CN103821826B - 一种水润滑橡胶艉轴承及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水润滑橡胶艉轴承的设计方法：对传统的板条式水润滑橡胶艉轴承沿轴向进行硬度分区，将传统的板条式水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为多个区域，从艉端到首端的各个区域的橡胶硬度依次增大，且靠近首端的区域的长度最大，以使水润滑橡胶艉轴承适应实际负载，改善轴承的接触压力性能。本发明还提供了相应的水润滑橡胶艉轴承。本发明根据水润滑橡胶艉轴承压力分布特征，将整个长艉轴承划分为硬度不同的几个区域，显著改善了水润滑橡胶艉轴承的压应力分布，并且有效沿周向延展了接触区域，整体上很好地改善了艉轴承的接触性能。

Description

一种水润滑橡胶艉轴承及其设计方法

技术领域

本发明属于船舶轴系中艉轴承设计领域，更具体地，涉及一种水润滑橡胶艉轴承及其设计方法。

背景技术

艉轴承是船舶轴系的重要设备，承担了螺旋桨的大部分重量，是确保船舶轴系正常运行的重要一环。船舶艉轴承先后经历了铁犁木艉轴承、合金艉轴承、橡胶艉轴承等阶段。水润滑橡胶艉轴承结构简单，便于制造、安装和维护；采用水润滑，不会产生润滑油泄漏造成的污染；具有弹塑性水力润滑特性、异物埋没性、高减振和抗冲击特性，因此在船舶中的应用越来越广泛。

然而水润滑橡胶艉轴承自身也存在一定的不足。由于艉轴承承受螺旋桨集中载荷作用，艉轴承轴瓦承担非常大的压力，轴瓦靠近螺旋桨区域的压力远大于轴瓦其他区域，轴瓦表面压力分布极不均匀。同时，在轴系低转速运行时，如船舶起停瞬间，橡胶艉轴承轴瓦与轴颈表面之间由于润滑不充分，会出现干摩擦。不均匀的压力分布、艉轴承衬面与轴颈之间的干摩擦会对橡胶轴瓦造成破坏，影响船舶轴系的性能及产生不必要的振动与噪声。

水润滑橡胶艉轴承分为整体式橡胶艉轴承和板条式橡胶艉轴承。当艉轴承直径较大，几何尺寸要求较高时，常采用板条式橡胶艉轴承。板条式橡胶艉轴承分为艉轴承衬套和橡胶轴瓦两部分。由于螺旋桨重力的悬臂作用，艉轴承压力分布具有边缘效应，靠近艉端面接触压力达到最大，变形也最大，并从最大值处向首端逐渐递减。艉轴承艉端面的工作条件恶劣，对艉轴承的使用性能与寿命周期有重要的影响。传统板条式橡胶艉轴承沿轴向采用同一种硬度的橡胶材料，由于螺旋桨的悬臂作用，导致轴瓦各处压力分布不均。

发明内容

本发明所针对的是传统统一硬度板条式水润滑橡胶艉轴承的缺陷，提供一种根据实际负载情况及加工工艺的分布式硬度的设计方法，从而在保证艉轴承刚度足够的前提下，改善轴瓦的应力分布状况，提高其使用寿命，改善其接触性能。同时，该分布式硬度设计方法，可以根据实际应用情况进行相应拓展，在满足加工工艺要求，刚度足够时，能够很好的优化其接触性能。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水润滑橡胶艉轴承的设计方法，对传统的板条式水润滑橡胶艉轴承沿轴向进行硬度分区，将传统的板条式水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为多个区域，从艉端到首端的各个区域的橡胶硬度依次增大，且靠近首端的区域的长度最大，以使水润滑橡胶艉轴承适应实际负载，改善轴承的接触压力性能。

作为本发明的改进，当水润滑橡胶艉轴承的长度大于或等于1米时，将水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为三个区域，这三个区域的长度比例为0.2:0.2:0.6。

