一种承载能力高且减振的水润滑尾轴承装置
技术领域
本发明涉及水润滑尾轴承
技术领域
，特别涉及一种承载能力高且减振的水润滑尾轴承装置。背景技术
艉轴承是推进轴系的关键部件，用来承受螺旋桨和传动轴的重量。其中水润滑尾轴承作为将轴系振动传递到基础甚至船体的第一个环节，其减振性能对轴系振动的控制起着重要的作用。水润滑轴承工作条件恶劣，由于其界面处于混合润滑状态，容易发生局部接触摩擦和磨损，产生异常噪声和轴振动。
传统水润滑尾轴承由内衬和衬套组成，衬套采用铜或者不锈钢，内衬材料采用高分子复合材料，例如橡胶(NBR)、赛龙(Thordon)和飞龙(Feroform)等。目前针对水润滑尾轴承减振问题，优化内衬结构和材料改性是两种常见优化方法。在优化内衬结构方面，通过优化轴衬表层几何参数、水槽几何参数或设计表面结构，可以改善轴承的润滑性能，间接降低了轴系振动；内衬材料改性是在现有内衬材料基础上，通过添加少量改性元素或成分，提高轴承性能。但这些优化方法难以同时满足承载能力和减振能力的提升，主要原因在于轴承内衬层同时承担了承载和减振功能需求，但在偏载、重载等恶劣工况下，软质的内衬层会产生显著的挤压变形，内衬优化、微织构等优化方法常常被压实而大幅减弱阻尼效应，单纯优化内衬物性难以很好的调和承载和减振的矛盾。
从隔振的角度看，轴承内衬起到了隔振作用，希望从轴传递到轴承座的振动能量尽量少。根据线性隔振理论，只有当激励频率大于倍隔振系统的固有频率时，系统才具有隔振效果。因此，在激励频率不变的情况下，应尽量减小轴承内衬的固有频率。但为了提高轴承的承载能力，需要轴承具有比较大的刚度，然而高刚度又势必导致较高的固有频率。因此，高承载能力和低固有频率之间的矛盾成为舰船水润滑尾轴承减振技术发展的瓶颈之一。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种承载能力高且减振的水润滑尾轴承装置，解决现有舰船水润滑尾轴高承载能力与低固有频率相矛盾的问题。
本发明采用的技术方案为：一种承载能力高且减振的水润滑尾轴承装置，包括轴承内衬、轴承衬套、密封端盖和阻尼结构，所述轴承内衬与轴承轴套为同轴的筒状结构，轴承内衬的内壁与工作轴配合，轴承内衬的外壁与轴承衬套配合；轴承衬套的外壁与基座相连；所述密封端盖为环形，同轴配置在轴承衬套的端部，密封端盖的内侧壁开设有槽口，槽口与轴承衬套端面之间的密封油腔，密封油腔内注有油液；所述阻尼结构为贯穿轴承衬套两端面的间隙结构，间隙结构分别与两端的密封油腔连通；产生振动时过间隙结构拉伸变形，密封油腔内的油液在间隙结构中轴向吸入和排出。
按上述方案，所述间隙结构包括至少两层在轴承衬套上环形切割的间断式切缝，各圈间断式切缝的直径不同；间断式切缝的径向重合部分形成平行间隙结构，平行间隙结构的切缝形成过油通道；在平行间隙结构上开设有直径大于切缝宽度的通孔作为注油孔。
按上述方案，所述平行间隙结构包括两层环状平行切缝，平行切缝部分重合，部分错开；在两层平行切缝的重合部分增设两条短切缝，形成S型弹簧体，两条短切缝为过油通道；产生振动时S型弹簧体在激振力的作用下产生有节奏的拉伸变形，油液在各切缝内中沿轴向吸入和排出。
按上述方案，每两个对称布置S型弹簧体为一组，多组S型弹簧体沿轴承衬套端面周向均匀间隔分布。
按上述方案，所述平行间隙结构包括三层环状平行切缝，平行切缝均重合的部分形成弹性片，产生振动时弹性片在激振力的作用下会产生弯曲形变，油液在切缝中沿轴向吸入和排出。
按上述方案，平行间隙结构采用电火花切割技术在轴承衬套上制作。
按上述方案，所述密封端盖的内侧设有环形凹槽，环形凹槽内配置有密封环，密封环采用橡胶材料制成。
