滾動(dòng)軸承在全墊升氣墊船軸系中的應(yīng)用

葉 楠

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

本文主要探討滾動(dòng)軸承在全墊升氣墊船軸系中的應(yīng)用。氣墊船的軸系包括推進(jìn)軸系和墊升軸系兩大部分：推進(jìn)軸系用于驅(qū)動(dòng)空氣螺旋槳，墊升軸系用于傳動(dòng)墊升風(fēng)機(jī)。正是空氣螺旋槳產(chǎn)生的推力和墊升風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的升力，使氣墊船高速航行于水面之上。

滾動(dòng)軸承是利用球或滾子的滾動(dòng)將一個(gè)物體的受控運(yùn)動(dòng)以最小的摩擦傳遞給對(duì)應(yīng)的另一個(gè)物體的軸承。迄今為止，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的全墊升氣墊船的軸系中大都采用了滾動(dòng)軸承。與常規(guī)船中間軸承主要采用滑動(dòng)軸承不同，氣墊船大量應(yīng)用滾動(dòng)軸承的原因主要有以下幾點(diǎn)：一是氣墊船軸系轉(zhuǎn)速較高，線速度高達(dá)30 m/s，遠(yuǎn)高于滑動(dòng)軸承的線速度適用范圍1.5 ～ 8 m/s；二是氣墊船機(jī)動(dòng)性高、無(wú)海水冷卻，而滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小、起動(dòng)靈敏、潤(rùn)滑簡(jiǎn)便等特點(diǎn)完全適用于氣墊船；三是氣墊船質(zhì)量控制嚴(yán)格，滾動(dòng)軸承較滑動(dòng)軸承質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。因此，滾動(dòng)軸承在全墊升氣墊船的推進(jìn)和墊升軸系中起著不可或缺的作用。滾動(dòng)軸承作為一種通用結(jié)構(gòu)元件，在全墊升氣墊船的高速齒輪箱、空氣變距螺旋槳等裝置中用來(lái)支撐各種運(yùn)動(dòng)部件，也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

全墊升氣墊船的軸系大多安裝在露天甲板上，日曬雨淋，經(jīng)受較大幅度日夜溫差，長(zhǎng)期工作于鹽霧、霉菌的海洋環(huán)境中。全墊升氣墊船在航行中，其圍裙會(huì)濺起大量水花，尤其是“越峰”或“改變航向”的過(guò)程中更是如此。海水會(huì)直接濺落在“高溫”的軸承座上，也會(huì)滲進(jìn)軸承中，這使得全墊升氣墊船軸系中的滾動(dòng)軸承工作條件相當(dāng)嚴(yán)苛。全墊升氣墊船的船體多為鋁合金制造，船體結(jié)構(gòu)剛性較弱，在風(fēng)浪中船體變形較大。在上述工況條件下高速運(yùn)行的全墊升氣墊船軸系，如何正確的進(jìn)行滾動(dòng)軸承選型，以及潤(rùn)滑與密封等方面進(jìn)行全面、系統(tǒng)的考量，是設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的問(wèn)題，也是全墊升氣墊船推進(jìn)與墊升系統(tǒng)能否正常、可靠工作的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1 滾動(dòng)軸承的選型

1.1 軸系中的滾動(dòng)軸承類型

按滾動(dòng)軸承在全墊升氣墊船軸系中的作用，可分為滾動(dòng)式支承軸承和滾動(dòng)式推力軸承兩大類；按滾動(dòng)軸承在全墊升氣墊船軸系中的配置，又可分為定位軸承和浮動(dòng)軸承兩種。

在全墊升氣墊船軸系中，能作軸向雙向引導(dǎo)的軸承稱作定位軸承，除徑向載荷外還能承受軸方向推力的所有類型軸承都適用作定位軸承。X型或O型配置的成對(duì)角接觸球軸承（通用型）和成對(duì)圓錐滾子軸承也可用作定位軸承［1］，推力軸承是軸系中的定位軸承。

浮動(dòng)軸承用以補(bǔ)償軸向熱膨脹，幾乎所有不需要軸向引導(dǎo)的軸承均可用作浮動(dòng)軸承，軸要利用軸向游隙［2］相對(duì)軸承座移動(dòng)。在中、小型全墊升氣墊船軸系中常采用調(diào)心軸承（球或滾子）和向心球軸承來(lái)作為浮動(dòng)軸承。

