本發(fā)明屬于大型艦船低速重載軸承
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種船用混合槽水潤滑橡膠軸承。
背景技術(shù)：
：隨著滑動軸承應(yīng)用的逐步推廣，水潤滑橡膠軸承作為其發(fā)展的一個重要種類，改變了以往機械傳動系統(tǒng)中都是以金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成摩擦副的傳統(tǒng)思想，不但節(jié)省了大量原油和貴重金屬材料，而且大大簡化了軸承軸系結(jié)構(gòu)，避免因油污泄漏而嚴重污染水環(huán)境的情況。目前水潤滑橡膠軸承開槽單一，一般都用于高速、輕載以及長徑比比較小的軸承。水潤滑橡膠軸承以其無污染、省材料、低成本；耐磨損、耐泥沙、耐腐蝕等一系列優(yōu)點而在船舶、水泵業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，成為水下最適宜的軸承之一。它對于解決目前水介質(zhì)中使用金屬滑動軸承頻繁出現(xiàn)密封失效、軸瓦磨損問題，對于簡化機械潤滑與密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)約貴重有色金屬軸瓦材料，都具有重要的意義。一直以來，還沒有一個合理的設(shè)計程序和設(shè)計規(guī)范來指導水潤滑橡膠軸承的設(shè)計。一般水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮長徑比、是否開槽、橡膠層厚度、板條形狀、連接面形狀、開槽類型等好多方面。所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計還有待進一步的完善。對于摩擦面形狀，段芳莉認為在輕載或者低速工況凹面型的摩擦性能顯著優(yōu)于平面型，且凹面型軸承的摩擦性能對速度和載荷的變化更為敏感。戴明城的試驗與仿真研究表明，平面型優(yōu)于凹面型或凸面型，在于它更易形成彈－塑流體動壓潤滑，具有更好的啟動性和低速運轉(zhuǎn)性能。故從降低尾管軸承振鳴音發(fā)生的臨界速度和摩擦因數(shù)的角度，推薦使用平面型。R.L.Daugherty等認為橡膠層厚度越小，摩擦系數(shù)越小，因此從降低水潤滑尾軸承振鳴音發(fā)生的臨界轉(zhuǎn)速工況的角度，推薦使用平面型薄橡膠板條。硬度越小，橡膠表面摩擦系數(shù)越低，選擇合適硬度的橡膠板條也很重要。周憶等通過仿真與實驗對比，研究結(jié)果表明，水潤滑橡膠合金軸承的水槽半徑大小、摩擦面形狀以及摩擦副的摩擦系數(shù)對水潤滑橡膠合金軸承的摩擦噪聲有較大影響，而水槽的形狀對軸承摩擦噪聲的影響不大。周歡歡等對比分析了三種不同板條類型下硬度分區(qū)對接觸性能的影響效果，結(jié)果表明，硬度分區(qū)能顯著改善軸承的接觸性能，凹面型板條型式的靜態(tài)接觸性能較佳。綜上，凹面型承載能力較好，明顯優(yōu)于平面型和凸面型，平面型有較好的導水效果，容易形成彈流潤滑水膜，凸面型有利于水的周向循環(huán)，但是會導致較大的摩擦與磨損，適用于低硬度、厚度大的橡膠襯層。對于水槽類型，為了潤滑、冷卻、排出泥沙，水潤滑橡膠尾管軸承工作表面一般都開有水槽，且以U和V型軸向槽最為通用。劉宇等人對于軸向開槽水潤滑尾管軸承的潤滑性能進行了數(shù)值計算與分析，結(jié)果表明：開槽后軸承周向壓力分布不連續(xù)，水槽處壓力降低為0，軸承的承載能力降低；且槽的寬度越大，個數(shù)越多，軸承的承載能力也就越小。不僅如此，U型槽有利于流體流動，而梯形槽有較好的承載特性，形成連續(xù)水膜，不易破裂。這些都是基于基本水槽的研究，沒有考慮不同水槽形狀以及沒有對不同水槽結(jié)構(gòu)進行對比優(yōu)化。以上都是單一研究水槽摩擦面形狀或者水槽類型，沒有綜合考慮兩者結(jié)合后的耦合影響。對于普通開溝槽軸承，由于其溝槽種類的不同，對軸承承載力、流體流動等都有不同的影響，但是都未考慮軸承周向壓力分布以及水膜流動變化。對于單一軸承進行單一分析單一設(shè)計，沒有考慮其混合后結(jié)果。