螺旋槳橡膠軸承壓力分布分析與結構優化

劉 偉，俞 強，李全超

( 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

我國從20世紀70～80年代開始逐步在船舶中采用水潤滑橡膠軸承，取代原有的油潤滑軸承和鐵梨木軸承。與油潤滑軸承相比，橡膠軸承具有適應能力強、減振能力好、污染小等特點，因此，在船舶中得到越來越廣泛的應用［1］。由于船舶軸系的固有特點，螺旋槳軸承承受螺旋槳集中載荷作用，造成螺旋槳軸承承受的載荷在整個軸瓦表面并不均勻，導致尾軸承邊緣效應，局部壓力過高。本文采用有限元計算方法，分析軸承壓力分布和變形特點，并提出改善軸承壓力分布的結構優化及設計方法。

1 槳－軸－軸承有限元接觸模型

采用有限元軟件Ansys 建立槳－軸－軸承模型，模型主要包括軸、螺旋槳、軸承、彈性聯軸器從動端等。其中軸用梁單元(Beam188)模擬，螺旋槳和聯軸器用集中質量單元(Mass21)處理。為了合理解決橡膠軸瓦材料和軸段的接觸非線性問題，考慮到橡膠是一種超彈性非線性材料，可以產生非常大的應變，采用Mooney－Rivlin模型，應用可模擬超彈、大變形的SOLID185 單元模型橡膠單元。尾軸與橡膠軸瓦條的接觸選用三維模型接觸問題有限元分析中常用的3D 面－面接觸單元Target170、Contact174，設置適當的法向接觸剛度和最大穿透容差，采用增廣拉格朗日算法進行計算。為了保證梁單元與實體單元之間的良好連接，采用MPC 方式建立接觸連接。于本文采用梁單元與實體單元共同計算，而不是所有模型都采用實體單元，不僅可滿足計算要求，還可有效節省計算量，提高計算效率。軸系簡化模型與接觸分析模型如圖1所示。

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

2 計算結果及與實測結果對比分析

2.1 仿真計算結果分析

在一般的船舶軸系校中計算時，尾軸前軸承、中間軸承、推力軸承徑向支撐的支撐點均取沿軸承襯長度中點的位置，尾軸后軸承支撐點距軸承尾端面的距離取1/3 軸承長度。對應接觸模型，尾軸后軸承不需進行該設置，但為了便于比較與分析，計算時仍然建立了傳統計算模型。軸承負荷計算結果及對比如表1所示。

表1 軸承負荷計算結果Tab.1 Calculation results of bearing load

由軸承負荷計算可知，2 種方法的基本趨勢一致，采用接觸模型計算時，后軸承受力有所增加，前軸承受力減小。

在螺旋槳－軸重力作用下，軸與軸承主要接觸部位主要在后部、下方，靠近螺旋槳端軸承變形最大，最大下垂量為0.659 mm。前端部分軸瓦條與軸不接觸。

圖2 軸－軸承接觸狀態及變形、壓力分布Fig.2 Contact state，deformation and pressure distribution between shaft and bearing

從橡膠軸瓦條壓力分布可以看出，基本上是底部3 塊軸瓦受力，長度方向兩側的軸瓦條比底部軸瓦條接觸面積更大，最大接觸應力也發生在側部，局部最大壓力達到了1.19 MPa 后，底部軸瓦條壓力分布從螺旋槳端向首端逐漸減小，直至不接觸部位降為0。

2.2 計算結果與實際測量對比分析

由于橡膠材料具有彈性特點，對橡膠軸承壓力分布進行測量非常困難，為驗證計算結果的準確程度，對實船螺旋槳軸承與尾軸的貼合狀態進行測量，分別測量首端與尾端軸瓦正下方尾軸與軸承間隙，對比如表2所示。

表2 螺旋槳軸承首、尾端面壓縮量對比Tab.2 Compression deformation of front and after end at proper bearing

從表2 中可以看出，計算結果與實際測量值接近，壓力分布也是從尾端面接觸狀態到首端面的不接觸狀態。此外，還對運行一段時間的螺旋槳軸承磨損狀態進行了檢查，如圖3所示。由該圖可發現，軸承磨損主要在發生在下部3～5 根軸瓦條，尾部比首部磨損更多，這與計算結果中的變形、接觸壓力分布相一致。