作为本发明的改进，所述水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向的三个区域硬度分别为70HA、75HA、80HA。

作为本发明的改进，当水润滑橡胶艉轴承的长度小于1米时，将水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为两个区域，这两个区域的长度比例为0.4:0.6。

按照本发明的另一方面，还提供了一种水润滑橡胶艉轴承，所述水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为多个区域，从艉端到首端的各个区域的橡胶硬度依次增大，且靠近首端的区域的长度最大，以使水润滑橡胶艉轴承适应实际负载，改善轴承的接触压力性能。

作为本发明的改进，当水润滑橡胶艉轴承的长度大于或等于1米时，水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为三个区域，这三个区域的长度比例为0.2:0.2:0.6。

作为本发明的改进，所述水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向的三个区域硬度分别为70HA、75HA、80HA。

作为本发明的改进，当水润滑橡胶艉轴承的长度小于1米时，水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为两个区域，这两个区域的长度比例为0.4:0.6。

总体而言，本发明根据水润滑橡胶艉轴承压力分布特征，将整个长艉轴承划分为硬度不同的几个区域，显著改善了水润滑橡胶艉轴承的压应力分布，并且有效沿周向延展了接触区域，整体上很好地改善了艉轴承的接触性能。

附图说明

图1是传统的板条式水润滑橡胶艉轴承示意图；

图2是本发明实施例中一种进行硬度分区后的水润滑橡胶艉轴承示意图；

图3为经过硬度分区设计的1/2轴系—艉轴承三维模型示意图；

图4为图3中的部分艉轴承的三维模型示意图；

图5为改进前后的底部轴瓦接触应力分布曲线对比图；

图6为改进前后的橡胶轴瓦接触压力沿轴向的分布图；

图7为改进前后的艉轴垂向位移图；

图8改进前后的艉轴底部轴瓦轴向位移图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-艉轴承衬套2-橡胶轴瓦。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明的设计方法，将对传统的板条式水润滑橡胶艉轴承在轴向进行硬度分区。图1是传统的板条式水润滑橡胶艉轴承示意图，图2为本发明实施例中一种进行硬度分区后的水润滑橡胶艉轴承示意图。

水润滑橡胶艉轴承由艉轴承衬套1和橡胶轴瓦2组成。区别于其它轴承，水润滑橡胶艉轴承通常长度较长，与轴段进行接触并承受压力。由于螺旋桨重力的悬臂作用，橡胶轴承的压力分布具有边缘效应，靠近艉端面接触压力达到最大，变形也最大，并从最大值处向首端逐渐递减，呈现不均匀分布特征。这种长艉轴承特有的不均匀分布对于艉轴承的使用寿命，接触性能有很大的影响。通常情形下整个艉轴承橡胶采用一个单值硬度，考虑到压力的不均匀分布特性，我们创造性地提出，根据其压力分布特征，将整个长艉轴承的橡胶轴瓦2划分为硬度不同的几个区域，以适应实际负载，改善轴承的接触压力性能。

综合前期的研究及加工、工艺、成本的影响，在对艉轴承进行硬度分区设计时，分区数量及硬度取值可参考以下方案：

参考方案中主要考虑硬度分区效果及艉轴承整体刚度控制来确定分区长度比例及硬度取值。如将硬度分为三个区域，据作者前期研究，取区域一橡胶硬度最小，区域三橡胶硬度最大(通常采用统一硬度时的取值)。各区域沿轴向的长度也有所不同，为控制艉轴承的整体刚度，令区域三长度最大，并限制区域一、区域二的总长小于轴承总长的一半。通常地，在对各区域进行划分时，应保证靠近首端的区域的长度最大，例如超过总长度的一半。

相应地，本发明还提供了根据上述方法设计的水润滑橡胶艉轴承，其所述水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为多个区域，从艉端到首端的各个区域的橡胶硬度依次增大，且靠近首端的区域的长度最大。这种水润滑橡胶艉轴承适应实际负载，改善轴承的接触压力性能。

