船用水润滑橡胶尾轴承冷却性能研究

敖庆章，周少伟，周建辉

●（1．海军驻701所军事代表室，武汉 430064；2．中国船舶研究设计中心，武汉 430064）

船用水润滑橡胶尾轴承冷却性能研究

敖庆章1，周少伟2，周建辉2

●（1．海军驻701所军事代表室，武汉 430064；2．中国船舶研究设计中心，武汉 430064）

应用FLUENT有限元方法，建立水润滑橡胶尾轴承水膜模型，探讨冷却水流速，轴承水槽参数（宽度、数量、深度）对轴承冷却效果的影响程度，为尾轴承的水槽结构优化设计提供参考。仿真计算结果表明，水槽的宽度、数量、深度以及冷却水流速的增加，均可以在一定范围内明显提高冷却效果，降低水膜温度。但当槽宽超过到一定角度时，冷却效果提高不明显；水槽数量过多会影响水膜的承载能力；水槽深度过大会削弱轴承内衬支承强度。因此应综合考虑各因素的影响程度，选择合理的水槽参数。

FLUENT；水润滑轴承；冷却性能

0 引言

船舶水润滑尾轴承内衬一般采用橡胶、赛龙、飞龙等非金属材料。这些材料工作表面温度低于60℃，比压小于0.6MPa。由于尾轴承内衬材料使用性能的特殊要求，以及板条形状、水槽结构尺寸、运行工况等因素，当尾轴承低速、重载运行时，润滑水膜生成困难，多处于干摩擦或边界摩擦状态，摩擦因数增大，冷却效果变差，容易产生高温烧损事故。

近年来，国内外学者十分关注水润滑尾轴承减振降噪方面的研究，但对低速、重载工况下水润滑尾轴承冷却性能方面的研究较少。本文以水润滑橡胶尾轴承为研究对象，采用CFD流体动力学软件（FLUENT），建立轴承润滑水膜模型，探讨冷却水流速，轴承水槽参数（宽度、数量、深度）对轴承冷却效果的影响程度，为尾轴承的水槽结构优化设计提供参考[1,2]。

1 橡胶尾轴承

橡胶尾轴承内衬材料为丁腈橡胶，衬套为青铜，结构尺寸如图1所示，结构参数见表1，材料物理性能参数见表2。

图1 凹面型轴承结构示意图

表1 轴承结构参数

表2 水润滑轴承材料的物理性能参数

2 尾轴承摩擦热分析计算

船用尾轴承的冷却效果主要以轴承温升来衡量。轴承工作表面温度越低，说明冷却效果越好。轴承温升与航行水域的水温以及轴承工作时的摩擦热有关。尾轴承摩擦热涉及轴承的摩擦力矩M及与尾轴间的相对转速n。轴承摩擦力矩：

式中，d为轴颈外径，mm；L为轴承长度，m；f为轴承的摩擦因数；W为轴承的载荷，N，W = pdL，p为轴承比压，Pa。轴承摩擦热：

式中，n为尾轴转速，r/min。轴承热流密度计算公式为：

式中，l为轴承长度，m。以式(3)计算尾轴承的摩擦热流密度。取尾轴承p=0.85MPa(最大比压)，转速n=300 r/min，试验得到的摩擦因数f = 0.046[1]，则作用在轴承上的载荷为：W=0.85×106×0.15×0.15=19.1 kN。热流密度 ： q=[1/(60l)]W·n·f=[1/(60×0.15)]×19.1×103×300×0.046= 29.3×103(W/m2)。

3 尾轴承冷却性能仿真计算

3.1 尾轴承水膜有限元模型

目前，水润滑尾轴承的水槽采用全开槽与半开槽两种形式。大多数尾轴承采用前者，即在轴承内衬圆周上均匀开槽，以利于冷却、润滑和排砂，改善轴承使用性能。

在水润滑尾轴承的CFD（Computational Fluid Dynamics）模型中[3-5]，水膜是轴承的主要冷却区域。现以全开槽轴承（10个水槽）为对象，在额定转速n=300r/min（v=2.4m/s），偏心率ε=0.7，偏位角β=15°，建立尾轴承水膜有限元模型，仿真计算轴承水膜温度的分布状况。

由于水膜处于尾轴承、尾轴之间，水膜很薄为微米级，因此可近似认为水膜温度与轴承工作表面温度相同，通过水膜温度来研究轴承温度。

图2 轴承水膜网格图

尾轴承水膜有限元模型总共划分14100个网格，见图2所示。其中，最大体网格体积为0.034mm3，而最小体网格只有0.00555mm3。

3.2 尾轴承水膜温度分布状况

在进行水膜温度计算时，将热流密度q施加在水膜内壁面上(内壁面与尾轴轴套接触)。当水槽宽度角为2.5°，冷却水入口速度为10m/s时，轴承水膜内壁面温度分布状况计算结果见图3。

图3 入口流速10 m/s轴承温度分布图（℃）

由图3的水膜温度分布可见，温度从入口端到出口端逐渐升高，最高温度 29℃出现在出口端水膜最薄处。水膜越薄，水膜压力越高，通过轴承承载面的冷却水量减少，流速变慢，但水槽中流速却略有增加。在水膜最薄处入口端的合成流速为10.3m/s，出口端为8.13m/s（图4），总之，水膜带走的热量减少。热量被带走的同时，冷却水温也随之增高。离入口端越远，冷却作用越弱，导致轴承高温区域面积变大，出口端温度升高。

