高承載能力的水潤滑推力軸承系統(tǒng)是新型船舶無軸推進(jìn)器(RDT)的關(guān)鍵功能保障部件，也是限制RDT大功率化的瓶頸之一。主要困難在于：一方面，水的黏度低導(dǎo)致水潤滑軸承的承載能力天然較弱；另一方面，RDT導(dǎo)管厚度和槳榖直徑會受到其水動力性能的限制，給軸承預(yù)留的空間狹窄，導(dǎo)致軸承尺寸小、比壓(單面面積承受的載荷)大。以一臺導(dǎo)管線型優(yōu)化后100 kW的RDT為例，在轉(zhuǎn)速為600 r·min-1時，推力軸承的比壓超過0.4 MPa，而一般船舶水潤滑尾軸承額定比壓約為0.128 MPa。因此，在低速、重載下RDT水潤滑軸承界面可能常處于混合潤滑狀態(tài)。為了滿足不同的航行要求，RDT 轉(zhuǎn)速變化頻繁，這對軸承適應(yīng)變工況的能力提出了更高要求。此外，軸承受電機(jī)電磁力和螺旋槳非定常水動力的干擾偏心軸承偏心率，容易產(chǎn)生摩擦振動。針對重載、低速、變工況以及外界擾動等惡劣服役環(huán)境偏心軸承偏心率，設(shè)計適合RDT的推力軸承系統(tǒng)，并開展?jié)櫥阅芊治龊徒Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以提高其承載能力、適應(yīng)能力和減小振動，意義明顯。

彈性支撐的水潤滑可傾瓦推力軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、均載和減振等方面的優(yōu)點，適合用于 RDT 這種結(jié)構(gòu)緊湊的推進(jìn)器。但由于推進(jìn)器外部特殊的流場環(huán)境和軸承雙層大變形材料(瓦面高分子層和底部橡膠層)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致軸承在熱流固強(qiáng)耦合下力學(xué)關(guān)系較為復(fù)雜。主要表現(xiàn)在：

1）瓦塊底部橡膠層存在粘彈性變形，瓦塊表面高分子軟質(zhì)材料層存在熱-彈變形，這種上下兩層大變形下軸承的潤滑和承載機(jī)理尚待揭示；

2）橡膠墊的形狀、尺寸、放置位置以及與瓦塊底部的結(jié)合方式等因素對軸承潤滑和承載性能的影響規(guī)律尚不清楚。

在我國“一帶一路”的重大發(fā)展戰(zhàn)略和海軍國防建設(shè)的背景下，研究 RDT水潤滑推力軸承系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)問題，既有助于發(fā)展我國高性能先進(jìn)船舶，對實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和綠色航運有重要意義，又能為研發(fā)艦船用大功率RDT推進(jìn)系統(tǒng)奠定關(guān)鍵理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

武漢理工大學(xué)的梁興鑫、嚴(yán)新平、歐陽武、劉正林在《機(jī)械工程學(xué)報》2020年第1期發(fā)表了《彈支可傾瓦推力軸承彈性墊最佳偏心率的影響因素》一文，他們提出了軸承熱流體動壓潤滑性能計算模型，采用有限元法求解橡膠墊在非均勻壓縮時作用于推力瓦塊的支撐力和力矩，并擬合支撐力和力矩隨壓縮量和瓦塊傾角變化關(guān)系方程，采用有限差分法求解流體域各控制方程二手吊車，研究了載荷、轉(zhuǎn)速、瓦塊尺寸和長寬比等因素對橡膠墊最佳偏心率的影響規(guī)律。研究表明，橡膠墊的最佳偏心率與載荷和轉(zhuǎn)速無關(guān)，但受瓦塊長度和寬度變化的影響；在橡膠墊尺寸和材料不變的情況下增大瓦長，橡膠墊的徑向和周向最佳偏心率分別減小和增大；增大瓦寬，徑向和周向最佳偏心率分別增大和減小；同時增大瓦長和瓦寬，但保持瓦塊長寬比不變，徑向和周向最佳偏心率都增大。橡膠墊在最佳偏心率范圍內(nèi)取值時吊車出租，計算的水膜厚度在周向和徑向的膜厚比也在它們的最佳值范圍內(nèi)，分別為1.3~1.4和0.12 ~0.20。研究方法和結(jié)果對設(shè)計橡膠墊支撐的彈支可傾瓦推力軸承有指導(dǎo)意義。

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引用本文

梁興鑫, 嚴(yán)新平, 歐陽武, 劉正林. 彈支可傾瓦推力軸承彈性墊最佳偏心率的影響因素[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2020, 56(1): 91-99.

LIANG Xingxin, YAN Xinping, OUYANG Wu, LIU Zhenglin. Influencing Factors of the Optimum Offset Ratio of Elastic Cushions of Elastically Supported Tilting Pad Thrust Bearings[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(1): 91-99.