该水润滑橡胶艉轴承的硬度分区可按照上述方法进行设计。

这里以一个实际应用为案例对发明方案进行说明。在该算例中，艉轴承的长度为1m，因而将其划分为三个不同硬度的区域。三个区域占整个轴承长度的比例分别为0.2、0.2、0.6，硬度分别为70HA、75HA、80HA。利用有限元ANSYS进行相应计算后，可以得到按照本发明设计方法进行轴承接触性能改进后与改进前的对比。。

从实际应用算例可以看到，依据本发明提供的设计方法进行改进后，显著改善了水润滑橡胶艉轴承的压应力分布，并且有效沿周向延展了接触区域，虽然一定程度上增大了艉轴的垂向位移，但仍在规范要求范围之内，整体上很好地改善了艉轴承的接触性能。

下面以上述实际应用为例，利用通用有限元计算平台ANSYS计算，来说明本发明的具体实施过程及最终改善效果。

1橡胶Mooney-Rivlin模型

橡胶轴瓦采用橡胶材料，其特性十分复杂，属于非线性材料，本发明实施例利用当前应用广泛的2参数橡胶Mooney-Rivlin本构方程模拟橡胶材料，其应变函数如下式：

ω＝C₁₀(I₁-3)+C₀₁(I₂-3)(1)

式中，ω为修正的应变势能；C₀₁、C₁₀为材料常数，I₁、I₂为应力张量的第1、第2不变量。

得到Mooney-Rivlin常数C₀₁、C₁₀的方法主要有实验和经验公式两种，在不进行复杂的材料实验测试下，可由经验公式求得材料常数。由于橡胶的静剪切模量是橡胶元件设计最基本的参数之一，它与橡胶的硬度及成分有关，其中最主要的决定因素是橡胶的硬度，对于硬度相同成分不同的橡胶材料，其值之差不超过10％。因此，可以根据橡胶硬度，利用经验公式确定Mooney-Rivlin模型材料常数。

测得橡胶轴瓦材料的邵氏硬度H_A，将其代入下式：

$E=\frac{15.75+2.15H_A}{100-H_A}---\left(2\right)$

橡胶的杨氏模量E与Mooney-Rivlin模型常数有如下关系：

E＝6(C₁₀+C₀₁)(3)

表1列出了三种橡胶硬度C₀₁/C₁₀值，对其分段进行线性拟合，可以得到各硬度下C₀₁/C₁₀值。

表1不同硬度下橡胶材料C₀₁/C₁₀值

橡胶硬度HA	40	60	70
				C01/C10	0.102	0.06	0.035

由式(2)、(3)和表1，计算得到不同橡胶硬度下Mooney-Rivlin模型材料常数C₀₁、C₁₀，如表2所示。

表2不同硬度下橡胶材料Mooney-Rivlin常数

橡胶硬度HA	C01/C10	C10(MPa)	C01(MPa)
				40	0.102	0.2563	0.0262

60	0.06	0.5685	0.0346
				70	0.035	0.8923	0.0312
73	0.0255	1.0394	0.0265
				75	0.0189	1.1581	0.0218
78	0.0081	1.3785	0.0112
				80	0.00034	1.564	0.00053

2接触仿真算法

利用有限元软件ANSYS，在轴系和艉轴承之间建立接触关系。轴系与橡胶艉轴承之间的接触关系属于典型的三维面—面接触，在ANSYS有限元软件中，选用3D面—面接触单元Target170、Contact174，选取刚度大的轴系外表面为目标面，刚度小的橡胶轴瓦表面为接触面。为了保证计算的准确性，应尽量减小有限元计算中产生的接触穿透量，在不产生病态矩阵的前提下，设置较大的法向接触刚度系数、较小的穿透容差，本发明实施例中设置FKN＝10、FTOLN＝0.1mm。