在定位軸承與浮動(dòng)軸承的組合中，定位軸承能夠軸向雙向引導(dǎo)軸，浮動(dòng)軸承則補(bǔ)償軸和軸承座之間的熱膨脹差。用兩套以上的軸承支撐軸時(shí)，只能有一個(gè)軸向定位的軸承，其他軸承都是浮動(dòng)軸承。

1.2 滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算

通常，采用“額定壽命”作為特定載荷條件下給定軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的疲勞耐久性的度量手段。這個(gè)額定壽命是指相當(dāng)大一批軸承在規(guī)定載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)的估計(jì)L10壽命［3］，該壽命值與90%的可靠性、當(dāng)代常用材料和加工質(zhì)量以及常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件相關(guān)。

式中：C為基本額定動(dòng)載荷；P為當(dāng)量動(dòng)載荷；n為球軸承n取3，滾子軸承n取10/3。

滾動(dòng)軸承在氣墊船上的應(yīng)用條件十分惡劣（如：潤(rùn)滑不充分、安裝時(shí)的偏差、軸系運(yùn)行時(shí)的變形偏斜、海水的侵入等），并且可能存在載荷不均，這些均會(huì)大幅縮短軸承壽命，使其無(wú)法達(dá)到自身的疲勞壽命。一般要求全墊升氣墊船軸系的推力軸承和支承軸承基本額定壽命大于5 000 h。

1.3 滾動(dòng)軸承的高溫適應(yīng)性

在氣墊船軸系中的滾動(dòng)軸承工作溫度一般不會(huì)高于120℃，若使用玻璃纖維增強(qiáng)的聚酰胺66制造的保持架，甚至能短時(shí)經(jīng)受更高的溫度。但這種軸承使用油潤(rùn)滑時(shí)，如果油中含有添加劑，可能會(huì)影響保持架的使用壽命。

1.4 滾動(dòng)軸承的高速適應(yīng)性

在軸承樣本中，一般都會(huì)給出“極限轉(zhuǎn)速”的數(shù)據(jù)。當(dāng)滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)速上升到一定限度后，就再也無(wú)法保證正常的均勻運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí)，滾動(dòng)體和保持架的慣性力以及極小的形狀偏差均可導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)情況變化、潤(rùn)滑狀態(tài)變差，使工作面摩擦和磨損增大。

一般軸承公司樣本上給出的“極限轉(zhuǎn)速”都是以工程實(shí)踐為基礎(chǔ)的，并且考慮了一些附加條件，如平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，有效的密封和適宜的潤(rùn)滑等。

在高速及高加速度時(shí)，軸承負(fù)荷不應(yīng)太小，不能低于P/C= 0.02。

軸承的工作轉(zhuǎn)速絕不應(yīng)超過(guò)“極限轉(zhuǎn)速”，即使軸承工作條件和冷卻條件較好。

1.5 滾動(dòng)軸承的配合

滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸、外圈和軸承座之間的配合公差已在ANSI/ABMA中標(biāo)準(zhǔn)化［4］。軸承可靠運(yùn)轉(zhuǎn)所要求的配合部位特征，取決于應(yīng)用場(chǎng)合的工作條件。氣墊船軸系具有較好的撓性，以適應(yīng)船體在風(fēng)浪中的變形，因此浮動(dòng)軸承相應(yīng)具有軸向移動(dòng)性。由于氣墊船軸系通常暴露于露天甲板，軸承壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其疲勞壽命，選擇配合時(shí)除了考慮軸承套圈的可靠固定和均勻支撐，還應(yīng)易于安裝與拆卸，以便于現(xiàn)場(chǎng)緊急更換軸承。

通過(guò)過(guò)盈配合是實(shí)現(xiàn)軸承套圈最簡(jiǎn)單可靠的圓周方向固定的方法。此安裝方式可以防止由于軸承內(nèi)徑和軸外徑之間或軸承外徑和軸承座之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的微動(dòng)磨損。過(guò)盈配合能均勻的支撐套圈，同時(shí)也達(dá)到了充分利用軸承載荷能力的目的。載荷越大，過(guò)盈配合應(yīng)越緊，對(duì)沖擊載荷尤其如此。

對(duì)于軸承內(nèi)圈與軸、外圈和軸承座之間的配合雖然都采用了緊配合，但是實(shí)際設(shè)計(jì)中配合的公差還是有區(qū)別的，一般來(lái)說(shuō)軸承內(nèi)圈的配合過(guò)緊度要大于軸承外圈的配合。同時(shí)，還需考慮軸承套圈和配合件之間的溫差，選擇配合時(shí)還要考慮到軸承類型和尺寸。

