船用剖分式橡胶轴承接触性能分析

船用剖分式橡胶轴承接触性能分析

为了减少由于缺少轴承泄漏造成的水环境，水润理方法受到了高度重视。水润理轴承在船舶上得到了广泛应用，如橡胶轴承。橡胶艉轴承有剖分式和整体式两种。当船舶艉管轴承由于磨损或损伤等原因,需要进行检查或更换时,剖分式与整体式相比具有拆装方便、维修时间短等优势。但任何水润滑轴承也有不足之处,尤其在低速、重载以及启动与停机瞬间,轴承与轴之间难以建立完整的水膜将两者隔离,甚至出现接触状态。这种接触状态对轴承的摩擦和磨损有重要的影响。文中以船用剖分式水润滑橡胶艉轴承为研究对象,应用有限元接触仿真方法,重点研究轴承的接触状况,分析在螺旋桨重力作用下,轴承的接触压力、有效应力和接触位移的分布状况,以及水槽数目对接触压力、有效应力和接触位移等参数的影响规律。1橡胶臂的解剖1.1轴系统优化装置设计船用剖分式水润滑橡胶艉轴承(以下简称轴承)由上下瓦组成。上下瓦结合面与轴线成一定夹角,方便装卸,并保证瓦块自锁,防止上下瓦在工作中出现相互错动。瓦的内衬为橡胶,外衬为钢套,其结构见图1。图2所示为轴承与螺旋桨轴的装配示意图,模拟轴承受力状况。螺旋桨轴(以下简称轴)的左端施加螺旋桨重力P,右端约束。1.2轴承和壳体的几何参数和材料的物理性能参数轴承与轴的几何参数和材料物理性能参数见表1、表2。2橡胶轴承的有限接触模型2.1接触问题的求解根据图1与图2所示,应用Adina软件建立轴承与轴的有限元模型,重点解决轴承与轴的接触问题。Adina软件提供有节段接触、点对点接触、刚性目标接触等三种接触类型,常用的求解方法有Lagrange乘子法、罚函数法以及基于求解器的直接约束法。由于橡胶是非线性和超弹性的材料,因此采用节段接触模型建模和直接约束法求解。2.2有限元模型通过六面体映射网格,分别建立轴颈、铜衬套、橡胶、钢套和螺旋桨的8节点,3DSolid单元网格。其中轴颈5400个单元,7440个节点;铜套衬16200个单元,23040个节点;橡胶18144个单元,24480个节点;钢套64680个单元,10800个节点,螺旋桨540个单元,960个节点。橡胶艉轴承与艉轴某一截面的有限元模型见图3所示。边界条件和载荷的处理如下:1)在轴铜衬套和轴承橡胶内衬面间以及在轴承的剖分面间分别建立接触对;2)在轴承钢套的外表面施加全固定约束,同时,在轴的一端面施加全约束,另一端施加P为3.4×104N重力载荷,模拟螺旋桨的重力。3计算与分析3.1轴承端面面周向接触压力分析由于螺旋桨重力的悬臂作用,轴承负荷分布产生边缘效应,靠近螺旋桨端的(轴承尾端面)接触压力最大,变形也最大,并从轴承尾端向首端呈梯度分布。由此可见,轴承尾端面的工作条件恶劣,对轴承的使用性能与寿命周期有重要的影响。因此以图2中的轴承尾端面为研究对象,进行接触压力分布、有效应力分布和接触位移分布研究。1)接触压力分布状况。轴承尾端面周向接触压力分布见图4。由图4可见,在螺旋桨重力作用下,轴承尾端面的接触压力主要分布在轴承下瓦120°圆周范围内。接触压力分布曲线上出现多个波峰和波谷,这主要是轴承上开有24个轴向水槽,使得接触压力分布沿周向不连续,出现间断,导致每个板条的接触压力呈独立的抛物线分布状况,板条中间压力最大。图4中的正压力为板条下凹变形所致,负压力为上凸变形所致。在轴承下瓦12个板条中,中间板条的接触压力最高,其两侧板条逐渐下降。最大接触压力为3.72MPa,最小接触压力为-0.814MPa。2)有效应力分布状况。轴承尾端面周向有效压力分布见图5。图5的有效应力分布趋势与图4基本相同,但轴承尾端面有效应力分布沿着周向连续,没有因水槽的存在而出现间断。有效应力分布曲线不圆滑,每一板条中间的有效应力较低,两侧较高。最大有效应力为7.68MPa,最小有效应力约为0。3)接触位移分布状况。轴承尾端面的接触位移分布见图6。由图6可见,在轴承下瓦120°范围之内,轴承尾端面的接触位移曲线出现中间下凹,两侧明显拱起,具有波峰和波谷以及间断点。下凹最大为0.147mm,上拱最大为0.00986mm。3.2轴向接触压力分析水槽数目对轴承的接触性能有重要影响。在水槽宽度和深度一定的情况下,分别计算水槽数目为10、15、20和24时,轴承中间板条沿轴向(z方向)的接触压力、有效应力和接触位移变化。1)接触压力分布。轴承下瓦中间板条轴向接触压力变化见图7。由图7可见,从轴承尾端到首端,中间板条的接触压力沿轴向先增大后减小,在离尾端0.04m左右出现一个峰值。随着水槽数目的增加,接触面积增大,接触压力有一定下降,接触压力峰值点略向轴承尾端移动。2)有效应力分布。轴承底板条轴向有效应力变化见图8。图8的有效应力分布趋势与图7有一定相似。从总体上看,中间板条的有效应力沿着轴向下降,尤其在离尾端0.04m以后下降很快,峰值不明显。随着水槽数目的增加,相应位置处的有效应力有所增加,但在离尾端0.15m以后,基本相同。3)接触位移分布。轴承下瓦中间板条轴向接触位移变化见图9。由图9可见,从轴承尾端到前端,中间板条的接触位移绝对值沿轴向逐渐减小,在离尾端0.175m左右出现上拱,这主要是板条的尾端面没有约束,在螺旋桨重力的悬臂作用下,轴相对轴承发生倾斜,导致板条尾端附近产生严重的下垂变形,首端部分区域与轴脱空,板条中间出现拱起。从图9还可以看出,水槽数目对轴承中间板条沿轴向的接触位移的影响不明显。4轴承下瓦有效应力分析2)轴承下瓦中间板条的接触压力从轴承尾端到前端,呈先增大后减小的趋势,并在离尾端0.04m左右出现一个峰值;随着水槽数目的增加,轴承下瓦中间板条的接触压力减小,有效应力增加。3)轴承下瓦中间板条的有效应力沿轴向下降,尤其在离尾端0.04m以后下降很快。随着水槽数目的增加,在距尾端0.15m范围内有效应力有所增加,但超过0