按上述方案，所述密封端盖上周向间隔开设多个与紧固螺钉适配的螺栓孔，密封端盖通过紧固螺钉固定于轴承衬套端面；所述螺栓孔与S型弹簧体位置交替间隔布置。按上述方案，所述槽口为阶梯槽，阶梯槽与轴承衬套之间形成密封油腔。
本发明的有益效果为：
1.本发明轴承内衬选用高刚度材料，在轴承衬套中增设阻尼结构，轴系运转时，由各种因素产生的振动传递给轴承，阻尼结构在激振力的作用下会产生有节奏的拉伸变形，油液在间隙中沿轴向吸入和排出产生活塞效应，产生较大阻尼从而形成能量耗散，达到减小轴系振动的目的，有效解决了现有轴承存在的高承载能力与低固有频率之间的矛盾，能够在满足水润滑尾轴承高承载能力的同时提供显著的减振效果。
2.本发明中阻尼结构周向间隔排布，阻尼结构之间的未加工材料能够提供较大刚度，也即轴承衬套上也实现了刚度与阻尼的独立设计，能够在提供大阻尼的同时维持足够的刚度。
3.本发明可根据实际工况需求能够针对性选择阻尼结构分布位置与大小，提高轴承工作性能，满足各减振方向与强度的需求，适用于舰船等工作环境复杂且振动噪声要求高的场合中的轴承设计。
4.本发明结构简单，承载力强且减振效果好。
附图说明
图1为本发明的动力学模型图。
图2为本发明的装配示意图。
图3为实施例一的轴承主体结构示意图。
图4为实施例一的阻尼结构示意图。
图5为实施例二的轴承结构示意图。
图6为实施例二的阻尼结构示意图。
图7为本发明中密封端盖安装示意图。
图8为本发明中密封端盖正视图。
图中：1.工作轴；2.水膜内衬刚度；3.轴承；4.衬套结构刚度；5.水膜内衬阻尼；6.衬套结构阻尼；7.轴承衬套；8.密封端盖；9.基座；10.轴承内衬；11.螺栓孔；12.阻尼结构；13.注油孔；14.支撑体；15.平行间隙结构；16.S型弹簧体；17.紧固螺钉；18.弹性片；19.密封环；20.密封油腔；21.紧固螺钉。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图2所示的一种承载能力高且减振的水润滑尾轴承装置，包括轴承内衬10、轴承衬套7、密封端盖8和阻尼结构12，所述轴承内衬10与轴承轴套7为同轴的筒状结构，轴承内衬10的内壁与工作轴1配合，轴承内衬10的外壁与轴承衬套7配合，优选过盈配合固定；轴承衬套7的外壁与基座9相连；所述密封端盖8为环形，同轴配置在轴承衬套7的端部，密封端盖8的内侧壁开设有槽口，槽口与轴承衬套7端面之间形成密封油腔20，密封油腔20内注有油液；所述阻尼结构12和轴承衬套7为一体结构，阻尼结构12为贯穿轴承衬套7两端面的间隙结构，间隙结构分别与两端的密封油腔20连通；产生振动时过间隙结构拉伸变形，密封油腔20内的油液在间隙结构中轴向吸入和排出，产生活塞效应，从而形成能量耗散，达到减小轴系振动的目的。本发明中，可根据实际需要在密封油腔20内填充不同粘度的油液以调整阻尼大小。
优选地，轴承衬套7采用选用碳钢等高刚度材料制作；间隙结构包括至少两层在轴承衬套7上环形切割的间断式切缝，各圈间断式切缝的直径不同；间断式切缝的径向重合部分形成平行间隙结构15，平行间隙结构15的切缝形成过油通道；在平行间隙结构15上开设有直径大于切缝宽度的通孔作为注油孔13。本实施例中，采用电火花切割技术在轴承衬套7上切割切缝形成平行间隙结构15。
优选地，如图7所示，所述密封端盖8的内侧设有环形凹槽，环形凹槽内配置有密封环19，密封环19在与轴承衬套7配合时压紧起到密封作用。本实施例中，环形凹槽有两个，对应配置两个密封环19，密封环19采用橡胶材料制成，置于密封间隙20内外两侧，起严格密封作用。
优选地，如图8所示，所述密封端盖8上周向间隔开设多个与紧固螺钉17适配的螺栓孔11，密封端盖8通过紧固螺钉17固定于轴承衬套7端面；所述螺栓孔11与S型弹簧体16位置交替间隔布置，防止螺栓孔11与含油间隙距离过近削减刚度。
