水润滑阻尼型尾轴承有限元仿真计算研究

王明新

（海装舰艇部，北京 100071）

0 引言

船舶水润滑尾轴承（前尾轴承，中间尾轴承，后尾轴承）支撑着尾轴和螺旋桨，是外部和内部动力交换的一个重要环节[1]。由于螺旋桨重力的悬臂作用，后尾轴承产生严重的“边缘效应”，导致后尾轴承与尾轴的接触面积减少，尾端接触变形与接触压力增大，难以形成动压润滑，产生摩擦振动以及不均匀磨损等问题，严重地影响后尾轴承的使用寿命[1,2]。

目前，普通水润滑尾轴承的内衬多使用赛龙、飞龙等非金属材料，这些材料弹性模量虽然比白合金低些，但对克服“边缘效应”状况仍存在有局限性。

为了较好解决后尾轴承“边缘效应”问题，拟采用阻尼型轴承（后尾轴承）代替普通轴承（后尾轴承），以增加后尾轴承接触面积，降低接触压力，从而提高尾轴承的使用性能。

1 普通轴承和阻尼型轴承

普通轴承一般由内衬和衬套组成，阻尼型轴承则由外衬套、阻尼层（橡胶）、内衬套、内衬组成（图1），即在普通轴承的衬套外面包裹一层阻尼材料（如橡胶等），阻尼层外安装有外衬套。阻尼层厚度、长度，以及布置方式可根据实际需要进行调整。。

图1 阻尼型轴承示意图

在螺旋桨重力作用下，阻尼型轴承由于阻尼层会发生一定变形，使得轴承与尾轴接触面积增大，局部压力降低，从而减轻由于轴承局部压力过大所引起的严重磨损。同时又由于橡胶具有吸振功能，因此该阻尼型轴承具有自位和减振的双重作用。阻尼型轴承的材料相关参数如表1所示。

表1 阻尼型轴承参数

2 尾轴承接触仿真分析

按照某船舶轴系及其尾轴承尺寸（表2，表3），采用有限元软件ANSYS的实体单元Solid45，分别建立普通尾轴承与阻尼型尾轴承轴系实体模型（图2），对后尾轴承外表面施加全约束，在中间尾轴承、前尾轴承上施加径向约束，轴系首端端点施加轴向和径向上约束，并对尾轴承及其轴系划分网格，如阻尼型轴承A3及其轴系模型共有149594个节点、145188个单元[3,4]。普通尾轴承的内衬、衬套等材料弹性模量与阻尼型材料相同，见表1所列。

表2 某船舶轴系尺寸

表3 普通尾轴承结构尺寸

图2 尾轴及尾轴承三维有限元模型

2.1 后尾轴承支反力

在中间尾轴承、前尾轴承相同情况下，对含有不同类型后尾轴承的轴系进行校中计算，求得各轴承的支反力[5]，如表4所示。

表4 不同类型尾轴承支反力对比

由表4可知，在后尾轴承中，阻尼型轴承的支反力均大于普通轴承，并随着橡胶阻尼层厚度的增加，由于后尾轴承变形增加，支点位置向前移动，支反力出现增大趋势。在含有阻尼型轴承轴系中，中间尾轴承支反力均小于普通轴承的轴系，两者的前尾轴承支反力则变化不是很大。

2.2 后尾轴承的变形状况

图3 不同类型后尾轴承变形分布云

图4 不同类型后尾轴承接触压力云图

表5 后尾轴承最大变形

从图3、表5可看出，阻尼型轴承的最大变形、变形范围均大于普通轴承，其中阻尼型轴承A3最大变形是普通轴承的3.77倍。变形越大，接触面积增加，有利于降低最大接触压力。变形大小实际上与尾轴承的刚度密切相关，刚度越小，变形越大。这四种轴承中，普通轴承的刚度最大（19000MN/m），阻尼型轴承相对较小，并随着阻尼层厚度的增加而减小，其最大变形、变形范围也随之而增大。

2.3 后尾轴承接触压力[6]

图4为普通轴承和阻尼型轴承接触压力云图。由图可见，阻尼型轴承类型A1、A2、A3的主要区别是其橡胶阻尼层的厚度不一样，受力后变形程度不同，导致接触压力分布状况发生变化。表6是不同类型的后尾

图3和表5分别为普通轴承和阻尼轴承的变形云图和最大变形。轴承最大接触压力对比。

表6 不同类型后尾轴承最大接触压力对比

由表6可见，阻尼型轴承最大接触压力远小于普通轴承，其中阻尼型轴承A3下降了26.03%。随着阻尼层厚度的增加，阻尼型轴承的最大接触压力呈下降趋势，如阻尼层厚度30mm较10mm下降了13.6%。

各种后尾轴承底部接触压力沿轴向分布状况基本相似（图5），在离尾端一定距离处（A）接触压力最大，原因是轴承尾端面没有约束，受到垂向作用力后，产生向后伸长变形，使得接触压力峰值前移。

图5 不同类型后尾轴承底部轴向接触压力分布

由图5可见，各类后尾轴承在距后端面约750mm处（B点）的接触压力都在0.33MPa左右。从接触长度上看，阻尼型轴承接触长度大于普通轴承（约1050mm）。阻尼型轴承A1、A2、A3分别约为1110mm、1200mm、1230mm。由此可见，随着阻尼层厚度的增加，后尾轴承的接触长度增加，但当阻尼层厚度大于30mm时，接触长度的增加不明显。

3 结束语

通过阻尼型轴承和普通轴承的有限元仿真计算对比，说明前者可以增加接触面积，降低最大接触压力，减小由螺旋桨重力悬臂引起的“边缘效应”。

1）阻尼型轴承随着橡胶阻尼层厚度的增加，后尾轴承变形增加，支点位置向前移动，支反力出现增大趋势。在整个尾轴承轴系中，含有阻尼型轴承的后尾轴承支反力均大于普通尾轴承轴承轴系，中间尾轴承支反力均小于普通尾轴承轴系，前尾轴承支反力则变化不大。

2）三种阻尼型轴承的最大变形、变形范围均大于普通轴承，其中阻尼型轴承A3最大变形是普通轴承的3.77倍。后尾轴承的变形大小与其刚度密切相关，刚度越小，变形越大。阻尼型轴承A3刚度仅为普通轴承刚度的16%，所以前者的变形远大于后者。

3）种阻尼型轴承的接触压力峰值均远小于普通轴承，其中阻尼型轴承A3下降了26.03%；随着阻尼层厚度的增加，阻尼型轴承的接触压力呈下降趋势，如阻尼层厚度30mm与10mm相比，下降了13.6%。

[1]张霞.水润滑轴承的研究现状与发展趋势[J].装备制造技术, 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]尚晓江.ANSYS结构有限元高级分析方法及范例应用[M].北京: 中国水利水电出版社, 2005.

[4]魏颖春.基于有限元法的船舶尾轴承承载仿真研究[D].武汉: 武汉理工大学.2009.

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

[6]荀振宇, 孙长江.船舶尾轴承接触压力分布及其影响因素研究[J].船海工程, 2010,39:48-50.