型腔结构对尾轴承力学性能影响的有限元分析

王 建，王优强，王 涛，范晓梦

(青岛理工大学 机械工程学院， 山东 青岛 266520)

型腔结构对尾轴承力学性能影响的有限元分析

王 建，王优强，王 涛，范晓梦

(青岛理工大学 机械工程学院， 山东 青岛 266520)

型腔尺寸的大小和腔数对水润滑橡胶尾轴承的力学性能有重要影响，并且直接影响轴承的承载能力和运转精度。本文基于有限元法，研究了不同型腔数目、型腔全角和型腔长度对尾轴承的力学性能影响。结果表明：在 5 种不同腔数尾轴承的研究对比中发现，4 腔尾轴承的力学性能最优。研究型腔全角和长度因素影响时，发现全角 55° 长度 500mm的型腔结构性能更好。

型腔尺寸；型腔数目；水润滑；力学性能；有限元分析

0 引 言

近几年来，船舶的发展越来越快，船舶尾轴承作为尾轴系统的重要组成部分，发挥着无可替代的作用。水润滑橡胶轴承具有良好的润滑性能，由于橡胶材质具有回弹性质，所以水润滑橡胶尾轴承还具有减震消音的优点[1]。水作为润滑介质还具有良好的导热性，能够降低轴承的温升、可靠性高、性能好、来源广及成本低等优点[2]。但在船舶的启动以及停车阶段，轴承常常处于干摩擦或者半干摩擦的状态，导致轴承严重磨损，大大降低了轴承的使用寿命。为了解决船舶尾轴承的这种摩擦磨损情况，本文对尾轴承加以改造，在轴承内部开设型腔结构，将尾轴承设计成一种新型的动静压轴承，避免了与轴承直接接触形成液体润滑。

目前，国内一些学者在这方面做了大量的研究[4-9]。张杰等[10]采用有限元法分析了紊流条件下动静压轴承的压力分布和温度场分布，研究了水润滑动静压轴承 4 个不同型腔的压力分布和温度分布，并与油润滑条件下的状态相比较，结果表明：轴承的承载力主要由下腔和左腔来承担。王芳芳等[11]提出了一种新型的水润滑动静压轴承—水润滑多孔阶梯腔轴承，加快了轴承内部的泄水量，从而降低了轴承运转过程中产生的热量交换。但仅从降低温升的角度研究，并未考虑新型结构的力学性能。本文从有限元的角度出发，利用 Ansys Workbench 软件对新型长方形腔动静压船舶尾轴承的力学性能进行研究。具体分析型腔数目和型腔尺寸 2 个因素的影响。

1 尾轴承模型结构

1.1 三维实体模型的创建

利用 solidworks 软件分别绘制 6 腔、5 腔、4 腔、3腔和 2 腔的长方形腔尾轴承和型腔尺寸不同的三维实体模型，并将绘制好的模型导入 workbench 软件中进行有限元分析，如图1 所示。

图1 尾轴承实体模型Fig. 1 Stern bearing entitymodel

1.2 模型的基本参数

船舶尾轴承是由轴套和外圈钢套两部分构成。对尾轴承的单元属性和材料属性进行定义：外圈钢套为合金钢，其中，密度为 7 800 kg/m3，弹性模量为 2.06×1011pa，泊松比为 0.25。轴套材料为硬橡胶，密度1 850 kg/m3，弹性模量为 7.48×106Pa，泊松比 0.4。为了减少计算量对模型进行简化处理，具体模型几何尺寸见表1。

表1 模型几何尺寸Tab. 1 Model geometry size

图2 四腔艉轴承平面图Fig. 2 Four cavity stern bearing

2 有限元分析

将建好的模型导入到 Ansys Workbench 软件中，设置好材料类型和单元属性。由于网格过多或过少会对计算时间和计算精度造成影响，所以对所建模型按照边界尺寸大小为 0.015mm进行网格划分，以四腔结构为例建立如图3 所示模型。划分后得到如下结果：节点 103 631 个，单元 58 380 个。然后对模型进行固定约束，约束不能太多否则会导致计算出现较大偏差，所以对轴承的刚套进行全约束，防止轴承来回滑动。假设本文中尾轴承运动状态是动静压润滑状态，运行工况为稳态环境；轴承在轴向方向不发生位移；不考虑海水的惯性力。开设四腔的水润滑动静压滑动轴承各个腔的承载膜压力[10]如图4 所示。

图3 尾轴承三维模型网格划分图Fig. 3 Stern bearingmeshmodel figure

图4 承载膜压力分布图Fig. 4 Bearing filmpressure distribution

根据上图4 轴承型腔的压力分布关系，假设型腔数目不同时也满足上述压力分布关系。将承载区域分割成许多均匀的区域，把连续的压力进行离散取值后施加到相应的区域，其中施加的最大压力设为 3 600 N[12]。输入数值进行运算，最后模拟得出应力，应变和位移三维模型图。

3 结果分析

3.1 不同型腔数目对尾轴承的力学性能影响

分别建立 6 腔、5 腔、4 腔、3 腔和 2 腔长方形腔尾轴承三维实体模型，除了型腔数目不同之外，其他尺寸都一样。施加大小都相同的力，分别得到应力、应变、位移三维图。

如图5 所示，上述 5 种不同腔数的尾轴承的应力分布差别很大，当型腔个数是 2 腔和 3 腔的时候，在橡胶层与刚套之间出现 2 处以上的应力集中区域。6腔结构的尾轴承最大应力分布不均匀且区域较大。5腔和 4 腔应力分布比较相似，但是轴承由 5 腔变为 4腔时，最大应力则由 86 588 Pa 减小到 72 357 Pa，下降了 16.3%。绘制 5 种型腔最大应力的折线图（见图5），从折线图中可看出，最大应力先减小后增大，4 腔时应力最小。

