水潤滑阻尼型尾軸承有限元仿真計(jì)算研究

王明新

（海裝艦艇部，北京 100071）

0 引言

船舶水潤滑尾軸承（前尾軸承，中間尾軸承，后尾軸承）支撐著尾軸和螺旋槳，是外部和內(nèi)部動力交換的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。由于螺旋槳重力的懸臂作用，后尾軸承產(chǎn)生嚴(yán)重的“邊緣效應(yīng)”，導(dǎo)致后尾軸承與尾軸的接觸面積減少，尾端接觸變形與接觸壓力增大，難以形成動壓潤滑，產(chǎn)生摩擦振動以及不均勻磨損等問題，嚴(yán)重地影響后尾軸承的使用壽命[1,2]。

目前，普通水潤滑尾軸承的內(nèi)襯多使用賽龍、飛龍等非金屬材料，這些材料彈性模量雖然比白合金低些，但對克服“邊緣效應(yīng)”狀況仍存在有局限性。

為了較好解決后尾軸承“邊緣效應(yīng)”問題，擬采用阻尼型軸承（后尾軸承）代替普通軸承（后尾軸承），以增加后尾軸承接觸面積，降低接觸壓力，從而提高尾軸承的使用性能。

1 普通軸承和阻尼型軸承

普通軸承一般由內(nèi)襯和襯套組成，阻尼型軸承則由外襯套、阻尼層（橡膠）、內(nèi)襯套、內(nèi)襯組成（圖1），即在普通軸承的襯套外面包裹一層阻尼材料（如橡膠等），阻尼層外安裝有外襯套。阻尼層厚度、長度，以及布置方式可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。。

圖1 阻尼型軸承示意圖

在螺旋槳重力作用下，阻尼型軸承由于阻尼層會發(fā)生一定變形，使得軸承與尾軸接觸面積增大，局部壓力降低，從而減輕由于軸承局部壓力過大所引起的嚴(yán)重磨損。同時(shí)又由于橡膠具有吸振功能，因此該阻尼型軸承具有自位和減振的雙重作用。阻尼型軸承的材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 阻尼型軸承參數(shù)

2 尾軸承接觸仿真分析

按照某船舶軸系及其尾軸承尺寸（表2，表3），采用有限元軟件ANSYS的實(shí)體單元Solid45，分別建立普通尾軸承與阻尼型尾軸承軸系實(shí)體模型（圖2），對后尾軸承外表面施加全約束，在中間尾軸承、前尾軸承上施加徑向約束，軸系首端端點(diǎn)施加軸向和徑向上約束，并對尾軸承及其軸系劃分網(wǎng)格，如阻尼型軸承A3及其軸系模型共有149594個(gè)節(jié)點(diǎn)、145188個(gè)單元[3,4]。普通尾軸承的內(nèi)襯、襯套等材料彈性模量與阻尼型材料相同，見表1所列。

表2 某船舶軸系尺寸

表3 普通尾軸承結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 尾軸及尾軸承三維有限元模型

2.1 后尾軸承支反力

在中間尾軸承、前尾軸承相同情況下，對含有不同類型后尾軸承的軸系進(jìn)行校中計(jì)算，求得各軸承的支反力[5]，如表4所示。

表4 不同類型尾軸承支反力對比

由表4可知，在后尾軸承中，阻尼型軸承的支反力均大于普通軸承，并隨著橡膠阻尼層厚度的增加，由于后尾軸承變形增加，支點(diǎn)位置向前移動，支反力出現(xiàn)增大趨勢。在含有阻尼型軸承軸系中，中間尾軸承支反力均小于普通軸承的軸系，兩者的前尾軸承支反力則變化不是很大。

2.2 后尾軸承的變形狀況

圖3 不同類型后尾軸承變形分布云

圖4 不同類型后尾軸承接觸壓力云圖

表5 后尾軸承最大變形

從圖3、表5可看出，阻尼型軸承的最大變形、變形范圍均大于普通軸承，其中阻尼型軸承A3最大變形是普通軸承的3.77倍。變形越大，接觸面積增加，有利于降低最大接觸壓力。變形大小實(shí)際上與尾軸承的剛度密切相關(guān)，剛度越小，變形越大。這四種軸承中，普通軸承的剛度最大（19000MN/m），阻尼型軸承相對較小，并隨著阻尼層厚度的增加而減小，其最大變形、變形范圍也隨之而增大。

