基于TEHD计算模型的船用推力轴承振动研究

于志民，徐燕铭，张仕海

(天津海运职业学院,天津　300350；天津职业技术师范大学，天津　300222)



基于TEHD计算模型的船用推力轴承振动研究

于志民，徐燕铭，张仕海

(天津海运职业学院,天津300350；天津职业技术师范大学，天津300222)

研究船用柴油机推力轴承油膜对机体震动的影响，通过建立TEHD轴承计算模型多体动力学模型，分析TEHD模型下最大油膜压力、最小油膜厚度对振动影响，分析推力轴承的弹性变形以及热变形对震动影响，在柴油机不同转速情况下对柴油机纵向震动的影响，通过模拟和实验对柴油机设计轴承刚性要求及维护管理中油压、油温提供理论指导。

柴油机推力轴承；TEHD多体动力学；震动

一、引言

研究柴油机的振动可从整机振动、结构振动、轴系扭转振动、部件振动等方面进行研究，柴油机推力轴承故障80%以上是由于润滑引起，润滑膜的破坏是造成故障的直接原因，而震动是对润滑膜的破坏起到间接促进作用，震动对整个柴油机系统的安全性和使用性能直接影响，一般所说的柴油机振动实际上是指整机振动，单一震动对柴油机震动危害有限，共振是造成柴油机故障的最主要原因，本文从推力轴承润滑角度研究油膜对柴油机纵震动的微观影响，对柴油机隔振和减震提供理论依据，在建模过程中把推力轴承视为弹簧阻尼单元，本文研究推力轴承在外界因素变化的情况下，比如润滑油的粘度、油温的变化，外界受力变化等等对推力轴承的油膜影响，为了分析这些因素的影响，本文采用推力轴承TEHD计算模型，该模型考虑油温对油膜的影响并且同时考虑了推力轴承的热弹性变形对油膜厚度的影响。

二、TEHD计算模型建模

TEHD模型是基于求解拓展雷诺方程数值计算模型，推力轴承在工作过程中通过推力块以刃角为支撑小角度摆动来实现液体动压润滑，工作中受推力大小和油温和油压及润滑油的特性影响，在建模中没有考虑润滑油的品质的影响，当机械负荷和油温变化时认为推力轴承是弹性变形，引起油膜厚度的变化，同时考虑油温的油膜厚度的影响，进而影响推力轴承的震动。为了研究上述的变化规律本文采用TEHD计算模型来研究，TEHD计算模型建模是研究润滑油的油膜厚度变化由于轴承的受力弹性变形以及考虑了热变形的分析研究模型。

(一)广义雷诺方程

[1]

(二)油膜能量方程

推力轴承是传递推力的部件，轴向力是通过推力块传递给油膜，油膜传递机体，机体传递给地脚螺栓，在推力传递过程中不可避免会产生热量，热量的产生造成油温的升高，油膜传递过程中润滑油膜能量变化关系可以用公式[2]表示，在该公式中，v, u, w 为润滑油膜三个方向的速度；Cp为润滑油膜的比热；T为润滑油膜的温度，k为润滑油膜的传热系数。

[2]

(三)油膜厚度方程

轴向推力是通过推力块传递给油膜，油膜传递机体，在推力传递过程中不可避免会产生热量，热量的产生造成油温的升高，推力轴承热变形的润滑油膜厚度方程 [3],在润滑油膜厚度方程中h0是理想状态的油膜厚度即不考虑变形影响，he是推力轴承弹性变形导致的油膜厚度变化量，ht是推力块热变形导致的油膜厚度变化量，C是推力轴承间隙，L是推力块的宽度，e是推力块的中心线长度，e0、ψ0是推力块的轴向偏心向量。

[3]

假设弹性变形和热变形都是线性过程，在受压状态下的推力轴承径向变形可如公式[4]所示，受热状态下推力块轴承热扭曲变形可以用公式[5]表示：

[4]

[5]

在公式[4]和[5]中[K]为变形矩阵，[P]为油膜压力，变形矩阵[K]可通过有限元法求解，B是几何矩阵，D是弹性矩阵，εT为热应变。

(四)多体动力学方程

在广义坐标下，柔性体的多体动力学方程由约束方程和运动方程两部分组成。柔性多体系统的约束方程如公式[6]所示，

C(q,t)=0

[6]

[7]

三、有限元建模与震动分析

(一)有限元建模

推力轴承推力块油膜网格划分及中心差分格式图2-1-1

图2-1-1　油膜网格划分及中心差分格式

在柴油机正常运转情况下，油温恒定推力不变情况下油膜压力分布见图2-1-2和模拟推力块有限元模型中压力加载示意图2-1-3

图2-1-2　油膜压力分布

图2-1-3　推力块有限元模型中压力加载示意

在柴油机正常运转情况下，油温恒定推力不变情况下推力块温度分布图推力轴承推力块温度场，由图2-1-4,可知在推力块的左下角位置温度最高，对推力块工作最不利。

图2-1-4　推力轴承推力块温度场

推力块有限元模型中进行压力加载，在模拟软件中采用Link 单元，采用模拟支柱机构分别计算推力块热变形如图2-1-5，推力块的弹性变形如图2-1-6，以及推力轴承推力块热弹性综合变形如图2-1-7。