3有限元计算模型

1)轴系—艉轴承三维模型

原始设计中艉轴承橡胶轴瓦硬度、长度，以及改进后橡胶轴瓦各区域硬度、长度如表3所示。

表3改进前后橡胶轴瓦各项参数

在静力学分析中，为减小计算时长，根据轴系—艉轴承***的对称特性，分别建立沿纵向对称面剖分的原始设计和改进后的轴系—艉轴承模型，包括推力轴、中间轴、艉轴、艉轴承。改进后三维模型如图3、图4所示。按上述方法，计算并赋予橡胶轴瓦Mooney-Rivlin常数。

2)单元和网格

采用实体单元对整个轴系—艉轴承模型进行扫略划分，在轴系外表面、橡胶轴瓦表面建立接触单元，共得到约42万个网格单元，生成约42万个节点。

3)加载和约束

轴系—艉轴承***承受自身重力、螺旋桨及联轴器集中质量，因此在有限元模型中施加垂向重力加速度，在艉轴挂桨处施加螺旋桨质量，在推力轴端部施加联轴器质量。在艉轴承衬套外表面与船体连接处施加全位移约束，中间艉轴承、推力艉轴承基座支撑位置施加简支约束。

4计算结果对比分析

分别对原始设计和改进后的轴系—艉轴承***进行有限元计算，对比了两个模型的底部橡胶轴瓦压应力、橡胶轴瓦接触压力、艉轴垂向变形以及橡胶轴瓦轴向变形。

1)底部橡胶轴瓦接触压应力

由于轴系自身结构的特点，艉轴承所受压力非常大，橡胶轴瓦的压应力分布直接关系到轴系的各项性能。各橡胶轴瓦中，底部轴瓦受力情况最为恶劣。提取底部轴瓦的压应力，并将改进方案与原始设计进行对比，如图8所示。

在原始设计中，从艉端面开始，沿轴向0～0.07m的长度内，压应力从0.15MPa升至1.68MPa，然后逐渐减小，至艏端面减小到0.017MPa。

改进方案中，轴瓦最大压应力出现在距艉端面0.23m处，最大值为1.25MPa。在0～0.07m的长度内，压应力从0.099MPa升至1.21MPa。在0.07m～0.42m之间，压应力在1.05MPa～1.25MPa之间波动，由于橡胶硬度的改变，压应力分布产生了三个波峰。从0.42m至艏端面，压应力逐渐减小至0.02MPa。

对比发现，从艉端面开始，在沿轴向0.39m的范围内，改进方案中艉轴承应力小于原始设计，最大差值为0.47MPa.从0.39m至艏端面，改进方案中艉轴承应力大于原始设计，最大差值为0.2MPa。与原始设计相比，改进方案的最大应力减小了0.43MPa，相对于原始设计减小了25.6％。同时，在0.07m～0.42m之间，改进方案中各处压应力最大差值为0.2MPa，原始设计中最大差值为0.46MPa，改进方案的压应力分布更加均匀。数据表明改进方案明显改善了水润滑橡胶艉轴承的压应力分布情况。

2)轴瓦接触压力周向分布曲线

本发明实施例所分析的艉轴承共有若干条橡胶轴瓦，其截面形状如图1所示。由于沿周向所处位置不同，在距艉端面同样距离处，各轴瓦所受压力也有较大差异。由图5可知，距艉端面0.23m处，改进方案的轴瓦压应力达到最大值。提取所有轴瓦在距艉端面0.23m处的表面接触压力，以底部轴瓦的中心为原点，将各轴瓦接触压力绘制成曲线，如图6所示。

原始设计和改进方案中，艉端面接触压力沿周向分布趋势较为一致。底部轴瓦所受压力最大，并向两侧逐渐递减。由于水槽的影响，水槽所在位置无接触压力。

与原始设计相比，距艉端面0.23m处，改进方案接触压力最大值为1.29MPa，小于原始设计的最大值1.43MPa。

原始设计中，橡胶轴瓦艉端面的接触压力主要分布在周向-43.6°～43.6°范围内。改进方案中，接触压力主要分布在周向-46.5°～46.5°范围内，相较于原始设计，艉端面接触区域沿周向增加了5.8°。接触区域的增加，有利于降低艉轴承的比压。

