水潤(rùn)滑艉軸承水膜厚度與壓力數(shù)值計(jì)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水潤(rùn)滑艉軸承水膜厚度與壓力數(shù)值計(jì)算分析122姜濤,周建輝,吳煒(1.海軍駐大連426廠軍事代表室大連116000;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心武漢430064)摘要:考慮到進(jìn)行艉軸承水膜厚度與壓力計(jì)算時(shí)須考慮內(nèi)襯材料的彈性變形,以提高艉軸承彈性流體動(dòng)壓計(jì)算精度,應(yīng)用有限元法方法求得艉軸承內(nèi)襯的彈性變形,結(jié)合雷諾方程求得計(jì)入

2、彈性變形后的艉軸承水膜厚度與壓力分布,并與流體動(dòng)壓潤(rùn)滑進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,水潤(rùn)滑艉軸承彈流潤(rùn)滑計(jì)算得到的水膜壓力減小,水膜厚度增大;艉軸是否傾斜對(duì)彈流動(dòng)壓潤(rùn)滑計(jì)算結(jié)果有明顯影響。在相同工況下,隨著艉軸傾斜率的增大,彈流潤(rùn)滑最大水膜壓力上升,最小水膜厚度減小。關(guān)鍵詞:船舶水潤(rùn)滑艉軸承;有限元法;數(shù)值分析;液膜壓力;液膜厚度中圖分類(lèi)號(hào):U664.21文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1671-7953(2014)02-0157-05水潤(rùn)滑艉軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不產(chǎn)生滑油污染,在軸承內(nèi)襯與軸襯套的相關(guān)幾何參數(shù)和材料物[1]船舶上使

3、用越來(lái)越多。但由于水潤(rùn)滑軸承內(nèi)襯理性能參數(shù)見(jiàn)表1、表2所列。材料多為高分子材料,變形比較大,如不考慮彈性變形會(huì)對(duì)軸承水膜壓力與厚度的計(jì)算精度產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[3-4]討論了橡膠高彈性材料的彈性變形、初值選取對(duì)水潤(rùn)滑軸承彈流潤(rùn)滑計(jì)算的影響,但未涉及飛龍、賽龍等其它軸承高分子材料,也未考慮船舶艉軸傾斜的影響,在工程實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。飛龍、賽龍是艦船水潤(rùn)滑艉軸承常用圖1軸承結(jié)構(gòu)示意的高分子材料,自潤(rùn)滑性能好,彈性模量比橡膠大,但卻比金屬材料低得多。其變形量及最小膜厚比值與橡膠材料一樣,不是一個(gè)高階無(wú)窮小量。若

4、忽略這個(gè)變形量,水膜厚度與壓力以及承載能力的計(jì)算將產(chǎn)生較大誤差,尤其在艉軸傾斜時(shí)更為嚴(yán)重。因此,計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮軸承內(nèi)襯彈性變形和艉軸傾斜,這有助于提高承載能力的計(jì)算精度,以滿足軸承負(fù)荷設(shè)計(jì)要求。圖2船舶艉軸承裝配示意表1軸承的幾何參數(shù)1艉軸承結(jié)構(gòu)及裝配軸承內(nèi)襯軸承水槽水槽水粘度軸承船舶水潤(rùn)滑艉軸承由外襯、內(nèi)襯組成。外襯內(nèi)徑厚度長(zhǎng)度夾角個(gè)數(shù)(20℃)間隙為銅套,內(nèi)襯多為飛龍等非金屬材料,見(jiàn)圖1。艉/mm/mm/mm/(°)/個(gè)/(Pa·s)/mm軸承與螺旋槳軸的裝配見(jiàn)圖2。350453504100.0011表2軸

5、承內(nèi)襯與軸襯套材料物理性能收稿日期:2014-01-16軸襯套軸承內(nèi)襯修回日期:2014-02-26彈性模量彈性模量第一作者簡(jiǎn)介:姜濤(1985-),男,學(xué)士,助理工程師泊松比泊松比/GPa/MPa研究方向:艦艇動(dòng)力2060.44400.45E-mail:174899249@qq.com157第2期船海工程第43卷22dΔφ3dΔφ32彈流潤(rùn)滑求解流程Ci,j=lΔλHi,j+1/2;Di,j=lΔλHi,j-1/2;2.1不計(jì)彈性變形的水膜壓力與厚度計(jì)算Ei,j=Ai,j+Bi,j+Ci,j+Di,j;假定

6、軸承在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀況下,求解軸承Fi,j=3Δφ(Hi+1/2,j+Hi-1/2,j)。[5]上式可產(chǎn)生(m-1)×(n-1)個(gè)方程,在給水膜厚度與壓力可應(yīng)用雷諾方程33定的膜厚h下可求解p抄h(huán)抄p抄h(huán)抄p抄h(huán)i,j。在水膜壓力pi,j作用+=6Uη(1)抄xη抄x抄yη抄y抄x下,軸承內(nèi)襯所產(chǎn)生的變形通過(guò)有限元法來(lái)求解。式中:h———水膜厚度;2.2有限元法求解軸承彈性變形η———水的粘度;作用于軸承的水膜壓力屬于分布力p(s)。U———滑動(dòng)速度;在彈性力學(xué)中,若有分布力作用于半無(wú)限平面上,p———壓強(qiáng)。

7、那么在寬度為ds的微元上將產(chǎn)生p(s)ds的集中令φ=x/r,λ=z/(l/2),力,見(jiàn)圖4。分布力p(s)在M處所產(chǎn)生的彈性變[6-7]H=h/c=1+εcos(φ-θ)(2)形方程為2S2式中:ε———偏心率;1-μ2δ(x)=-∫p(s)ln(x-s)ds+C(5)θ———偏位角;πES1c———軸承半徑間隙。P=p/p0,p0=2ωμ/ψ2,ψ=c/r?yàn)橄鄬?duì)間隙,即可得到量綱-的量形式2抄3抄Pd抄3抄P抄HH+H=3(3)抄φ抄φl(shuí)抄λ抄λ抄φ求解時(shí),將艉軸承展開(kāi)成一平面模型,見(jiàn)圖3。圖4分布力作用

8、下的變形應(yīng)用有限元方法求解軸承內(nèi)襯彈性變形時(shí),將連續(xù)體離散成有限個(gè)微小單元,如正六面體微小單元由8?jìng)€(gè)節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)位移自由度,共有24個(gè),見(jiàn)圖5。圖3網(wǎng)格劃分示意模型周向(φ方向)與軸向(λ方向)分別分成m、n份。每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置用(i,j)表示,i=1~m+1,步長(zhǎng)為Δφ=(φ2-φ1)/m;j=1~n+1,步抄p抄p長(zhǎng)為Δλ=2/n;節(jié)點(diǎn)壓力為pi,j。和可用相抄φ抄λ鄰節(jié)點(diǎn)上的壓力值的差

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