优选地，所述槽口为阶梯槽，阶梯槽与轴承衬套7之间形成密封油腔20，注油后密封油腔20内充满油液，在振动时产生阻尼发挥减振作用。试验表明端部密封可显著影响油膜阻尼结构12的阻尼系数，且密封间隙20的宽度与阻尼系数成负相关，针对使用设备工况设置阶梯槽深度。
实施例一
如图3和图4所示，所述平行间隙结构15包括两层环状平行切缝，平行切缝部分重合，部分错开；在两层平行切缝的重合部分增设两条短切缝，形成S型弹簧体16，两条短切缝也为过油通道；产生振动时S型弹簧体16在激振力的作用下产生有节奏的拉伸变形，油液在各切缝内中沿轴向吸入和排出，产生活塞效应，从而形成能量耗散，达到减小轴系振动的目的。
优选地，每两个对称布置S型弹簧体16为一组，多组S型弹簧体16沿轴承衬套7端面周向均匀间隔分布。本实施例中，S型弹簧体16能够提供较大阻尼但刚度较低，而两组S型弹簧体16之间未被加工，作为支撑体14，提供较大刚度。
本发明中，同一组内的两个S型弹簧体16，对称布置使得二者作用产出的阻尼效果指向轴心。S型弹簧体16位置与形状通过三个角a、b、c来限定，角a为中间注油孔和轴心连线与S型弹簧体16中线的夹角，以确定S型弹簧体16位置；角b为S型弹簧体16两端端点与轴心连线的夹角，以确定S型弹簧体16形状；角c为注油孔和轴心连线与同侧S型弹簧体16端点的夹角，可以用于调整间隙的整体长度以调整注油量。通过调整三个角的角度，能够针对性设计S型弹簧体16分布位置与大小，满足各方向减振效果与刚度需求。
实施例二
如图5和图6所示，所述平行间隙结构15包括三层环状平行切缝，平行切缝均重合的部分形成弹性片18，产生振动时弹性片18在激振力的作用下会产生弯曲形变，油液在切缝中沿轴向吸入和排出。中间层切缝分为左右两段，与上下两层切缝形成左右对称的双层弹性片18。弹性片18所形成的阻尼结构其余特征与S型弹簧体16所形成的阻尼结构相似。本实施例可提供大阻尼力且在高载荷下也具有良好线性特征。
本发明中，阻尼结构12由使用电火花切割技术在轴承衬套7上加工而成；平行间隙结构15沿轴承周向分布，设有注油孔13，可填充不同粘度的油液以调整阻尼大小；各间隙之间材料形成弹性可变结构，与油膜一同作用提供阻尼实现减振。平行间隙结构15能够提供较大阻尼但刚度较低，不同组间隙结构之间的材料作为支撑结构能够提供较大刚度，可通过设定位置分布角度与形状分布角度确定位置形状，以满足不同方位上对刚度与阻尼的需求。
本发明所述水润滑尾轴承装置，将承载和减振功能分离，在轴承衬套7切缝形成阻尼结构12。作为承载结构的轴承内衬10结构和材料不变，采用铜或者不锈钢等高刚度材料以提供较大承载能力，保留轴承内衬10的摩擦学性能，包括自润滑性、低摩擦性和耐磨性；阻尼结构12作为减振结构可提供大阻尼c2，同时具有较高的刚度k2以满足承载需要，实现在尽量少的削弱轴承承载能力的情况下耗能减振，可以在保证轴承的高承载能力的同时保证轴承的显著减振效果。
本发明的动力学模型原理如图1所示，工作轴1质量为m1，轴承3质量为m2。工作轴1在正常工作时与轴承3没有直接接触，二者之间会产生一层水膜。工作轴1和水膜相接触，工作轴1受到扰动力F会产生位移响应x1，通过水膜传递给轴承3使之产生位移响应x2。水膜和轴承内衬会产生水膜内衬刚度2和水膜内衬阻尼5，分别用k1和c1表示，该部分主要起承载作用；附带阻尼结构的轴承衬套能够在满足高承载能力的同时提供显著的阻尼效果，即拥有足够的衬套结构刚度4和显著的衬套结构阻尼6，分别用k2和c2表示，c2相对较大以保证显著的阻尼效果，k2相对较大以保证轴承的承载能力足够。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
