橡胶轴承的水润滑机理研究

【摘要】： 水润滑橡胶轴承由于具有较好的防振、耐泥沙、耐磨等特性，在船舶、水轮机、水泵和农用机械等设备上得到了较为广泛的应用。然而，目前其润滑和承载机理的研究尚不完善。本文通过理论分析和试验研究，探求了水润滑情况下橡胶轴承的摩擦特性，并揭示了润滑机理。 本文首次对完全水润滑橡胶轴承进行了弹流润滑分析。由于水的粘度很低，而橡胶是超弹性体，水润滑橡胶轴承的弹流润滑分析存在两个难点：水的流体润滑方程选择和橡胶的弹性变形计算。本文从流体力学的连续性方程和Navier-Stokes方程出发，推导了适用于第二层流区的圆柱坐标系中考虑了惯性力的Reynolds方程。通过水润滑轴承用橡胶材料的应力应变实验，得出在一定的形变范围内橡胶可作为线性弹性体处理。在充分比较各种流态下润滑方程的数值结果、选择水润滑方程以及合理地将橡胶简化为线性弹性体的基础上，建立了水润滑橡胶轴承的弹流润滑模型。根据这个数学模型，借助于有限元软件MARC，分别对凹面型、平面型水润滑橡胶轴承进行了弹流润滑分析。 弹流润滑计算初步表明，在轻载（0.1MPa）下，凹面型轴承中不可能存在完全流体膜将轴颈与轴承全部分隔开，但可能形成宏观尺度的流体膜。本文指出，在凹面型轴承的摩擦界面上既存在连续的流体膜又存在宏观尺度的直接接触，属于广义的混合润滑状态。流体压力能够使橡胶衬层产生10-5 m数量级的径向弹性变形，与试验发现的水囊现象一致。计算表明平面型轴承不能形成流体膜，属于边界润滑状态。 凹面型、平面型结构的不同导致两者形成的流体压力大小相差悬殊。凹面型轴承具有狭长的收敛楔形，而平面型的收敛楔形既宽又短。在轴颈、轴承发生接触后，结构的不同表现为不同的接触变形特征。接触分析表明，除了水槽的分隔，凹面型轴承的接触区域是连续的一整片，而平面型轴承的各个承载板条都只有中间部分与轴颈相接触。在所计算载荷的范围内，凹面型的接触面积几乎是平面型的两倍。狭长的收敛楔形、较大的连续接触面积以及较小的法向接触应力使凹面型结构更有利于形成流体压力。 本文分别对凹面型、平面型水润滑橡胶轴承进行了摩擦性能试验。在轻载工况下试验与计算结果相符，表明能否形成部分流体膜、达到混合润滑状态将很大程度地决定轴承摩擦性能的好坏，结构设计是优化轴承性能的重要途径。同时也应看到，当工况条件或者润滑状态改变后，有利于流体膜形成的条件可能转化为降低摩擦性 WP=5 能的因素。 应用统计学方法对静态接触面积与动态摩擦力进行了相关分析，结果表明二者具有显著水平的线性相关关系。由此，本文提出橡胶轴承的摩擦性能主要由边界润滑部分决定，橡胶材质的选择是改善轴承摩擦性能的关键因素。