對于開槽方向的選擇，螺旋槽可以引導海水沿著溝槽進行螺旋運動，進而產(chǎn)生了一定的螺旋向心力，容易形成彈性流體動壓潤滑，并且螺旋槽所產(chǎn)生的溝槽內(nèi)水流流動性較為平穩(wěn)，對船舶螺旋槳軸的沖擊影響較小，但是在低速重載作用下，由于螺旋角太大又會對其流動產(chǎn)生抵抗作用；縱向式溝槽，由于供水量充足，其潤滑效果良好，冷卻均勻可靠，泥沙容易沖出艉軸承外，摩擦功損較小，加工制造相對容易。但其所產(chǎn)生的溝槽內(nèi)水流流動性較大，不穩(wěn)定，易對船舶螺旋槳軸產(chǎn)生較大的沖擊影響。一般水潤滑橡膠軸承都開有縱向溝槽或者螺旋形溝槽，但都存在各方面優(yōu)勢和不足。對于導水槽的細化設(shè)計還有待進一步研究。對于普通開溝槽軸承，由于其溝槽種類的不同，對軸承承載力、流體流動等都有不同的影響，但是都未考慮軸承周向壓力分布以及水膜流動變化。對于單一軸承進行單一分析單一設(shè)計，沒有考慮其混合后結(jié)果。在軸承加工以及安裝過程中，工藝和方法都對水潤滑橡膠軸承后續(xù)的工作及故障有著至關(guān)重要的影響。一般水潤滑橡膠軸承多采用板條式軸承螺栓固定的方式，在長期的工作交變應(yīng)力下，容易出現(xiàn)錯動，導致艦船尾部產(chǎn)生異常噪聲和軸系安全問題。以及安裝時也需要考慮軸承的偏心率，如不考慮可能造成軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)。所以安裝過程及方法還有待改進。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種船用混合槽水潤滑橡膠軸承，以克服現(xiàn)有水潤滑橡膠軸承彈流潤滑特性不佳的問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種船用混合槽水潤滑橡膠軸承，包括橡膠襯層，橡膠襯層外圓周面上套有合金軸套，橡膠襯層內(nèi)壁上設(shè)置有多條溝槽，多條溝槽沿著橡膠襯層內(nèi)壁的圓周方向均勻分布，多條溝槽由多條V型溝槽和多條梯型溝槽組成；相鄰兩條溝槽之間形成連接面。上述溝槽在橡膠襯層內(nèi)壁上呈直線狀，其延伸方向與合金軸套的中軸線平行。上述溝槽在橡膠襯層內(nèi)壁上呈螺旋狀。其中，螺旋狀溝槽的螺旋角為α，tanα＝Vτ/Vn，其中，Vn為流體在水潤滑橡膠軸承里軸向流動速度，Vτ為水潤滑橡膠軸承周向旋轉(zhuǎn)速度的線速度；螺旋角α的方向為Vτ和Vn的合成方向。另外，連接面為平面，且所有連接面的長度b一致。并且，V型溝槽的數(shù)目與梯型溝槽的數(shù)目相等。再者，橡膠襯層由四個橡膠襯層單體組成，每個橡膠襯層單體的形狀為四分之一圓環(huán)狀。本發(fā)明的有益效果是：改善了以往溝槽開槽方式的單一性，結(jié)合V型和梯型兩種溝槽潤滑效果的優(yōu)勢，提高了水潤滑橡膠軸承的彈流潤滑特性，其潤滑效果好，摩擦損耗小，改善溝槽內(nèi)水流的流動，提高船舶推進軸系的穩(wěn)定性。附圖說明圖1是本發(fā)明實施例1船用混合槽水潤滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例1混合槽水潤滑橡膠軸承的立體圖；圖3是本發(fā)明實施例1混合槽水潤滑橡膠軸承的另一個立體圖；圖4a為本發(fā)明實施例1中，梯型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的橡膠襯層沿著軸承軸向方向的最大變形量曲線圖；圖4b為本發(fā)明實施例1中，U型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的橡膠襯層沿著軸承軸向方向的最大變形量曲線圖；圖4c為本發(fā)明實施例1中，V型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的橡膠襯層沿著軸承軸向方向的最大變形量曲線圖；圖4d為本發(fā)明實施例1中，本發(fā)明混合型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的橡膠襯層沿