图4 入口速度为10m/s时水膜流速图（m/s）

3.3 水槽参数对尾轴承冷却性能的影响

在冷却水入口速度为1m/s情况下，讨论水槽参数对尾轴承冷却性能的影响。

3.1.1 水槽宽度

当水槽宽度角θ=2°、2.5°、3°、3.5°、4°时，尾轴承的水膜最高温度变化趋势见图5。水槽宽度角θ=2°、4°时，轴承水膜温度分布状况见图6。

图5 轴承水膜最高温度变化趋势

图6 水槽宽度角对轴承温度分布的影响 (℃)

由图5、图6可见，槽宽度角分别为2°、4°时，水膜温度为37℃与34℃，后者比前者下降了3℃，说明槽宽角对轴承冷却效果有一定影响。在保证轴承承载能力的前提下，槽宽角越大，冷却效果越好，轴承高温分布范围略有缩小，最高温度降低。但当槽宽角变化不大时，如2.5°与3°，3.5°与4°时，冷却效果没有明显的变化。因此在选择槽宽角时，应兼顾承载能力（水膜支撑力）与冷却效果。冷却水流速为1m/s时，水膜温度为36℃（图5）；冷却水流速为10 m/s时，水膜温度为29℃（图3），下降了19%。

3.1.2 水槽个数

当水槽宽度角θ为2.5°，水槽个数N分别为6、8、10、12、14时，全开槽轴承水膜最高温度变化趋势见图7。水槽数量N=6、8时，轴承水膜温度分布状况见图8。

由图7、图8可见，随着轴承水槽数量从6个增加到14个时，水膜最高温度从41℃呈线性减小到34℃，下降17%，但水槽数量超过10个后，水膜最高温度下降趋缓，14个水槽较12个只下降1℃，由此可见应合理控制水槽数量。过多水槽既不能明显增强冷却效果，而且会降低轴承承载能力。

图7 轴承水膜最高温度—水槽数量关系图

图8 水槽数量对轴承温度分布的影响 (℃)

轴承承载能力与工作比压、轴承下半圆周投影面积有关[6]，即：

如有水槽时，轴承投影面积dL应扣除水槽的投影面积Δ，则轴承实际投影面积为dL–Δ，此时轴承的承载能力：

其中，Δ=(Nθ/180°)dL，N为水槽数量；θ为水槽宽度角，(°)。

以槽宽角4°为例，当水槽数量从6个增加到14个时，在轴承比压p不变情况下，轴承承载能力下降了 21%。由此可见，水槽数量取10个比较合适。

3.1.3 水槽深度

当槽宽角为2.5°，槽深为6mm、7mm、8mm、9mm时，讨论水槽深度对轴承水膜温度的影响。水膜最高温度见表3，槽深为6mm、9mm时的水膜最高温度分布状况见图9。

由表3与图9可见，水槽深度为6mm时，水膜高温区域比较大，最高温度达到38℃，高于槽深7mm、8mm、9mm时的温度（均为36℃），冷却效果不十分理想。因此，在满足冷却要求的情况下，应选择较小的水槽深度（如7mm），以免削弱橡胶内衬的支承强度。

表3 不同水槽深度的水膜温度

图9 轴承水膜最高温度—水槽深度关系图 (℃)

4 结论

通过水润滑尾轴承水膜有限元仿真计算，得到以下结论：

1）通过建立尾轴承水膜有限元模型，研究水膜温度的分布状况来探讨轴承冷却性能的方法是合理、可行的。

2）水槽宽度角增加可提高轴承冷却效果，当槽宽超过一定角度（4°）时，冷却效果提高不明显。

3）水槽数量增加可提高轴承冷却效果。但不能过多，如从6个增加到14个时，轴承承载能力却下降21%。

4）增加水槽深度虽能改善轴承冷却性能，但水槽过深会削弱轴承内衬的支承强度，所以该轴承槽深选 7mm较合理。

[1]周春良, 刘顺隆. 水润滑船舶尾管轴承内部流场数值分析[J]. 润滑与密封, 2005(6): 70-73.

[2]Gertzos K P, Nikolakopoulos P G, Papadopoulos C A. CFD analysis of journal bearing hydrodynamic lubrication by Bingham lubricant[J]. Tribology International, 2008, 41(12): 1190-1204.

[3]彭娅玲, 张志国, 陈汝刚, 等. CFD辅助船舶艉部水润滑轴承设计的研究[J]. 润滑与密封, 2008, 33(5): 72-76.

[4]饶河清. 基于 FLUENT软件的多孔质静压轴承的仿真与实验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2006: 30-34.

[5]张国渊, 袁小阳. 水润滑动静压轴承三维压力及温度场分布理论研究[J]. 润滑与密封, 2006(8): 4-7.

[6]周小林, 赵高辉. 水润滑尾轴承负载能力的分析[J].上海理工大学学报, 2004(4): 18-19.

Study on Cooling Performance of Water-lubricated Rubber Stern Tube Bearings for Ship

AO Qing-zhang1, ZHOU Shao-wei2, ZHOU jian-hui2,
(1. Military Representative Office at China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The water film model of the water-lubricated rubber stern tube bearings is established by using FLUENT finite element method. The influences of cooling water flow rate and the parameters of bearing grooves (width, number and depth) on the cooling performances of bearings are studied. The simulation results show that the increase of the width, the number, the depth of the groove and the rise of the cooling water flow rate can evidently improve the cooling effect and reduce the water film temperature. However, when the angle of the groove width increases to a certain angle, the cooling effect is not obviously improved. Superabundant grooves will affect the carrying capacity of the water film. The excessive groove depth could weaken the bearing lining supporting strength. Therefore, the impact degree of various factors should be synthetically considered and reasonable parameters of the groove are selected.

FLUENT; water lubricated bearing; cooling performance

U675.7

A

敖庆章（1978-），男，工程师。主要从事舰船动力研究。