螺旋桨橡胶轴承压力分布分析与结构优化

刘 伟，俞 强，李全超

( 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064)

0 引 言

我国从20世纪70～80年代开始逐步在船舶中采用水润滑橡胶轴承，取代原有的油润滑轴承和铁梨木轴承。与油润滑轴承相比，橡胶轴承具有适应能力强、减振能力好、污染小等特点，因此，在船舶中得到越来越广泛的应用［1］。由于船舶轴系的固有特点，螺旋桨轴承承受螺旋桨集中载荷作用，造成螺旋桨轴承承受的载荷在整个轴瓦表面并不均匀，导致尾轴承边缘效应，局部压力过高。本文采用有限元计算方法，分析轴承压力分布和变形特点，并提出改善轴承压力分布的结构优化及设计方法。

1 桨－轴－轴承有限元接触模型

采用有限元软件Ansys 建立桨－轴－轴承模型，模型主要包括轴、螺旋桨、轴承、弹性联轴器从动端等。其中轴用梁单元(Beam188)模拟，螺旋桨和联轴器用集中质量单元(Mass21)处理。为了合理解决橡胶轴瓦材料和轴段的接触非线性问题，考虑到橡胶是一种超弹性非线性材料，可以产生非常大的应变，采用Mooney－Rivlin模型，应用可模拟超弹、大变形的SOLID185 单元模型橡胶单元。尾轴与橡胶轴瓦条的接触选用三维模型接触问题有限元分析中常用的3D 面－面接触单元Target170、Contact174，设置适当的法向接触刚度和最大穿透容差，采用增广拉格朗日算法进行计算。为了保证梁单元与实体单元之间的良好连接，采用MPC 方式建立接触连接。于本文采用梁单元与实体单元共同计算，而不是所有模型都采用实体单元，不仅可满足计算要求，还可有效节省计算量，提高计算效率。轴系简化模型与接触分析模型如图1所示。

图1 轴系布置及其有限元分析模型Fig.1 Shafting arrangement and its finite analysis model

2 计算结果及与实测结果对比分析

2.1 仿真计算结果分析

在一般的船舶轴系校中计算时，尾轴前轴承、中间轴承、推力轴承径向支撑的支撑点均取沿轴承衬长度中点的位置，尾轴后轴承支撑点距轴承尾端面的距离取1/3 轴承长度。对应接触模型，尾轴后轴承不需进行该设置，但为了便于比较与分析，计算时仍然建立了传统计算模型。轴承负荷计算结果及对比如表1所示。

表1 轴承负荷计算结果Tab.1 Calculation results of bearing load

由轴承负荷计算可知，2 种方法的基本趋势一致，采用接触模型计算时，后轴承受力有所增加，前轴承受力减小。

在螺旋桨－轴重力作用下，轴与轴承主要接触部位主要在后部、下方，靠近螺旋桨端轴承变形最大，最大下垂量为0.659 mm。前端部分轴瓦条与轴不接触。

图2 轴－轴承接触状态及变形、压力分布Fig.2 Contact state，deformation and pressure distribution between shaft and bearing

从橡胶轴瓦条压力分布可以看出，基本上是底部3 块轴瓦受力，长度方向两侧的轴瓦条比底部轴瓦条接触面积更大，最大接触应力也发生在侧部，局部最大压力达到了1.19 MPa 后，底部轴瓦条压力分布从螺旋桨端向首端逐渐减小，直至不接触部位降为0。

2.2 计算结果与实际测量对比分析

由于橡胶材料具有弹性特点，对橡胶轴承压力分布进行测量非常困难，为验证计算结果的准确程度，对实船螺旋桨轴承与尾轴的贴合状态进行测量，分别测量首端与尾端轴瓦正下方尾轴与轴承间隙，对比如表2所示。

表2 螺旋桨轴承首、尾端面压缩量对比Tab.2 Compression deformation of front and after end at proper bearing

从表2 中可以看出，计算结果与实际测量值接近，压力分布也是从尾端面接触状态到首端面的不接触状态。此外，还对运行一段时间的螺旋桨轴承磨损状态进行了检查，如图3所示。由该图可发现，轴承磨损主要在发生在下部3～5 根轴瓦条，尾部比首部磨损更多，这与计算结果中的变形、接触压力分布相一致。

图3 螺旋桨轴承磨损状态Fig.3 Abrasion state of proper bearing

3 轴承结构优化

通过有限元计算可以看出，螺旋桨轴承由于受到螺旋桨集中载荷的作用，不可避免的造成轴承压力分布不均，会在局部产生较高的压力，不利于轴承的工作。根据计算结果可知，轴承前部受力很小甚至不接触，通过相关措施使轴承在整个长度范围内与轴接触、增加接触面积可改善压力分布状态，为此对螺旋桨轴承采用倾斜安装方式或对轴承衬套进行斜镗孔:即使螺旋桨轴承中心线尽量与尾轴挠曲线平齐，提高接触面积、改善贴合状态。

应用Ansys 中的APDL (Ansys Parametric Design Language)建立参数化计算模型，以增加接触面积、改善轴承压力分布为优化目标，以轴承倾斜角度为设计变量进行迭代计算，结果如图4所示，其中倾斜角度计算范围为［0°，0.085°］。

由图4 可知，随着倾斜角度的增加，压力逐渐往首部移动，当取合适的倾斜角度时，轴承与尾轴在整个长度内接触，轴承负荷分布趋于均匀。对于本文中的轴系，当倾斜角度为0.042 5°时达到最优状态，压力分布为0.652～0.797 MPa，如图5所示。

图5 倾斜角度优化后接触及应力状态Fig.5 Contact state and pressure distribution with optimized inclination angle

4 结 语

通过有限元软件建立了桨－轴－轴承接触计算模型，分析了轴承压力分布状与优化方法，通过研究可得出以下结论:

1)计算与实测结果的一致性说明本文的方法可为桨－轴－轴承接触分析提供一种途径;

2)轴承压力由尾向首降低，压力分布不均匀，局部压力过大，而首部出现部分轴瓦条与尾轴不接触的状态;

3)对轴承采取倾斜角度优化与处理可增加接触面积、改善压力分布，减少轴承局部磨损与提高轴承寿命。

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