1.6 滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑

氣墊船軸承工作條件十分復(fù)雜。從低溫到高溫，從低速到高速，從良好的到惡劣的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)軸承時(shí)需要兼顧考慮潤(rùn)滑性能和經(jīng)濟(jì)性。無(wú)論采取何種潤(rùn)滑方式，推力軸承和支承軸承穩(wěn)定狀態(tài)的工作溫度一般不超過(guò)80℃。

1.6.1 脂潤(rùn)滑

在氣墊船軸系中，滾動(dòng)軸承在大多數(shù)安裝部位可采用脂潤(rùn)滑，因?yàn)橹瑵?rùn)滑時(shí)防止?jié)櫥瑒p耗的密封方法比油潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，在許多情況下，潤(rùn)滑脂還能防止雜質(zhì)侵入軸承。

多年來(lái)研制氣墊船的工程實(shí)踐證明，氣墊船軸系中的滾動(dòng)式支承軸承均可采用脂潤(rùn)滑。采用脂潤(rùn)滑時(shí)，必須注意：

（1）脂潤(rùn)滑不能散熱；

（2）不能帶走磨損顆?；蚱渌w粒。

1.6.2 油潤(rùn)滑

氣墊船軸系中，高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速下自身發(fā)熱高的軸承應(yīng)該考慮采用油潤(rùn)滑。油潤(rùn)滑的散熱性能好，但是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下密封較復(fù)雜，不但要防止雜質(zhì)侵入軸承，還要防止?jié)櫥偷男孤?/p>

通常1 000 kW以上的滾動(dòng)式推力軸承采用強(qiáng)制油潤(rùn)滑。強(qiáng)制潤(rùn)滑的滾動(dòng)軸承應(yīng)設(shè)置滑油低壓報(bào)警裝置。

油潤(rùn)滑的軸承，一般使用公稱粘度約50～90 mm2/s（40℃）的耐老化油，或盡量使用與船舶主機(jī)（或減速齒輪箱）同一品牌的潤(rùn)滑油。

對(duì)于新研制的氣墊船滾動(dòng)式推力軸承，其功率大于1 000 kW且無(wú)母型船資料可借鑒，應(yīng)進(jìn)行軸承的功率損失計(jì)算，以確定所需滑油量。

1.7 滾動(dòng)軸承的密封

當(dāng)軸承的潤(rùn)滑方法確定以后，常常要考慮如何選擇適當(dāng)?shù)拿芊夥椒āＣ芊饩哂袃蓚€(gè)基本作用：一是保持潤(rùn)滑劑，二是防止雜質(zhì)進(jìn)入軸承內(nèi)部。密封作用必須在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間實(shí)現(xiàn)。密封件結(jié)構(gòu)的選擇取決于潤(rùn)滑劑的類型（脂、油或固體）、轉(zhuǎn)速、摩擦、磨損，以及便于更換、經(jīng)濟(jì)性等因素。密封的類型一般有防塵蓋、迷宮式密封、橡膠唇式密封、箍簧密封等型式。對(duì)于氣墊船滾動(dòng)軸承的密封，一般設(shè)一道纖維編制盤(pán)根即可；但對(duì)于“高密度”氣墊船，在航行中飛濺的水花特別大，則應(yīng)考慮在軸上設(shè)“甩水環(huán)”等結(jié)構(gòu)，防止海水進(jìn)入軸承座中。

2 氣墊船軸系中常見(jiàn)的支承軸承和推力軸承

在氣墊船軸系中，無(wú)論是支承軸承還是推力軸承，必須具備足夠的角度調(diào)整性能，以適應(yīng)船體的彈性變形、軸的撓曲以及軸和軸承座安裝時(shí)不可避免的誤差。

完善的軸承安裝設(shè)計(jì)不僅應(yīng)正確選定軸承基礎(chǔ)、軸承結(jié)構(gòu)和軸承配置，還必須考慮軸承周圍的組成部件（即軸、軸承座、緊固件、潤(rùn)滑、密封等），所有這些都應(yīng)列入必須考慮的影響因素。

軸承座材料可以是鋼或鋁合金。考慮到氣墊船軸系會(huì)承受沖擊力或其他動(dòng)態(tài)力，不建議使用灰口鑄鐵、球墨鑄鐵。

軸系中軸承的布置應(yīng)滿足軸系校中計(jì)算，縱向穩(wěn)定性計(jì)算和回旋振動(dòng)計(jì)算的要求［5］。

2.1 軸系中的支承軸承

圖1與圖2分別為浮動(dòng)軸承和定位軸承。其適用于墊升軸系中的支承軸承，均采用了調(diào)心滾子軸承。

圖1 浮動(dòng)軸承

調(diào)心滾子軸承雙列球面滾子，滾子軸線傾斜于軸承的旋轉(zhuǎn)軸線，其外圍滾道呈球面形，滾子可在外圈滾道內(nèi)進(jìn)行調(diào)心，以補(bǔ)償軸的撓曲和同心誤差。調(diào)心滾子軸承也可承受雙向軸向力，其內(nèi)圈用緊定套固定在軸上。

