水润滑艉轴承水膜厚度与压力数值计算分析.pdf

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1、第４３卷第２期船海工程Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．２２０１４年４月ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡｐｒ．２０１４ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１-７９５３．２０１４．０２．０４１水润滑艉轴承水膜厚度与压力数值计算分析１２２姜涛，周建辉，吴炜（１．海军驻大连４２６厂军事代表室大连１１６０００；２．中国舰船研究设计中心武汉４３００６４）摘要：考虑到进行艉轴承水膜厚度与压力计算时须考虑内衬材料的弹性变形，以提高艉轴承弹性流体动压计算精度，应用有限元法方法求得艉轴承内衬的弹性变形，结合雷诺方程求得计入

2、弹性变形后的艉轴承水膜厚度与压力分布，并与流体动压润滑进行对比。结果表明，水润滑艉轴承弹流润滑计算得到的水膜压力减小，水膜厚度增大；艉轴是否倾斜对弹流动压润滑计算结果有明显影响。在相同工况下，随着艉轴倾斜率的增大，弹流润滑最大水膜压力上升，最小水膜厚度减小。关键词：船舶水润滑艉轴承；有限元法；数值分析；液膜压力；液膜厚度中图分类号：Ｕ６６４．２１文献标志码：Ａ文章编号：１６７１-７９５３（２０１４）０２-０１５７-０５水润滑艉轴承结构简单，不产生滑油污染，在轴承内衬与轴衬套的相关几何参数和材料物［１］船舶上使

3、用越来越多。但由于水润滑轴承内衬理性能参数见表１、表２所列。材料多为高分子材料，变形比较大，如不考虑弹性变形会对轴承水膜压力与厚度的计算精度产生影响。文献［３-４］讨论了橡胶高弹性材料的弹性变形、初值选取对水润滑轴承弹流润滑计算的影响，但未涉及飞龙、赛龙等其它轴承高分子材料，也未考虑船舶艉轴倾斜的影响，在工程实际应用中有一定的局限性。飞龙、赛龙是舰船水润滑艉轴承常用图1轴承结构示意的高分子材料，自润滑性能好，弹性模量比橡胶大，但却比金属材料低得多。其变形量及最小膜厚比值与橡胶材料一样，不是一个高阶无穷小量。若

4、忽略这个变形量，水膜厚度与压力以及承载能力的计算将产生较大误差，尤其在艉轴倾斜时更为严重。因此，计算时应考虑轴承内衬弹性变形和艉轴倾斜，这有助于提高承载能力的计算精度，以满足轴承负荷设计要求。图2船舶艉轴承装配示意表1轴承的几何参数１艉轴承结构及装配轴承内衬轴承水槽水槽水粘度轴承船舶水润滑艉轴承由外衬、内衬组成。外衬内径厚度长度夹角个数（２０℃）间隙为铜套，内衬多为飞龙等非金属材料，见图１。艉／ｍｍ／ｍｍ／ｍｍ／（°）／个／（Ｐａ·ｓ）／ｍｍ轴承与螺旋桨轴的装配见图２。３５０４５３５０４１００．００１１表2轴

5、承内衬与轴衬套材料物理性能收稿日期：２０１４－０１－１６轴衬套轴承内衬修回日期：２０１４－０２－２６弹性模量弹性模量第一作者简介：姜涛（１９８５-），男，学士，助理工程师泊松比泊松比／ＧＰａ／ＭＰａ研究方向：舰艇动力２０６０．４４４００．４５E-mail：１７４８９９２４９＠ｑｑ．ｃｏｍ１５７第２期船海工程第４３卷２２ｄΔφ３ｄΔφ３２弹流润滑求解流程Ｃｉ，ｊ＝ｌΔλＨｉ，ｊ＋１／２；Ｄｉ，ｊ＝ｌΔλＨｉ，ｊ－１／２；2．1不计弹性变形的水膜压力与厚度计算Ｅｉ，ｊ＝Ａｉ，ｊ＋Ｂｉ，ｊ＋Ｃｉ，ｊ＋Ｄｉ，ｊ；假定

6、轴承在流体动压润滑状况下，求解轴承Ｆｉ，ｊ＝３Δφ（Ｈｉ＋１／２，ｊ＋Ｈｉ－１／２，ｊ）。［５］上式可产生（ｍ－１）×（ｎ－１）个方程，在给水膜厚度与压力可应用雷诺方程３３定的膜厚ｈ下可求解ｐ抄h抄p抄h抄p抄hｉ，ｊ。在水膜压力ｐｉ，ｊ作用＋＝６Uη（１）抄xη抄x抄yη抄y抄x下，轴承内衬所产生的变形通过有限元法来求解。式中：h———水膜厚度；2．2有限元法求解轴承弹性变形η———水的粘度；作用于轴承的水膜压力属于分布力ｐ（ｓ）。U———滑动速度；在弹性力学中，若有分布力作用于半无限平面上，p———压强。

7、那么在宽度为dｓ的微元上将产生ｐ（ｓ）dｓ的集中令φ＝x／r，λ＝z／（l／２），力，见图４。分布力ｐ（ｓ）在Ｍ处所产生的弹性变［６-７］H＝h／c＝１＋εｃｏｓ（φ－θ）（２）形方程为２S２式中：ε———偏心率；１－μ２δ（x）＝－∫p（s）ｌｎ（x－s）ｄs＋C（５）θ———偏位角；πES１ｃ———轴承半径间隙。Ｐ＝ｐ／ｐ０，ｐ０＝２ωμ／ψ２，ψ＝ｃ／ｒ为相对间隙，即可得到量纲-的量形式２抄３抄Pd抄３抄P抄HH＋H＝３（３）抄φ抄φl抄λ抄λ抄φ求解时，将艉轴承展开成一平面模型，见图３。图4分布力作用

8、下的变形应用有限元方法求解轴承内衬弹性变形时，将连续体离散成有限个微小单元，如正六面体微小单元由８个节点组成，每个节点有３个位移自由度，共有２４个，见图５。图3网格划分示意模型周向（φ方向）与轴向（λ方向）分别分成ｍ、ｎ份。每个节点位置用（ｉ，ｊ）表示，ｉ＝１～ｍ＋１，步长为Δφ＝（φ２－φ１）／ｍ；ｊ＝１～ｎ＋１，步抄ｐ抄ｐ长为Δλ＝２／ｎ；节点压力为ｐｉ，ｊ。和可用相抄φ抄λ邻节点上的压力值的差