重要結(jié)論

(1) 橡膠墊最佳偏心率與載荷和轉(zhuǎn)速的變化無關(guān)，但受瓦塊尺寸變化的影響。橡膠墊尺寸和材料不變時，增大瓦長，徑向和周向最佳偏心率分別減小和增大；增大瓦寬，徑向和周向最佳偏心率分別增大和減小；同時增大瓦長和瓦寬，但保持瓦塊長寬比不變，徑向和周向最佳偏心率都增大。瓦塊長寬比的變化是影響橡膠墊最佳偏心率的充分條件而非必要條件。

(2) 橡膠墊在最佳偏心率范圍內(nèi)取值時，水膜在周向和徑向的膜厚比也在它們的最佳值范圍內(nèi)。除了已知的周向最佳膜厚比范圍為1.3~1.4外，徑向最佳膜厚比在0.12 ~0.20范圍內(nèi)。膜厚比也與軸承載荷和轉(zhuǎn)速變化無關(guān)。

橡膠墊支撐的推力瓦(v為推力盤平均線速度，h為水膜厚度)

推力瓦在二維平面上的受力分析

前景與應(yīng)用

本研究為彈性墊支撐可傾瓦推力軸承提出了一套完整可行的潤滑性能分析模型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，對開展這一類可傾瓦推力軸承的潤滑性能的理論分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有參考價值和工程實用價值。在水潤滑彈性支撐推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面有一定的應(yīng)用前景。

主創(chuàng)簡介

梁興鑫，男，湖北潛江人，1985年出生，博士研究生在讀。2008年本科畢業(yè)于武漢理工大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)。有五年遠(yuǎn)洋航海資歷，現(xiàn)持有3000kW級以上無限航區(qū)大管輪證書。2013年考入武漢理工大學(xué)能動學(xué)院攻讀碩士學(xué)位；2016年取得碩士研究生學(xué)歷后繼續(xù)在武漢理工大學(xué)開展全日制博士階段的學(xué)習(xí)研究，主要研究水潤滑軸承熱流固耦合潤滑性能、水潤滑彈性墊支撐的可傾瓦推力軸承潤滑模型、試驗等內(nèi)容。目前已發(fā)表相關(guān)期刊論文8篇，其中SCI檢索6篇，EI檢索2篇。個人郵箱：。

嚴(yán)新平，男，1959年出生。現(xiàn)任武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心、能源與動力工程學(xué)院首席教授、博士生導(dǎo)師；智能航運與海事安全國際科技合作基地、國家水運安全工程技術(shù)研究中心和內(nèi)河智能航運交通運輸業(yè)協(xié)同創(chuàng)新平臺主任。載運工具運用工程和輪機(jī)工程學(xué)科帶頭人。長期從事水路交通工程領(lǐng)域教學(xué)與科研工作，致力于船舶的設(shè)備運行安全、航行安全、駕駛安全等研究，在船舶設(shè)備磨損診斷、船舶航行風(fēng)險控制、船舶智能輔助駕駛等方面有開拓性成果。重點開展船舶機(jī)械磨損故障監(jiān)測與診斷、船舶軸系運行性能檢測、船舶新能源與能效控制、在航船舶感知與航行管控、智能航行與安全控制、船舶駕駛主動安全等研究工作。先后主持國家973、863課題、國家自然科學(xué)基金重點和面上項目、國家支撐計劃、重點研發(fā)任務(wù)專項和高技術(shù)船舶科研計劃等國家級科研項目20多項。郵箱：。

實驗室或者課題組特色（技術(shù)、實驗設(shè)備等）

試驗設(shè)備

(1) 水潤滑推力軸承綜合性能試驗臺，可以開展軸承靜特性、動特性、水膜厚度觀測等多項實驗。

(a) 結(jié)構(gòu)簡圖

(b) 實物圖

圖1 水潤滑推力軸承綜合性能實驗臺

1-變頻電機(jī)；2-梅花聯(lián)軸器；3-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀；4-電渦流傳感器；5-實驗艙；6-出水口；7-推力瓦塊；8-支撐環(huán)；9-支架；10-加速度傳感器；11-徑向軸承；12-進(jìn)水口；13-滾動軸承座；14-力傳感器；15-力傳感器座；16-彈簧座；17-加載彈簧；18-加載螺母；19-加載螺桿；20-壓電促動器座；21-壓電促動器；22-導(dǎo)筒；23-滑套；24-滾動軸承；25-推力盤；26-電渦流傳感器安裝支架；27-推力軸；28-底座

(2) 無軸推進(jìn)器綜合性能試驗平臺，可以開展推進(jìn)器水動力性能等多項試驗，驗證螺旋槳、軸承等結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，推進(jìn)器推力-速度曲線、推進(jìn)器噪聲水平等參數(shù)。

圖2 無軸推進(jìn)器綜合性能試驗臺架（含推進(jìn)器、循環(huán)水槽等）

(3) 水潤滑徑向-推力聯(lián)合軸承綜合性能試驗臺架，可開展直徑小于200mm的水潤滑徑向軸承、直徑小于400mm的水潤滑推力軸承、水潤滑錐形軸承、徑向-推力聯(lián)合軸承綜合性能試驗。

圖3 水潤滑徑向-推力聯(lián)合軸承綜合性能試驗臺架

課題組需求（待解決的技術(shù)問題）

(1) 高性能水潤滑軸承材料的制備，性能包括耐磨性、高承載能力；能承載一定軸向載荷的水潤滑滾錐陶瓷軸承的開發(fā)；

(2) 高性能水下永磁電機(jī)設(shè)計及控制理論；耐海水腐蝕的電機(jī)定轉(zhuǎn)子絕緣保護(hù)涂層；

試驗設(shè)備瓶頸

(1) 自研試驗臺加工、組裝等工藝落后，難以滿足測量的高精度要求；

(2) 實驗設(shè)備落后，以氙光熒光法測量水膜厚度的試驗裝置為例，其氙光燈的光強(qiáng)均勻度、光強(qiáng)均難以滿足測量要求，測量結(jié)果可能含有較大誤差。

課題組近年成果