破冰船推力轴承特性研究

李永海 赵鸿博 孙向志 郭晓东 汪雷

摘 要：借助有限元分析方法，对某破冰船与冰层相撞过程进行仿真从而得到冰载荷，在此瞬态过程中对点支承扇形瓦推力轴承的瞬态动特性进行了计算，并结合刚度系数和阻尼系数对轴承动特性进行分析。结果表明：针对某一船舶，最大冰载荷与船速、冰层厚度近似成正比;最大冰载荷出现在碰撞过程中前1s的时间内;油膜厚度随载荷的增加变薄，油膜刚度系数、阻尼系数随油膜厚度减小而变大，且变化规律相同。

关键词：有限元分析;冰载荷;推力轴承;刚度系数;阻尼系数

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.010

中图分类号： TH133.3

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）05-0054-05

Abstract：By means of finite element analysis method， we simulate the process of the icebreaker and ice collision to obtain the ice load. The transient point supporting fan-shaped thrust bearing dynamic characteristics were calculated in this transient process，and analyse the dynamic characteristic with the stiffness coefficient and damping coefficient.The analysis results show that： For a certain ship， the maximum ice load is approximately proportional to ship speed and ice thickness; the maximum ice load appears in the first second during the collision process;The oil film thickness decreases by the increasing load， and the stiffness coefficient and damping coefficient of oil film increase by the decreasing oil film thickness， and the change rules are the same.

0 引 言

近年來，由于越来越多的极地资源被发现，导致世界许多国家都把目光放在了那里，而破冰船这种能在极地航行的船舶的建造便越来越受到重视[1]。但破冰船所处的特殊工作条件，导致破冰船在较短时间的破冰过程中要承受非常大的载荷，而推力轴承在破冰船整个传动系统中起着决定性作用，要有较大的承载能力来抵抗由于巨大载荷产生的冲击[2-3]。因此，研究推力轴承在承受瞬态冲击载荷下的动特性将有重要的意义，其中刚度和阻尼则是研究动特性的重要参数，它直接影响到轴承系统的工作性能[4-5]，推力轴承结构如图1所示。

国内外学者在对船-冰碰撞进行有限元仿真和分析过程中，大多是通过改变冰层厚度、船的速度或船艏倾角的参数来研究船-冰碰撞过程[6-8]。

人们对推力轴承的动特性已有较多的研究，姜培林等[9]对固定瓦推力轴承的动特性进行了研究，结果表明：推力盘的倾斜对推力轴承的动特性有很大影响;李忠等[10]对可倾瓦推力轴承的线性和非线性动特性进行了研究，推导出了油膜对镜板的作用力和油膜作用于可倾瓦的力矩的线性和非线性动特性系数;Lund J W[11]对径向滑动轴承的刚度和阻尼系数进行了分析，并得出了刚度和阻尼系数的计算方法;许太强等[12]对瞬变载荷作用下滑动轴承的动特性进行了分析，结果表明：轴承在瞬变载荷作用下其动特性系数变化很大;王培勇等[13]就瞬变载荷作用下五瓦可倾瓦轴承的径向特性进行了分析，结果表明：在瞬变载荷作用时，轴心轨迹、瓦块倾角及油膜合力都有较大的变化并呈现出一定的振荡过程。

综上所述，国内外学者针对径向轴承及推力轴承的动特性进行了较充分的研究[14-17]。本文针对船舶用低速轴承，运用ANSYS/LS-DYNA软件对船-冰碰撞过程进行建模仿真，分析碰撞过程中产生的冰载荷;利用此载荷研究推力轴承在碰撞过程中油膜的动特性。

1 有限元模型的建立与求解结果的分析

1.1 有限元模型的建立

由于船舶体积较大且结构较为复杂，模拟的冰层为无限大，所以都采用简化处理，对冰层选用120m×80m×1.5m的矩形冰层，如图2所示。

基于船艏外部的钢结构，采用的单元类型为shell163壳单元，并定义了实常数;对于冰层，采用solid164实体单元，同时考虑到冰层材料的失效准则。

船舶在碰撞过程中变形极小，为了节省计算资源，减少计算所用时间，将船艏设为刚体，本构模型选择Rigid Material，材料参数如表1所示;冰层选择各向同性弹塑性模型，并且将最大塑性应变模式作为材料的破坏模式，冰层材料参数如表2所示。

