吴志猛，彭方跃，祝 然
（1.上海涟屹轴承科技有限公司，上海 201100；
2.上海前瞻创新研究院有限公司，上海 201100）
水润滑艉轴承是船舶动力系统的主要组成部分[1-5]，主要承受艉轴和螺旋桨的重力及其转动带来的惯性力。水润滑轴承的性能是制约船舶服役能力的重要因素之一，因此准确合理的测试水润滑轴承的性能对提高船舶的服役能力有很重要的影响。
目前对于水润滑艉轴承的测试试验台没有统一的标准[6-8]，本文根据船舶艉轴承的工作环境进行试验台的设计，测试过程中艉轴承始终在水中运转。试验台主要由主轴、水箱、加载装置、调速装置等机械系统还有传感器、控制箱等电器系统组成[9-12]，试验台结构组成如图1 所示。
图1 试验台结构组成
主轴轴承模块主要由测试轴承、艉轴及其支撑台架组成（图2）。该部分主要模拟船舶中的艉轴和轴承的结构，轴承为复合材料轴承，安装在轴和外壳之间。
图2 艉轴和轴承模块
图3 为在测试过程中浸泡轴和轴承的水箱，水箱装满水淹没轴和轴承，模拟水润滑艉轴承的运行环境。水箱上设有窥视孔，可以在轴转动过程中观看水的流态。
图3 水箱
试验台通过液压装置加载载荷，液压施加向下的压力在主轴的两端，主轴在液压力的作用下在测试轴承上施加向下的压力，轴承受力的大小可以通过液压油的压力进行控制。试验台上施加在轴承上的压力值可以在主板结构上进行加载，加载装置如图4 所示。
图4 液压加载装置
主轴通过电机带动，电机为无极调速电机，电机通过变频器调速。本试验台可以支撑主轴在500 r/min 以内的转速运行。转速调节按钮安装在控制主板上。图5 为加载转速的电机与测试的主轴轴承之间的传动轴装置。该装置只传递扭矩不传递轴向力，过滤电机轴轴向力的影响。
图5 主动轴与从动轴之间的连接装置
图6 为试验台的主板控制模块，主要通过主板进行主轴转速的调节和载荷大小的设定，主轴的启动、摩擦转矩的测量显示都在主板读取。
图6 主板控制模块
试验台的传感器主要有压力传感器和温度传感器，温度传感器分为两种：一种为外置温度传感器，一种为内置温度传感器。
外置温度传感器安装在水箱内控制水箱的水温，因为水箱中安装了加热棒，当需要给水加热时，开启加热棒，通过安装在水箱4 个角上温度传感器测量加热后的水温。加热棒和温度传感器交错安装，避免安装在一处，以保证测得的水温为水箱中水的平均水温，加热棒周围的水温要高于水箱中的平均水温，因此外置传感器与加热棒交错布置。
内置温度传感器安装在轴承的下方，主要用来测量轴承内孔在运行过程中的温度。将轴承内壁的前、中、后三端打孔，孔不直接穿透轴承，为轴承内壁上的盲孔，距离内壁5 mm 左右。内置传感器测得的温度为轴承承载面的平均温度。内置温度传感器测得的温度信号传至控制主板，可以在主板的参数中直接读出。
压力传感器也为内置传感器，主要测量轴承承受载荷的大小，压力传感器共有2 个，分别位于轴承前后两端。与液压加载装置相配合，通过调节压力来改变轴承承受的载荷。轴承的压力值也可以在主板控制模块上设定，来增加或减小轴承承受的压力。当前端的压力设定值与轴承后端的压力设定值不相同时，轴承处于偏载状态。偏载会加速轴承的磨损，因此在设定前后加载的数值时应该避免轴承前后两端受到不同的压力。
在软件中设计完成的试验台的总装图如图7 所示，试验台实物如图8 所示。本试验台从设计到搭建完成花费数月的时间，根据设计尺寸加工组装零件，然后进行安装调试，目前该试验台可以进行水润滑艉轴承的润滑承载性能测试。
图7 轴承测试试验台设计总装
图8 轴承测试试验台
经过实际测试发现，当主轴的转速较高时，轴承处于良好的润滑状态，此时测得的摩擦因数和摩擦力矩较小，轴承与转动的主轴通过水膜隔开，水膜承载施加在轴承上的负载。当载荷较小时，轴承表面的摩擦因数和摩擦力矩较小，此时轴承处于动压润滑状态。动压润滑状态是转动的主轴与轴承分离的一种状态，在该状态下轴承处于良好的工作状态，磨损量较小。
当轴承处于良好的润滑状态时，轴承与主轴之间的润滑水将摩擦产生的热量逐渐带走，轴承表面的温度没有明显的变化。当转速从高到低调整时，轴承的动压润滑状态被破坏，摩擦因数明显升高，轴承与转动的主轴局部接触，此时容易出现轴承的局部磨损。当转速由底到高调整时，轴承的润滑状态逐渐好转，摩擦因数逐渐减小，水膜厚度逐渐增加，水膜的承载能力也在增加，此时轴承的磨损量逐渐减小。
当载荷由小变大时，水膜厚度减小，轴承与主轴局部接触，轴承温度增加，容易出现局部磨损。当载荷由大变小时，水膜厚度增加，润滑状态改善，轴承温度没有明显变化。因此，轴承在高速轻载的运行条件下具有良好的润滑性能。
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