船舶艉轴承接触压力分布及其影响因素研究.pdf

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1、第39卷第3期2010年6月船海T程SHIP＆．OCEANENGINEERINGV01．39No．3Jun．2010DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2010．03．012船舶艉轴承接触压力分布及其影响因素研究荀振字1，孙长江1，沈红字2，魏颖春3(1．海军驻426厂军代表室．辽宁大连116011；2．哈尔滨工程大学经济管理学院，哈尔滨150001；3．武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063)摘要：为提高艉轴承承载能力，建立船舶艉轴承与艉轴接触模型，应用有限元方

2、法探讨艉轴承接触压力分布及其影响因素。计算结果表明，过大的艉轴转角会导致艉轴承接触面积减小，接触压力分布不均，峰值压力增大。艉轴承弹性模龋、径向间隙、厚度对接触压力分布有明显的影响。如果材料模量与轴承间隙越小，轴承厚度越厚。则压力分布越均匀。关键词：船舶艉轴承；接触压力；弹性模量；径向间隙中图分类号：U664．21文献标志码：A文章编号：1671—7953(2010)03—0048-03为保证艉轴承具有良好的工作性能，对长径比L／D有明确规定，如白合金艉轴承为2．0～2．5，赛龙、橡胶等高分子材

3、料艉轴承为4．0。但由于螺旋桨的悬臂作用，艉轴容易产生过大弯曲变形，艉轴承的实际接触长度较设计长度要短，接触面积要小，导致艉轴承边缘效应，局部压力过高，润滑不良，出现过大的振动与噪声。缩短使用寿命Ll。3]。以船舶后艉轴承为研究对象，探寻轴承接触压力分布状况及其影响因素，以改善艉轴承的使用性能，延长使用寿命。1船舶艉轴承有限元接触模型以36000t散货船为研究对象，建立轴系及艉轴承有限元接触模型H]。散货船的基本参数如下：船舶吨位36000t48主机型号B&W6L67GFCA额定功率9635kW

4、额定转速123r／min中间轴轴径460mm艉轴轴径600mm艉轴承材料白合金艉轴承长径比2．5(长度L一1500mm，内径D=600mm)螺旋桨在空气中的质量14．64×103kg散货船轴系由艉轴、中间轴和曲轴组成，共有7个支承轴承，其中包括2个艉轴承、1个中间轴承、2个推力轴承和2个主轴承。轴系没有推力轴，推力轴承安装在主机内，由艉端(螺旋桨)至首端(曲轴倒数第二个主轴承)全长共16．64m，见图1。采用ANSYS单元库中Beaml88单元模拟589lO111213141一螺旋桨；2一后艉轴

5、承；3一艉轴；4一前艉轴承；5一联轴器；6一中间轴；7一中间轴承；8一飞轮；9一后推力轴承；lO一推力环；11一前推力轴承；12一曲轴；13一曲轴主轴承1#}14一曲轴主轴承2#图l船舶轴系示意图(单位：m)收稿日期：2010—03-02修回日期：2010-04-06基金项目：国家自然科学基金(50979084)。作者简介：苟振宇(1983一)，男，学士，助工。研究方向：热能工程。E-mail：75717759@qq．corn船舶轴系受力状态。轴系以导流罩处为尾端，以主机倒数第二个主轴承处为首端

6、。建模时，导流螺帽、螺旋桨、飞轮、推力环和活塞连杆机构按照集中载荷处理，除艉轴承外，轴承支承处施加垂向约束，艉轴承衬套外边面施加z、Y和2三个方向的约束，首尾按照自由端处理，如图2a)所示。艉轴和与艉轴承相配合的轴段采用8节点实船舶艉轴承接触压力分布及其影响因素研究——苟振宇，孙长江，沈红宁，魏颖春体单元Solidl85进行模拟，在艉轴外表面与艉轴承内表面接触处覆盖一层接触单元，并建立接触对模拟艉轴承真实受力状况。轴系其他部分采用2节点Timoshenko梁Beaml88单元进行模拟[5，见图2

7、b)所示。图2轴系与艉轴承有限元模型由计算结果(见表1)可以得到艉轴承的负荷W=217kN，理论平均比压(轴承设计单位面积比压)为W／(D×L)一0．24MPa。表l各轴承负荷轴承序号12345672171103862797660负荷／kN2艉轴承接触压力分布船舶轴系校中规范要求白合金艉轴承支点应离轴承后端面L／7(L／7—214mm)或者D／3(D／3=200mm)处L6。有限元计算结果表明，艉轴承支点约离轴承后端面150mm处，接触长度L’一255mm，接触宽度D’=260rain，接触面积

8、A约为0．0285rrl2，与规范要求还有一定差距，其原因在于规范中没有考虑船舶的螺旋桨重量和艉轴转角的不同会影响到轴承支承点位置，即使螺旋桨重量相同，如果轴承材料不同，同样也会影响轴承支承点位置。当艉轴承负荷W=217kN时，其接触压力分布如图3所示。12￡蠢：鬟z受了全部负荷，其峰值压力为12．3MPa，是理论平均比压的50倍左右；如果采用赛龙轴承，其接触面积是前者的4倍，峰值压力可降到前者的1／5。由此可见，艉轴承的最高轴承接触压力可能是理论平均比压的几十倍乃至百倍，但过高的峰值压力，会导