圖2 定位軸承

在所有的滾動(dòng)軸承中，調(diào)心滾子軸承承載能力最大，而且基本不受軸徑大小的影響，可廣泛應(yīng)用在承受強(qiáng)大沖擊力或者難以避免同心誤差和撓曲較大的支承部位。

對(duì)于加工公差：此類支承軸承，其內(nèi)圈承受圓周載荷，緊定套在軸上的配合面為h8，軸承座孔為H7。

調(diào)心滾子軸承安裝也可設(shè)計(jì)成不帶緊定套，但在軸上須設(shè)有軸肩，并且采用擋圈或螺母鎖定。軸承采用脂潤(rùn)滑，脂潤(rùn)滑的選擇按本文“1.6.1”，軸承的密封可選用纖維編織盤(pán)根。此類盤(pán)根導(dǎo)熱性能優(yōu)良，可在軸線速度達(dá)到21.8 m/s狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間工作，盤(pán)根也不會(huì)過(guò)熱，其溫度適用范圍為-40℃～+280℃。

2.2 軸系中的推力軸承

下頁(yè)圖3所示為適用于小型氣墊船推進(jìn)軸系中的推力軸承，采用成對(duì)安裝的角接觸軸承，呈“O”型布置。其不僅能夠承受較高的極限轉(zhuǎn)速，并承受一定的雙向軸向載荷，采用脂潤(rùn)滑和纖維編織盤(pán)根的密封方式。

圖3 推力軸承（適用小型全墊船）

圖4 推力軸承（適用大、中型氣墊船 ）

下頁(yè)圖4所示為適用于大、中型氣墊船推進(jìn)軸系中的推力軸承。它采用了一個(gè)調(diào)心滾子軸承和一個(gè)推力調(diào)心滾子軸承的組合方式。調(diào)心滾子軸承能夠承受徑向力和較小的軸向載荷，推力調(diào)心滾子軸承能夠承受較大的軸向載荷。由于氣墊船正推力遠(yuǎn)大于負(fù)推力，因此，采用推力調(diào)心滾子軸承承受正推力，調(diào)心滾子軸承承受徑向力和負(fù)推力。

這種推力軸承在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要確保向心和推力軸承的外圈滾道曲率中心重合，這樣軸承可以自動(dòng)調(diào)心，以此補(bǔ)償軸和船體的偏斜和彎曲。

該軸承采用油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油可由船上的齒輪箱供給。推力軸承的密封采用三種密封形式，即迷宮密封、唇形密封和箍簧密封的組合。推力調(diào)心滾子軸承在無(wú)應(yīng)力時(shí)由彈簧預(yù)加載，這樣可以確保一個(gè)恒定的最小軸向載荷，使得這種密封性能更可靠。同時(shí)，在軸上設(shè)有“甩油環(huán)”，借助離心力將滑油沿徑向甩出，使滑油進(jìn)入內(nèi)部油槽進(jìn)而達(dá)到密封目的。

對(duì)于加工公差建議如下：

（1）推力調(diào)心滾子軸承，軸n6；軸承座：不受載，車削。

（2）向心調(diào)心滾子軸承，軸m6；軸承座：H7。

3 結(jié) 論

在2.1節(jié)中，我們提到調(diào)心滾子軸承承載能力最大，但并非在氣墊船軸系設(shè)計(jì)中不分場(chǎng)合，一律采用調(diào)心滾子軸承，還要考慮調(diào)心球軸承和調(diào)心滾子軸承“最小載荷”的要求。

所謂“最小載荷”，是指為保證軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不產(chǎn)生打滑，軸承必須承受足夠的載荷。如果載荷不足，軸承會(huì)發(fā)生打滑，在潤(rùn)滑不良的情況下會(huì)導(dǎo)致軸承損壞。

調(diào)心滾子軸承是一種“線接觸”軸承，比“點(diǎn)接觸”的調(diào)心球軸承對(duì)“最小載荷”更敏感。因此，在氣墊船軸系中，能用調(diào)心球軸承的場(chǎng)合，不建議用調(diào)心滾子軸承。