弹支可倾瓦推力轴承弹性垫最佳偏心率的影响因素丨JME文章推荐
高承载能力的水润滑推力轴承系统是新型船舶无轴推进器(RDT)的关键功能保障部件，也是限制RDT大功率化的瓶颈之一。主要困难在于：一方面，水的黏度低导致水润滑轴承的承载能力天然较弱；另一方面，RDT导管厚度和桨榖直径会受到其水动力性能的限制，给轴承预留的空间狭窄，导致轴承尺寸小、比压(单面面积承受的载荷)大。以一台导管线型优化后100 kW的RDT为例，在转速为600 r·min-1时，推力轴承的比压超过0.4 MPa，而一般船舶水润滑尾轴承额定比压约为0.128 MPa。因此，在低速、重载下RDT水润滑轴承界面可能常处于混合润滑状态。为了满足不同的航行要求，RDT 转速变化频繁，这对轴承适应变工况的能力提出了更高要求。此外，轴承受电机电磁力和螺旋桨非定常水动力的干扰，容易产生摩擦振动。针对重载、低速、变工况以及外界扰动等恶劣服役环境，设计适合RDT的推力轴承系统，并开展润滑性能分析和结构优化设计以提高其承载能力、适应能力和减小振动，意义明显。
弹性支撑的水润滑可倾瓦推力轴承具有结构简单、均载和减振等方面的优点，适合用于 RDT 这种结构紧凑的推进器。但由于推进器外部特殊的流场环境和轴承双层大变形材料(瓦面高分子层和底部橡胶层)的复合结构，导致轴承在热流固强耦合下力学关系较为复杂。主要表现在：
1）瓦块底部橡胶层存在粘弹性变形，瓦块表面高分子软质材料层存在热-弹变形，这种上下两层大变形下轴承的润滑和承载机理尚待揭示；
2）橡胶垫的形状、尺寸、放置位置以及与瓦块底部的结合方式等因素对轴承润滑和承载性能的影响规律尚不清楚。
在我国“一带一路”的重大发展战略和海军国防建设的背景下，研究 RDT水润滑推力轴承系统的关键科学问题，既有助于发展我国高性能先进船舶，对实现节能、环保和绿色航运有重要意义，又能为研发舰船用大功率RDT推进系统奠定关键理论和技术基础。
武汉理工大学的梁兴鑫、严新平、欧阳武、刘正林在《机械工程学报》2020年第1期发表了《弹支可倾瓦推力轴承弹性垫最佳偏心率的影响因素》一文，他们提出了轴承热流体动压润滑性能计算模型，采用有限元法求解橡胶垫在非均匀压缩时作用于推力瓦块的支撑力和力矩，并拟合支撑力和力矩随压缩量和瓦块倾角变化关系方程，采用有限差分法求解流体域各控制方程，研究了载荷、转速、瓦块尺寸和长宽比等因素对橡胶垫最佳偏心率的影响规律。研究表明，橡胶垫的最佳偏心率与载荷和转速无关，但受瓦块长度和宽度变化的影响；在橡胶垫尺寸和材料不变的情况下增大瓦长，橡胶垫的径向和周向最佳偏心率分别减小和增大；增大瓦宽，径向和周向最佳偏心率分别增大和减小；同时增大瓦长和瓦宽，但保持瓦块长宽比不变，径向和周向最佳偏心率都增大。橡胶垫在最佳偏心率范围内取值时，计算的水膜厚度在周向和径向的膜厚比也在它们的最佳值范围内，分别为1.3~1.4和0.12 ~0.20。研究方法和结果对设计橡胶垫支撑的弹支可倾瓦推力轴承有指导意义。
梁兴鑫, 严新平, 欧阳武, 刘正林. 弹支可倾瓦推力轴承弹性垫最佳偏心率的影响因素[J]. 机械工程学报, 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.