3)艉轴垂向变形

本发明提出的艉轴承橡胶硬度改进方案，降低了橡胶轴瓦局部区域的橡胶硬度，对艉轴承刚度有一定影响。艉轴承刚度的减小会增加艉轴的变形，影响轴系的性能。提取艉轴的垂向位移，绘制曲线，如图7所示。

原始设计和改进方案中，艉轴垂向变形趋势基本一致。由于螺旋桨的悬臂作用，轴系艉端下垂，变形值最大。由于艉轴承、中间艉轴承的支撑作用，艉轴中部出现上上拱。接近中间艉轴承处，艉轴无垂向变形。

原始设计中，艉轴艉端最大下垂量为0.93mm，最大上拱值为0.145mm。根据艉轴垂向位移曲线上各点斜率，得到艉轴最大转角0.000608°，远小于《CB/2338-2005》中要求的0.02°。

改进方案中，艉轴艉端最大下垂量为1.08mm，最大上拱值为0.192m。艉轴最大转角0.00069°，比原始设计增加了0.000082°，仍远小于《CB/Z338-2005》中要求的0.02°。

4)橡胶轴瓦受压变形

艉轴承橡胶轴瓦条在螺旋桨和轴系重力作用下，产生挤压变形，选取受压变形最剧烈的底部轴瓦，绘制其受压变形后的轴向位移曲线，如图8所示。

原始设计和改进方案中，底部轴瓦轴向变形趋势基本一致。艉端面轴向变形最大，在沿轴向约0.07m范围内迅速减小。由于改进方案减小了橡胶轴瓦部分区域的硬度，橡胶轴瓦最大轴向位移由原始设计的0.9mm增加至1.14mm。同时，改进方案中各区域交界处，由于橡胶硬度变化，导致轴向位移在此处增大，约为0.02mm。

从上述实际应用中可以看到，应用本发明所提供的硬度分区式设计方法，在保证艉轴承刚度足够的前提下，能够很好地改善艉轴承的接触性能，同时，在加工工艺上也并不复杂，简单易实现。此外，本发明具有很好的延展性，可以根据实际应用情况，灵活划分区域，布置硬度，从而达到优化的目的，具有广泛的应用性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水润滑橡胶艉轴承的设计方法，其特征在于，对传统的板条式水润滑橡胶艉轴承沿轴向进行硬度分区，将传统的板条式水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为多个区域，从艉端到首端的各个区域的橡胶硬度依次增大，且靠近首端的区域的长度最大，以使水润滑橡胶艉轴承适应实际负载，改善轴承的接触压力性能,。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当水润滑橡胶艉轴承的长度大于或等于1米时，将水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为三个区域，这三个区域的长度比例为0.2:0.2:0.6。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向的三个区域硬度分别为70HA、75HA、80HA。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当水润滑橡胶艉轴承的长度小于1米时，将水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为两个区域，这两个区域的长度比例为0.4:0.6。

5.一种水润滑橡胶艉轴承，其特征在于，所述水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为多个区域，从艉端到首端的各个区域的橡胶硬度依次增大，且靠近首端的区域的长度最大，以使水润滑橡胶艉轴承适应实际负载，改善轴承的接触压力性能。

6.如权利要求5所述的轴承，其特征在于，当水润滑橡胶艉轴承的长度大于或等于1米时，水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为三个区域，这三个区域的长度比例为0.2:0.2:0.6。

7.如权利要求6所述的轴承，其特征在于，所述水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向的三个区域硬度分别为70HA、75HA、80HA。

8.如权利要求5所述的轴承，其特征在于，当水润滑橡胶艉轴承的长度小于1米时，水润滑橡胶艉轴承的橡胶轴瓦从艉端到首端沿轴向分为两个区域，这两个区域的长度比例为0.4:0.6。