著軸承軸向方向的最大變形量曲線圖；圖5a為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承軸向方向，梯型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的最大壓應(yīng)力分布曲線圖；圖5b為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承軸向方向，U型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的最大壓應(yīng)力分布曲線圖；圖5c為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承軸向方向，V型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的最大壓應(yīng)力分布曲線圖；圖5d為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承軸向方向，本發(fā)明混合型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的最大壓應(yīng)力分布曲線圖；圖6a為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承周向方向，梯型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的最大壓應(yīng)力分布曲線圖；圖6b為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承周向方向，U型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的最大壓應(yīng)力分布曲線圖；圖6c為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承周向方向，V型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的最大壓應(yīng)力分布曲線圖；圖6d為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承周向方向，本發(fā)明混合型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的最大壓應(yīng)力分布曲線圖；圖7a為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承軸向方向，梯型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的流體流動速度曲線圖；圖7b為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承軸向方向，U型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的流體流動速度曲線圖；圖7c為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承軸向方向，V型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的流體流動速度曲線圖；圖7d為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承軸向方向，本發(fā)明混合型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的流體流動速度曲線圖；圖8a為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承周向方向，梯型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的流體流動速度的曲線圖；圖8b為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承周向方向，V型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的流體流動速度的曲線圖；圖8c為本發(fā)明實施例1中，沿著軸承周向方向，本發(fā)明混合型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承的流體流動速度的曲線圖；圖9是本發(fā)明實施例2船用混合槽水潤滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是圖9的A-A剖視圖；圖11是本發(fā)明實施例2混合槽水潤滑橡膠軸承的立體圖；圖12是本發(fā)明實施例2混合槽水潤滑橡膠軸承的另一個立體圖。圖中：1-合金軸套，2-橡膠襯層，3-V型溝槽，4-梯型溝槽，5-連接面，6-轉(zhuǎn)子，7.橡膠襯層單體。具體實施方式實施例1如圖1所示，本發(fā)明提供一種船用混合槽水潤滑橡膠軸承，包括橡膠襯層2，橡膠襯層2外圓周面上套有合金軸套1；橡膠襯層2內(nèi)壁上設(shè)置有多條溝槽，多條溝槽沿著橡膠襯層2內(nèi)壁的圓周方向均勻分布，多條溝槽由多條V型溝槽3和多條梯型溝槽4組成，V型溝槽3的數(shù)目與梯型溝槽4的數(shù)目相等；相鄰兩條溝槽之間形成連接面5，連接面5為平面，所有連接面5的長度b一致。當本發(fā)明水潤滑橡膠軸承套在轉(zhuǎn)子6上時，轉(zhuǎn)子6與所有的連接面5接觸，且所有的連接面5與轉(zhuǎn)子6的外圓周相切。如圖2和圖3所示，本發(fā)明實施例混合槽水潤滑橡膠軸承的溝槽為直向溝槽，其延伸方向與合金軸套1的中軸線平行。下面通過對比分析U型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承(Ⅰ)、V型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承(Ⅱ)、梯型槽直向溝槽的水潤滑橡膠軸承(Ⅲ)和本發(fā)明實施例1提供的混合型直向溝槽的水潤滑橡膠軸承(Ⅳ)這四種軸承的潤滑特性，其分析結(jié)果如下：圖4a、圖4b、圖4c和圖4d為上述四種不同形狀直向溝槽的橡膠襯層2最大變形量沿著軸向方向的分布，從這四個圖中可以看出，沿軸向分布的襯層變形呈“馬蹄型”，即在入口處最大，出口次之，中間很小，并且這四種開槽結(jié)構(gòu)的最大變形量只在開口處的大小區(qū)別較大，其分布趨勢基本一致；(Ⅳ)號水潤滑橡膠軸承的橡膠襯層2變形與(Ⅰ)號水潤滑橡膠軸承的橡膠襯層變形近似，(Ⅳ)號水潤滑橡膠軸承的橡膠襯層2變形介于(Ⅲ)號水潤滑橡膠軸承和(Ⅱ)號水潤滑橡膠軸承中間，是綜合了二者的較佳選擇，但是(Ⅳ)號水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)對其整體趨勢分布的影響相對較小。從圖5a～圖6d可以看出，由于給定進口速度，所以入口處的壓應(yīng)力最大，給定出口壓強為靜壓強，從而呈現(xiàn)一種從入口到出口，壓強遞減的狀況，但總體趨勢來說，(Ⅳ)號水潤滑橡膠軸承壓應(yīng)力變化較為平緩，有利于壓力穩(wěn)定線性變化，沿軸向方向轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)更為穩(wěn)定。而且，(Ⅱ)號水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力明顯最大，(Ⅳ)號水潤滑橡膠軸承次之。壓應(yīng)力是軸承承載能力的一種表現(xiàn)方式，(Ⅱ)號水潤滑橡膠軸承由于壓力過高，潤滑水膜不足以支承，造成水膜破裂，部分軸承形成干摩擦，造成軸承摩擦磨損；(Ⅲ)號水潤滑橡膠軸承承載力最小，軸承的負擔較輕；隨著壓應(yīng)力的增加達到一定程度時，(Ⅳ)號水潤滑橡膠軸承的橡膠襯層2產(chǎn)生彈性變形并形成潤滑水膜，出現(xiàn)彈流潤滑，降低了摩擦系數(shù)，其潤滑效果優(yōu)于(Ⅱ)號軸承和(Ⅲ)號軸承；所以，(Ⅳ)號水潤滑橡膠軸承為最佳選擇。