大型推力关节轴承结构有限元分析

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1、船海工程2004年第2期(总第巧9期)文章编号:1671-7963(2004)02-25-03大型推力关节轴承结构有限元分析刘六井高伟(华中科技大学，武汉430074)摘要:采用ANSYS分析计算大型推力关节轴承分别承受轴向、径向和轴径向复合载荷时，轴承内外圈接触表面压力分布规律、压力与变形间的关系，为该类轴承的设计与结构优化提供理论依据，以提高轴承在实际使用中的可靠性与安全性。关键词:关节轴承;接触压力;变形中图分类号二u664.21文献标识码:AAbstract;Astothelarge-scalethrustjointbear

2、ing,theauthorscalculatethepressuredistributiononitsinnerandoutcontactsurfaceaswellastherelationshipbetweenpressureanddeformationundertheloadcasesofaxialforce,radialforceandcomplexloadingrespectively.Thenumericalresultscanbeusedtothedesignandstructuraloptimizationinorde

3、rtoen-hancebothofreliabilityandsafetyofthebearing.Keywords;jointbearing;contactpressure;deformation1引言2结构与工况推力关节轴承由一个外座圈和一个内圈(球2.1结构体)组成。关节轴承结构简单、体积小、承受载荷用于喷水推进水翼船翼柱上的大型推力关节大，在工业和军事工程有着重要的用途。轴承结构及主要参数见图1、表1。外座圈内球面工作时，推力关节轴承主要承受轴向载荷，但的球心(球体外球面球心)与外座圈中截面(高度也承受一定的径向载荷，轴承的

4、接触球面压力和方向，即Ht,H2处)的距离为偏心距e。偏心距变形沿轴向有较大的梯度，使得轴与轴承的正常的大小对轴承接触表面压力分布和润滑状况有很配合受到影响，容易产生卡咬现象，这种现象常导大的影响。致灾难性的后果〔’〕。「一--一一D口i11一一---一门目前，利用有限元素法对大型关节轴承的纯径向受载和纯轴向受载作了一些研究，但对轴径料R关节轴承摹弃镶’J一—一外座圈向复合受载时，轴承的压力和变形计算方面的报关节轴图1关节轴承结构图承球体导则不多。根据国外有关文献资料介绍，当两球面以很小的间隙接触时，由于接触区内的最大应表1推力关节

5、轴承零件结构主要参数力计算有一定困难，都是按平均假定接触应力予名称材料H,D,从DZRe以计算。以平均接触应力为基础的计算结果跟轴外座圈磷青铜9019016.5承的局部实际受力与变形差异较大，这对轴承材球体合金钢330100料的选择及结构的优化产生一定的影响。因此，2.2材料进一步开展关节轴承材料、结构、受力、变形等方该推力关节轴承的材料有关参数见表20面的研究对于大型关节轴承的结构改进，更新换表2推力关节轴承材料主要参数代，提高其安全性、可靠性将具有重要意义。弹性模量密度强度名称材料泊松比/MN/kg"m一3/MPa外座圈磷青铜0

6、.9x1050.338760250收稿日期2004-01-07球体合金钢2.06x1护0.267750981作者简介刘六井(1962一)，男，学士，高级工程师万方数据大型推力关节轴承结构有限元分析—刘六井高伟2.3使用工况此。所以采用ANSYS有限元法进行分析计算。推力关节轴承是喷水推进水翼船翼柱上的关3.1.1建模总思路键支撑元件，它将水动力在水翼上所产生的举力根据推力关节轴承的两个配合球面的关系，传递给船体，使船舶几乎脱离水面高速运行。水并结合ANSYS软件的特点，确定采用柔体一柔体翼船的经济航速范围为55一75km/h，超高速

7、水翼的面面接触单元进行模拟计算[3,41。在实际工况船航速可达100knL/h(54kn)左右。下，轴承的两配合球面间存在一定范围的微小间推力关节轴承在水翼船翼柱上的安装见图2隙(与ANSYS建模的尺寸误差相当)，同时球面间所示。翼柱由上、下两个推力关节轴承支撑，轴各部分的润滑状况也有一定差别。承球体内孔与翼柱衬套间为间隙配合;翼柱下端为方便建模和提高计算结果的收敛性，在建与水翼相连，水翼上所产生的轴向力W和径向力模时忽略球面间的间隙，不考虑润滑状况的影响，N通过安装在翼柱上的止推套环作用在翼柱的下并假定加载前两接触球面刚好完全接触

8、。推力关节轴承上。在纯轴向加载模型中，静摩擦力承担了相当一部分的轴向载荷。为避免因忽略静摩擦力而带关节轴承内圈来过大的计算偏差，取两接触球面间的摩擦系数为0.巧，其它加载模型中的摩擦力影响不大，在船体模拟计算中予以忽略。关节轴承内圈3