1.2 求解结果的分析

由于在船舶与冰层碰撞过程中，船舶是依靠自身的动能撞碎冰层，因此船速和船的质量就成了影响冰载荷的两个决定性因素;同时，冰层厚度不同也会产生不同的冰载荷。由于本次研究是以某型号极地科考破冰船为基本模型，因此，这里只对船速和冰层厚度对冰载荷的影响进行研究。运用MATLAB软件，对不同船速和冰层厚度下推力轴承所承受的最大冰载荷进行了分析，并以曲线的形式给出。其中图3、图4为分别考虑最大刚度和最大阻尼得到的变化曲线。

由图3、图4可知，对于某一船舶，最大冰载荷与船速、冰层厚度有关，呈近似线性关系。

下面结合某一具体工况，即当船速为3m/s，冰层厚度为1.5m时得到的结果进行分析。由于产生的冰载荷波动较大，因此这里我们选取若干个时间点，来分析其变化过程。在一秒内选取10个时间点，间隔0.1s，则表3为通过以上有限元仿真得到的每个时间点的冰载荷。

分析以上结果可以发现在破冰船与冰层碰撞过程中，1s内冰载荷产生较大变化，开始时会快速增大，在0.8s左右冰载荷达到最大值，然后急剧下降。

2 推力轴承的动特性分析

破冰船在破冰过程中产生巨大的冲擊载荷，此载荷通过螺旋桨和传动轴直接作用到推力轴承，推力轴承在这种低速重载的工况下很容易产生摩擦学（润滑）失效，其中轴向（油膜厚度方向）的刚度和阻尼是影响轴承动特性的两个重要参数。

2.1 基本方程

2.1.1 油膜厚度方程

在不考虑推力盘倾斜和轴瓦变形的情况下，可倾瓦推力轴承的油膜厚度可用以下方程表示：

2.1.3 润滑油黏温方程

对黏温方程的研究比较多，有的是通过对流体流动模型分析得出的，有的则完全由经验数据总结而来，但都存在各自的局限性。润滑油的黏度会随着温度的升高而迅速下降，动力黏度μ与温度T之间的关系通常采用指数形式的函数，这里选择雷诺黏温方程，表示为以下形式：

2.1.4 油膜刚度系数和阻尼系数

利用有限差分方法对二维瞬态雷诺方程进行求解，得到了关于位移和速度扰动量的动特性系数，其形式如下：

其中：kzz为z方向的单位位移扰动在z方向上引起的力;dzz为z方向的单位速度扰动在z方向上引起的力;R1和R2分别为轴瓦的内外半径;θ1和θ2分别为轴瓦的起始角度和终止角度。

2.2 动特性系数

由于每块推力瓦的尺寸相同且均匀分布，理想状态下所承受载荷完全相同，因此这里只研究一块推力瓦。

2.2.1 动特性系数向量形式

取z方向为推力轴承所受轴向力方向，在只承受轴向载荷的条件下，利用泰勒展开式得到在坐标系下轴瓦的动特性系数可用力增量ΔFZ表示，即

3 算例与结果分析

本文算例所采用的参数为：船舶的额定功率为7350kW，船速为6节，即3m/s，双螺旋桨。轴承选用参数为：轴承外径640mm、内径320mm、轴瓦张角40°、轴瓦厚度45mm、瓦块数6块、有效面积0.643m2、轴承转速为110r/min、设计最小油膜厚度hmin=30μm、冰层厚度为1.5m。由于选择的工况是瞬态过程，故不考虑温度变化，即当温度为20℃时油膜的动力黏度保持为0.04N·s/m2，假设所得到的冰载荷直接作用到推力轴承上。

在不考虑推力盘倾斜，并且只承受轴向载荷的情况下，对推力轴承有影响的主要是轴向刚度和轴向阻尼[9]。通过计算得到1s内每隔0.1s的油膜厚度，则碰撞过程中刚度系数和阻尼系数随着油膜厚度的变化情况如图6所示。