圖3 螺旋槳軸承磨損狀態Fig.3 Abrasion state of proper bearing

3 軸承結構優化

通過有限元計算可以看出，螺旋槳軸承由于受到螺旋槳集中載荷的作用，不可避免的造成軸承壓力分布不均，會在局部產生較高的壓力，不利于軸承的工作。根據計算結果可知，軸承前部受力很小甚至不接觸，通過相關措施使軸承在整個長度范圍內與軸接觸、增加接觸面積可改善壓力分布狀態，為此對螺旋槳軸承采用傾斜安裝方式或對軸承襯套進行斜鏜孔:即使螺旋槳軸承中心線盡量與尾軸撓曲線平齊，提高接觸面積、改善貼合狀態。

應用Ansys 中的APDL (Ansys Parametric Design Language)建立參數化計算模型，以增加接觸面積、改善軸承壓力分布為優化目標，以軸承傾斜角度為設計變量進行迭代計算，結果如圖4所示，其中傾斜角度計算范圍為［0°，0.085°］。

由圖4 可知，隨著傾斜角度的增加，壓力逐漸往首部移動，當取合適的傾斜角度時，軸承與尾軸在整個長度內接觸，軸承負荷分布趨于均勻。對于本文中的軸系，當傾斜角度為0.042 5°時達到最優狀態，壓力分布為0.652～0.797 MPa，如圖5所示。

圖5 傾斜角度優化后接觸及應力狀態Fig.5 Contact state and pressure distribution with optimized inclination angle

4 結 語

通過有限元軟件建立了槳－軸－軸承接觸計算模型，分析了軸承壓力分布狀與優化方法，通過研究可得出以下結論:

1)計算與實測結果的一致性說明本文的方法可為槳－軸－軸承接觸分析提供一種途徑;

2)軸承壓力由尾向首降低，壓力分布不均勻，局部壓力過大，而首部出現部分軸瓦條與尾軸不接觸的狀態;

3)對軸承采取傾斜角度優化與處理可增加接觸面積、改善壓力分布，減少軸承局部磨損與提高軸承壽命。

［1］荀振字，孫長江，沈紅宇，等.船舶艉軸承接觸壓力分布及其影響因素研究［J］.船海工程，2010，39(3):48－54.XUN Zhen-yu，SUN Chang-jiang，SHEN Hong-yu，et al.Research on contacting pressure distribution and Its effecting factors of marine stern bearing［J］.Ship ＆ Ocean Engineering，2010，39(3):48－54.

［2］姚世衛，楊俊，張雪冰，等.水潤滑橡膠軸承振動噪聲機理分析與試驗研究［J］.振動與沖擊，2011，30(2):214－216.YAO Shi-wei，YANG Jun，ZHANG Xue-bing，et al.Vibration and noisem echanism analysis and tests for waterlubrication rubber bearings［J］.Journal of Vibration and Shock，2011，30(2):214－216.

［3］潘月平，朱兵，王如意，等.船用剖分式橡膠艉軸承接觸性能分析［J］.船海工程，2011，40(1):87－90.PAN Yue-ping，ZHU Bing，WANG Ru-yi，et al.Analysis of contact properties of marine split rubber tail bearings［J］.Ship ＆ Ocean Engineering，2011，40(1):87－90.

［4］金勇，劉正林.水潤滑橡膠艉軸承動態性能的試驗與分析［J］.噪聲與振動控制，2011(4):64－68.JIN Yong，LIU Zheng-lin.Experimental research on performance of water-lubricated rubber stern bearing based on vibration analysis［J］.Noise and Vibration Control，2011(4):64－68.

［5］王家序，陳戰，秦大同.水潤滑橡膠軸承的摩擦磨損特性及機理研究［J］.潤滑與密封，2002(4):21－23.WANG Jia-xu，CHEN Zhan，QIN Da-tong.Study on the friction and wear characteristic of water lubricated rubber bearings［J］.Journal of Marine Technology，2002(4):21－23.

［6］ANDERSON K J，BORDA C G，DONNELLY M J，et al.Advanced hull form inshore demonstrator model strut and propulsor Performance in uniform flow，Technical Report.No.NSWCCD－50－TR－2005/012［R］.NSWCCD，2005:16－19.

［7］NOBUO M，SHIGENOBU S.Restoring force characteristics of laminated rubber bearings under various restraining conditions［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，Transactions of the ASME，2004，126(1):141－147.