如图7 所示，5 种不同轴承的最大应变都出现在了最下端橡胶与钢套的接触处，3 腔和 6 腔轴承最大应变呈现三角形分布且变化比较迅速。2 腔和 5 腔轴承各有 2 处应变集中区域，而 4 腔轴承最大应变分布狭长且比较平缓。绘制 5 种型腔最大应变的折线图，从折线图中可以看出，随着腔数的减小，最大应变值在波动上升，剔出掉特殊值后发现 4 腔的应变值最小。

图5 五种不同腔数的应力三维图Fig. 5 The cavity number of the five different stress

图6 五种型腔最大应力折线图Fig. 6 Five cavitymaximumstress line chart

通过对比发现，5 种不同腔数的尾轴承的位移大体相同，最大位移都出现在橡胶内圈最低端的边缘处，且最大位移值差别不大，所以不再展示位移三维图。如图9 从折线图中可看出，随着腔数的减小，最大位移值在波动上升，剔出掉特殊值后发现 4 腔的位移值最小，此时的变形量最小，与应变的变化趋势相同。

综上所述，在选择尾轴承的型腔数目时，应尽量避免应力集中现象的出现，且边角处尽量保持平滑过渡，在应力分布区域相似时应该尽量降低其最大应力值。通过比较分析以上 5 种不同腔数的尾轴承可以看出，当型腔数目为 4 腔时，尾轴承的力学性能最优。

图7 五种不同腔数的应变三维图Fig. 7 Five different cavity strain

图8 五种型腔最大应变的折线图Fig. 8 Five cavitymaximumstrain of the line chart

图9 五种型腔最大位移折线图Fig. 9 Five cavity themaximal displacement line chart

3.2 不同型腔全角对尾轴承的力学性能的影响

选取型腔角度分别为 30°，35°，40°，45°，50°，55°，60° 的尾轴承，型腔数目为 4 腔，腔深 1mm，其他几何尺寸都相同。建立模型并导入到 Workbench 软件中进行有限元分析。得到相关力学性能数据如图10所示。

从上面的折线图中可以看出，当型腔角度增大时，最大应力先减小后增大，最后趋于稳定，最小值出现在型腔全角 55°，此时为 72 897 Pa。最大应变先减小后增大，最小值出现在型腔全角 40° 处。而最大位移实际值相差不大。由于最大应变和最大位移的具体数值都非常小，所以对结果影响比较小，而最大应变具体数值变化较大，会比较明显地影响其力学性能。

图10 不同全角的最大应力、应变和位移折线图Fig. 10 Different Angle ofmaximumstress, strain and displacement of the line chart

3.3 不同型腔长度对尾轴承的力学性能的影响

根据上面的分析结果，选取 4 腔长方形型腔结构的尾轴承，型腔全角为 55°，腔深 1mm，分别建立长度为 550mm，500mm，450mm，400mm，350mm，和 300mm的轴承模型，其他几何尺寸都相同。导入到有限元软件中进行分析，分析结果如表2 所示。

表2 不同腔长下的最大应力、应变和位移值Tab. 2 Under different cavity length，themaximumstress, strain and displacement

从表2 可看出，随着长度的减小，最大应力值先减小后增大，当型腔长度是 500mm时，轴承的最大应力值最小，而最大应变和最大位移虽然也有变化，但是具体变化数值不大，对轴承的力学性能影响较小。

4 结 论

1）型腔数目和型腔的尺寸对尾轴承的力学性能有比较大的影响，影响着应力、应变和位移的分布，并且呈现出各自特有的规律。

2）通过对比分析 5 种不同腔数的尾轴承的力学性能发现，当型腔数目是 4 腔时各项力学性能指标最优。设计型腔数目要尽量保持对称，增加轴承稳定性。

3）当腔数都为 4 腔时，通过分析型腔全角对尾轴承的影响发现，全角为 55° 时，力学性能要优于其他全角度数。全角较大时型腔与轴颈的接触面积也就越大，减小了应力集中。

4）分析腔长对尾轴承的力学性能影响发现，在其他几何尺寸相同时，腔长为 500mm时力学性能最优。

5）型腔数目和尺寸会对尾轴承的力学性能产生比较大的影响。因而，在设计型腔时，要合理地选择型腔目，优化型腔结构尺寸，来满足不同的力学性能要求，从而达到改善工作性能的目的。

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Influence of cavity structure stern bearingmechanics performance by FEmanalysis

WANG Jian, WANG You-qiang, WANG Tao, FAN Xiao-meng
(Qingdao University of Technology, School ofmechanical Engineering, Qingdao 266520, China)

Cavity size and the cavity number have an important influence on themechanical property of water lubricated rubber stern tube bearing, and affect the bearing capacity and running accuracy directly. The effect of different number of cavity, cavity full angle and cavity length onmechanical properties of stern bearing was studied based on the finite elementmethod in this paper. The results show that themechanical properties of 4 cavity stern bearing is the best compared with the other five different cavity stern bearings. It was found that cavity structure performance of the angle of 55 and the length of 500mmis better than others.

cavity dimension；cavity number；water lubricated；mechanical properties；finite element analysis

TH133.3

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0072 - 06

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.014

2016 - 03 - 02；

2016 - 04 - 05

国家自然科学基金资助项目(51575289)

王建(1989 - )，男，硕士研究生，研究方向为摩擦学与表面工程。