertiesofwater-lubricatedpolymerbearings：experimental research[J]．Triboloyg Transactions，2011，54(3)：351—361． [88]姚世卫，杨俊，张雪冰，等．水润滑橡胶轴承振动噪声机理分析与实验研究[J]．振动与冲击，2011，3O(2)：214．216． [9]BHUSHUAN B．Stick-slipinducednoisegeneration ni water-lubricatedcompliantrubberbearings[J]．Journalof LubricationTechnoloyg ,1980，102：201—212． [10】余江波，王家序，肖科，等．弹性模量对水润滑轴承的性能影响[J】．润滑与密封，2006，(11)：69．70． [11】孟凡明．水润滑轴承系统三维热弹流性能有限元分析[J]．重庆大学学报，2013，36(2)：121．126． [12】丁行武，王家序，杨荣松，等．衬层弹性变形对水润滑结构润滑性能的影响分析[J】．四川大学学报 (工程科学版)， 2012，44(5)：233—238． 1【3】WANGJ，HUAX，XIAOK，eta1．Two—dimensionalstudyoflubricationmechanism ofwater—lubricatedrubberalloy beraing[J]．InternationalJournalofComputerApplicationsinTechnoloyg,2011，4O(1)：98—106． [14]郑明军，王文静，陈政南，等．橡胶Mooney-Rivlin模型力学性能常数的确定[J]．橡胶工业，2003，50：462-465． [15]刘小兵，刘德民，曾永忠，等．基于流固耦合的水轮机振动的数值研究[J]．水动力学研究与进展，2008，23(6)： 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effects，whichcannotbeingored．Thegrooveswilldamagehtepressurecontinuityonwaterfilm and resuRni htereductionofcarryingcapacityofwater—lubricatedrubberbearings．M ountingpositionofbearing whichisrationallydesignedwillbebeneficialforimprovingrotoraxistrajecotryandstaticequilibrium position，andenhanceshydrodnyamiclubricationperfomr anceandcarryingcapaciyt ofwater—lubricated rubberbearings．Finally,htelubricationmechanism ofwater-lubricatedbearingisexperimentallyanalyzed．It iSshownthathtenumericalanalysisresultshavegoodconsistencyWithrelevnatexperimentalconclusion． Keywords：shipengineering；waterlubrication；rubberbearings；fluid—structureinteraction；EHL 作 者 简 介 丁行武 984年生 男，博士研究生 主要是做计算流体力学方面的研究 王家序 954年生 男，教授，博士生导师。主要是做机械摩擦学与可靠性方面的研究。 李 锋 982年生 男，讲师。主要是做故障诊断和数字分析方面的研究。 蒲 伟 989年生 男，博士研究生。主要是做微观润滑力学方面的研究。

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