(1) 橡胶垫最佳偏心率与载荷和转速的变化无关，但受瓦块尺寸变化的影响。橡胶垫尺寸和材料不变时，增大瓦长，径向和周向最佳偏心率分别减小和增大；增大瓦宽，径向和周向最佳偏心率分别增大和减小；同时增大瓦长和瓦宽，但保持瓦块长宽比不变，径向和周向最佳偏心率都增大。瓦块长宽比的变化是影响橡胶垫最佳偏心率的充分条件而非必要条件。
(2) 橡胶垫在最佳偏心率范围内取值时，水膜在周向和径向的膜厚比也在它们的最佳值范围内。除了已知的周向最佳膜厚比范围为1.3~1.4外，径向最佳膜厚比在0.12 ~0.20范围内。膜厚比也与轴承载荷和转速变化无关。
橡胶垫支撑的推力瓦(v为推力盘平均线速度，h为水膜厚度)
推力瓦在二维平面上的受力分析
本研究为弹性垫支撑可倾瓦推力轴承提出了一套完整可行的润滑性能分析模型和结构优化设计方法，对开展这一类可倾瓦推力轴承的润滑性能的理论分析和结构优化设计有参考价值和工程实用价值。在水润滑弹性支撑推力轴承结构优化设计方面有一定的应用前景。
梁兴鑫，男，湖北潜江人，1985年出生，博士研究生在读。2008年本科毕业于武汉理工大学轮机工程专业。有五年远洋航海资历，现持有3000kW级以上无限航区大管轮证书。2013年考入武汉理工大学能动学院攻读硕士学位；2016年取得硕士研究生学历后继续在武汉理工大学开展全日制博士阶段的学习研究，主要研究水润滑轴承热流固耦合润滑性能、水润滑弹性垫支撑的可倾瓦推力轴承润滑模型、试验等内容。目前已发表相关期刊论文8篇，其中SCI检索6篇，EI检索2篇。个人邮箱：xingxin@whut.edu.cn。
严新平，男，1959年出生。现任武汉理工大学智能交通系统研究中心、能源与动力工程学院首席教授、博士生导师；智能航运与海事安全国际科技合作基地、国家水运安全工程技术研究中心和内河智能航运交通运输业协同创新平台主任。载运工具运用工程和轮机工程学科带头人。长期从事水路交通工程领域教学与科研工作，致力于船舶的设备运行安全、航行安全、驾驶安全等研究，在船舶设备磨损诊断、船舶航行风险控制、船舶智能辅助驾驶等方面有开拓性成果。重点开展船舶机械磨损故障监测与诊断、船舶轴系运行性能检测、船舶新能源与能效控制、在航船舶感知与航行管控、智能航行与安全控制、船舶驾驶主动安全等研究工作。先后主持国家973、863课题、国家自然科学基金重点和面上项目、国家支撑计划、重点研发任务专项和高技术船舶科研计划等国家级科研项目20多项。邮箱：xpyan@whut.edu.cn。
试验设备
(1) 水润滑推力轴承综合性能试验台，可以开展轴承静特性、动特性、水膜厚度观测等多项实验。
(a) 结构简图
(b) 实物图
图1 水润滑推力轴承综合性能实验台
1-变频电机；2-梅花联轴器；3-转矩转速仪；4-电涡流传感器；5-实验舱；6-出水口；7-推力瓦块；8-支撑环；9-支架；10-加速度传感器；11-径向轴承；12-进水口；13-滚动轴承座；14-力传感器；15-力传感器座；16-弹簧座；17-加载弹簧；18-加载螺母；19-加载螺杆；20-压电促动器座；21-压电促动器；22-导筒；23-滑套；24-滚动轴承；25-推力盘；26-电涡流传感器安装支架；27-推力轴；28-底座
(2) 无轴推进器综合性能试验平台，可以开展推进器水动力性能等多项试验，验证螺旋桨、轴承等结构设计是否合理，推进器推力-速度曲线、推进器噪声水平等参数。
图2 无轴推进器综合性能试验台架（含推进器、循环水槽等）
(3) 水润滑径向-推力联合轴承综合性能试验台架，可开展直径小于200mm的水润滑径向轴承、直径小于400mm的水润滑推力轴承、水润滑锥形轴承、径向-推力联合轴承综合性能试验。
图3 水润滑径向-推力联合轴承综合性能试验台架
课题组需求（待解决的技术问题）
(1) 高性能水润滑轴承材料的制备，性能包括耐磨性、高承载能力；能承载一定轴向载荷的水润滑滚锥陶瓷轴承的开发；
(2) 高性能水下永磁电机设计及控制理论；耐海水腐蚀的电机定转子绝缘保护涂层；
试验设备瓶颈
(1) 自研试验台加工、组装等工艺落后，难以满足测量的高精度要求；
(2) 实验设备落后，以氙光荧光法测量水膜厚度的试验装置为例，其氙光灯的光强均匀度、光强均难以满足测量要求，测量结果可能含有较大误差。
编辑：金程 校对：张彤
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