由上图可知，在此工况下，刚度系数和阻尼系数变化较大，两者随载荷（膜厚）变化呈非线性且变化规律相同。在碰撞前，船作匀速运动，轴承所受载荷不变，此时油膜厚度最大，为96.2μm。在碰撞过程中，轴向刚度系数kfzz和轴向阻尼系数dfzz开始时都会明显增大;当载荷最大，油膜厚度减小到大约30μm时，此时油膜厚度最小，刚度和阻尼系数达到最大值。此时油膜刚度约为105.9×108N/m，通过计算可以得到整个轴承在最小油膜厚度下所能承受的最大载荷为63.54kN。当船速增加或冰层变厚时，轴承承受的载荷进一步增大，油膜将变薄，或将导致无法形成良好的润滑。

4 结 论

本文以破冰船推力轴承为研究对象，首先建立船-冰三维几何模型;基于ANSYS/LS-DYNA软件，对船-冰碰撞过程进行有限元仿真;得到了不同船速和冰层厚度下碰撞过程中产生的最大冰载荷;分析了碰撞过程中冰载荷，以及推力轴承油膜的刚度、阻尼和厚度的瞬态变化过程。

结果表明：针对某一船舶，最大冰载荷与船速、冰层厚度近似成正比;最大冰载荷出现在碰撞过程中前1s的时间内;油膜厚度随载荷的增加变薄，油膜刚度系数、阻尼系数随油膜厚度减小而变大，且变化规律相同。实际中不同工况下需要满足最大载荷不能超过最小油膜厚度所能承受的载荷。

参 考 文 献：

[1] 黄焱，关湃，禹沐.破冰船航行状态在海冰作用下的运动响应分析[J].数学的实践与认识，2015，45（2）：146.

[2] 何菲菲.破冰船破冰载荷与破冰能力计算方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[3] MIKKO Kotilainen. Predicting Ice-induced Load Amplitudes on Ship Bow Conditional on Ice Thickness and Ship Speed in the Baltic Sea[J].Cold Regions Science and Technology，2017（135）：116.

[4] 周旭辉，杨俊.推力轴承轴向刚度对船舶轴系振动响应的影响[J].船海工程，2012，41（4）：110.

[5] 王滨.轴承刚度对船舶轴系振动特性的影响研究[J].齐齐哈尔大学学报，2009，25（6）：55.

[6] 王林，刘星.破冰船冲破冰层的有限元数值仿真研究[J].中国水运，2014，14（5）：62.

[7] 李涛，张秀凤.船舶在随机冰作用下的运动建模及应用[D].大连：大连海事大学，2015.

[8] 肖波，何炎平，蒋如宏.破冰船的破冰能力估算方法初探[J].江苏船舶，2001，18（3）：7.

[9] 姜培林，虞烈.流体动压润滑推力轴承动特性的研究[J].西安交通大学学报，1996，30（6）：67.

[10]李忠，袁小阳，朱均.可倾瓦推力轴承的线性和非线性动特性研究[J].中国机械工程，2000，11（5）：560.

[11]LUND J W.Review of the Concept of Dynamic Coefficient for Fluid Film Journal Bearings[J].ASME Journal of Tribology，1987，109：34.

[12]许太强，马金奎，路长厚.瞬变载荷作用下滑动轴承动特性分析[J].润滑与密封，2013，38（4）：32.

[13]王培勇，王建文，袁延昂.瞬变载荷作用下五瓦可倾瓦滑动轴承特性分析[J].润滑与密封，2016，41（4）：61.

[14]朱均，周进良，周长新.可倾瓦径向滑动轴承性能分析[J].西安交通大学学报，1979（4）：95.

[15]赵三星，戴旭东，徐华.进油压力对可倾瓦径向滑动轴承静动特性的影响[J].润滑与密封，2001（4）：13.

[16]朱光，郭红，李瑞珍.计入温黏效应的高速径向动压轴承特性分析[J].润滑与密封，2016，41（8）：68.

[17]王锋，赵三星.径向滑动轴承的动态特性及其稳定性研究[D].武汉：武汉科技大学，2016.

[18]马希直，张功学，朱均.圆形瓦推力轴承动特性研究[J].摩擦学学报，2000，20（4）：300.

（编辑：温泽宇）