從圖7a～圖8c可以看出，沿著軸向方向，流體在(Ⅱ)號水潤滑橡膠軸承內(nèi)的最大流動速度最佳，但結(jié)合周向流動對比，(Ⅱ)號水潤滑橡膠軸承分布波動較大，流體穩(wěn)定性差；流體在(Ⅲ)號水潤滑橡膠軸承內(nèi)最大流動速度較低，但是周向流動穩(wěn)定性較好。綜上，流體在(Ⅳ)號水潤滑橡膠軸承內(nèi)的最大流動速度僅次于(Ⅱ)號，并且有很好的周向流動穩(wěn)定性，綜合了這三種軸承的優(yōu)點，(Ⅳ)號水潤滑橡膠軸承在流體流動特性上結(jié)果理想。綜上分析，選取本發(fā)明混合槽結(jié)構(gòu)對水潤滑橡膠軸承彈流潤滑效果有明顯的改進。實施例2如圖9所示，本發(fā)明提供一種船用混合槽水潤滑橡膠軸承，包括橡膠襯層2，橡膠襯層2外圓周面上套有合金軸套1；橡膠襯層2內(nèi)壁上設(shè)置有多條溝槽，多條溝槽沿著橡膠襯層2內(nèi)壁的圓周方向均勻分布，多條溝槽由多條V型溝槽3和多條梯形溝槽4組成，V型溝槽3的數(shù)目與梯形溝槽4的數(shù)目相等；相鄰兩條溝槽之間形成連接面5，連接面5為平面，所有連接面5的長度b一致。當本發(fā)明水潤滑橡膠軸承套在轉(zhuǎn)子6上時，轉(zhuǎn)子6與所有的連接面5接觸，且所有的連接面5與轉(zhuǎn)子6的外圓周相切。如圖11和圖12所示，本實施例水潤滑橡膠軸承的每條溝槽在橡膠襯層2內(nèi)壁上呈螺旋狀。如圖10所示，其螺旋狀溝槽的螺旋角為α，tanα＝Vτ/Vn，其中，Vn為流體在水潤滑橡膠軸承里軸向流動速度，Vτ為水潤滑橡膠軸承周向旋轉(zhuǎn)速度的線速度；螺旋角α的方向為Vτ和Vn的合成方向，根據(jù)螺旋角α和螺旋公式確定螺旋狀溝槽在橡膠襯層2內(nèi)壁上的走勢，其螺旋公式為：x=r1×cos(t/(π2-α))y=r1×sin(t/(π2-α))z=L×t]]>其中，t∈[0,1]，x、y和z為三維空間的長寬高三個坐標軸，r1為軸頸半徑，L為軸承長度。下面結(jié)合試驗對本發(fā)明實施例2提供的混合槽水潤滑橡膠軸承的潤滑特性作進一步詳細的說明：本發(fā)明基于大型船舶軸承系統(tǒng)，以圖9～圖12所示的混合螺旋型溝槽的水潤滑橡膠軸承為例，具體參數(shù)如表1所示：表1水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)表其中，Vn＝3m/s，Vτ＝Ω×r1＝15.7×0.161＝2.5277m/s；tanα＝Vτ/Vn＝0.843，α＝40.11637°；因為本發(fā)明為一種低速重載軸承，所以開角不宜過大，選取螺旋角為理想值40.11637°、45度以及60度做對比分析，計算結(jié)果如表2所示：表2不同螺旋角軸承潤滑特性分析結(jié)果由表2可知，螺旋角對軸承襯層最大變形量影響較小，三者比較近似，而壓應(yīng)力和速度卻有明顯的變化。壓應(yīng)力是軸承承載能力的一種表現(xiàn)方式，承載力越小軸承的負擔越輕，當壓力達到一定程度時，橡膠襯層2產(chǎn)生彈性變形并形成潤滑水膜，出現(xiàn)彈流潤滑，降低摩擦系數(shù)；但當壓力過高時，潤滑水膜不足以支承，造成水膜破裂，形成干摩擦，造成軸承摩擦磨損。隨著螺旋角的增大，一般最大應(yīng)力也會增大，但是在理想值下，略大于45度應(yīng)力值，為最優(yōu)螺旋角布置。同時，對比三者流體最大速度，螺旋角為設(shè)定值的速度最大，流體流動特性最佳，為最適宜螺旋角。綜上，開螺旋槽角度選擇軸向流動方向與周向旋轉(zhuǎn)方向的線速度方向的合成方向，可以很大程度上提高軸承潤滑特性。本發(fā)明實施例2給定了低速重載螺旋軸承開槽角度方向，改變了以往只能靠實驗或經(jīng)驗來確定溝槽角度的窘境，并給定開槽角度確定方式，以應(yīng)用于低速重載水潤滑橡膠軸承。本發(fā)明實施例1和實施例2提供混合槽水潤滑橡膠軸承的橡膠襯層2由四個橡膠襯層單體7組成，每個橡膠襯層單體7的形狀為四分之一圓環(huán)狀。安裝制作時，采用四剖分形式，先把1/4的橡膠襯層2硫化好，然后進行硫化組裝，這樣在橫向和縱向受力處于穩(wěn)定狀態(tài)，一方面受力均勻、減小了加工難度，另一方面也改善了以往板條式橡膠軸承長期運轉(zhuǎn)出現(xiàn)松動的情況。當前第1頁1 2 3