2.3 后尾軸承接觸壓力[6]

圖4為普通軸承和阻尼型軸承接觸壓力云圖。由圖可見，阻尼型軸承類型A1、A2、A3的主要區(qū)別是其橡膠阻尼層的厚度不一樣，受力后變形程度不同，導(dǎo)致接觸壓力分布狀況發(fā)生變化。表6是不同類型的后尾

圖3和表5分別為普通軸承和阻尼軸承的變形云圖和最大變形。軸承最大接觸壓力對比。

表6 不同類型后尾軸承最大接觸壓力對比

由表6可見，阻尼型軸承最大接觸壓力遠(yuǎn)小于普通軸承，其中阻尼型軸承A3下降了26.03%。隨著阻尼層厚度的增加，阻尼型軸承的最大接觸壓力呈下降趨勢，如阻尼層厚度30mm較10mm下降了13.6%。

各種后尾軸承底部接觸壓力沿軸向分布狀況基本相似（圖5），在離尾端一定距離處（A）接觸壓力最大，原因是軸承尾端面沒有約束，受到垂向作用力后，產(chǎn)生向后伸長變形，使得接觸壓力峰值前移。

圖5 不同類型后尾軸承底部軸向接觸壓力分布

由圖5可見，各類后尾軸承在距后端面約750mm處（B點(diǎn)）的接觸壓力都在0.33MPa左右。從接觸長度上看，阻尼型軸承接觸長度大于普通軸承（約1050mm）。阻尼型軸承A1、A2、A3分別約為1110mm、1200mm、1230mm。由此可見，隨著阻尼層厚度的增加，后尾軸承的接觸長度增加，但當(dāng)阻尼層厚度大于30mm時(shí)，接觸長度的增加不明顯。

3 結(jié)束語

通過阻尼型軸承和普通軸承的有限元仿真計(jì)算對比，說明前者可以增加接觸面積，降低最大接觸壓力，減小由螺旋槳重力懸臂引起的“邊緣效應(yīng)”。

1）阻尼型軸承隨著橡膠阻尼層厚度的增加，后尾軸承變形增加，支點(diǎn)位置向前移動，支反力出現(xiàn)增大趨勢。在整個(gè)尾軸承軸系中，含有阻尼型軸承的后尾軸承支反力均大于普通尾軸承軸承軸系，中間尾軸承支反力均小于普通尾軸承軸系，前尾軸承支反力則變化不大。

2）三種阻尼型軸承的最大變形、變形范圍均大于普通軸承，其中阻尼型軸承A3最大變形是普通軸承的3.77倍。后尾軸承的變形大小與其剛度密切相關(guān)，剛度越小，變形越大。阻尼型軸承A3剛度僅為普通軸承剛度的16%，所以前者的變形遠(yuǎn)大于后者。

3）種阻尼型軸承的接觸壓力峰值均遠(yuǎn)小于普通軸承，其中阻尼型軸承A3下降了26.03%；隨著阻尼層厚度的增加，阻尼型軸承的接觸壓力呈下降趨勢，如阻尼層厚度30mm與10mm相比，下降了13.6%。

[1]張霞.水潤滑軸承的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].裝備制造技術(shù), 2008(1):101-102.

[2]Litwin Wojciech.Water lubricated marine stern tube bearings-Attempt at estimating hydrodynamic capacity[C].Proc.ASME/STLE Int.Jt.Tribol.Conf., IJTC.2010: 179-181.

[3]尚曉江.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法及范例應(yīng)用[M].北京: 中國水利水電出版社, 2005.

[4]魏穎春.基于有限元法的船舶尾軸承承載仿真研究[D].武漢: 武漢理工大學(xué).2009.

[5]American Bureau of Shipping, Marine Engineering Systems Department. Shaft alignment optimization software user manual & theoretical backgrounds [M].2006.

[6]荀振宇, 孫長江.船舶尾軸承接觸壓力分布及其影響因素研究[J].船海工程, 2010,39:48-50.