图2-1-5　推力块热变形

图2-1-6　推力块弹性变形

图2-1-7　推力轴承推力块热弹性综合变形

通过三种情况的变形模拟图可知：推力轴承的油膜厚度、压力分布情况推力轴承油膜膜厚度取决于推力瓦与推力环的间隙形状，油膜厚度呈平- 斜平面分布. 最大油膜厚度δmax = 10.5μm ,最小油膜厚度δmin = 4.3μm.,推力瓦径向油膜压力存在两边低、中间高的分布趋势. 推力瓦径向油膜压力由瓦内径到外径呈增大趋势,靠近外径时达到最大. 周向油膜压力从旋入位置到旋出位置呈先增后减趋势，初始压力不同时, 膜厚和温度的响应时间不同, 初始压力越小, 油膜温升及最小膜厚的变化量越大。

(二)推力轴承体震动建模分析

推力轴承主要由壳体、推力轴、推力块及支承结构、液体动压润滑系统组如图2-2-1

图2-2-1　推力轴承结构

采用二阶四面体划分推力轴承体的有限元模型，共得到4万多个万单元，7万多个万节点。推力轴承上壳体共划分22282个单元,下壳体共划分23170个单元推力轴承体的有限元网格如图2-2-2所示。

图2-2-2　推力轴承体的有限元网格

通过ANSYS的(block)模块lanczos法对柴油机推力轴承系统进行整体有限元模型进行约束模拟图2-2-3整体有限元模型进行约束模拟图 a和b固有震动分析

图2-2-3　整体有限元模型进行约束模拟

通过对振型分析，提供了柴油机推力轴承整体纵向减震理论依据，对柴油机设计和安装提供帮助，推力轴承节点的振动幅值为轴系纵振在推力轴承节点的响应值，轴系纵振对柴油机的激励推力轴承节点的轴向振动响应越小，振动幅值下降。

四、实验

本文的实验对象是6300ZC柴油发动机由山东淄博柴油机总公司制成，柴油机551KW的额定功率，额定转速500r/min。对于飞轮端的旋转方向为R，采样频率为10KHz和样品长度是5K点。实验转速为300r/min，500r/min，测量现场图如3-1-1，振动监测模块根据精度等级的要求，判断测点的振动是否符合要求，测量振动量是否在测量精度范围内，如果符合要求则开始测量实验．实验分三个步骤进行：

图3-1-1　震动测量现场

(一)实验前滑油温度预热到30°C，油压0.3MPa。发动机启动后稳定转速300r/min，测量推力轴承的初始振动信号，并采用盲源分离方法分离出基频振动信号。

(二)第一个滑油温度由30°增加到50°C，油压0.3MPa，柴油机转速300 r/min测量推力轴承振动信号，如图3-1-2两种振动情况a)

(三)第二个油温稳定50°C，油压0.3MPa，柴油机转速300 r/min增加到500 r/min，测量推力轴承震动信号，如图3-1-2两种振动情况b)

图3-1-2　两种振动情况

通过改变滑油温度和柴油机转速，测量震动信号，通过图3-1-2可知，当油温变化和外界负荷变化情况下，对推力轴承振动是有明显变化，采用ANSYS软件模拟是一种有效方法，对推力轴承设计和日常管理提供技术服务。

五、结论

一是，分析推力轴承的油膜压力、膜厚和温度分布情况，同时推力轴承在温度和和油压变化情况下对震动的影响。

二是，轴系纵振对柴油机的激励推力轴承节点的轴向振动响应越小，振动幅值越下降。

三是，分析柴油机推力块工作情况采用ANSYS软件模拟是一种有效方法，并提出油压油温对油膜的变化的影响，进而对震动的影响，对推力轴承设计和日常管理提供服务。

四是，初始速度不同时, 推力轴承转速越高, 推力压力越大，在低速最高温度变化量比高速温度变化量大,低速下膜厚比高速小。

[1]张仕海，等.机床主轴内置式双面在线动平衡装置及系统[J].北京工业大学学报，2012，(06).

[2]杨陈，郝志勇，陈馨蕊.柴油机机体辐射噪声预测及低噪声改进设计[J].江苏大学学报(自然科学版)，2008，29(04).

[3]李民，舒歌群，卫海桥.发动机安装条件对多体动力学计算影响的研究[J].内燃机工程，2009,30(04).

[4]苏铁熊，杨世文，崔志琴，等.复杂结构结合部动力学仿真模型研究[J].华北工学院学报，2001,22(03).

Research on Marine Thrust Bearing Vibration based on TEHD Computing Model

YU Zhi-min, XU Yan-ming, ZHANG Shi-hai

(TianjinMaritimeCollege,Tianjin, 300350;TianjinUniversityofTechnologyandEducation,Tianjin, 300222)

the impact of the thrust bearing oil film of marine diesel engine to the vibration of the body of the engine is studied hereby, through establishing TEHD bearing computing model and multi-body dynamics model, the impact of the maximum film pressure and the minimum film thickness on vibration under TEHD model is analyzed and impact of the elastic deformation of the thrust bearing and thermal deformation of shocks on vibration is analyzed, the impact of diesel engine vertical vibration under different speeds, and it proposes theoretical guidance for the design of diesel engine, maintenance and management requirements and the rigidity of the bearing oil pressure, oil temperature through simulation and experiments.

diesel engine thrust bearing; TEHD multi-body dynamics; vibration

2015-05-15

于志民(1972-)，男，河北人，天津海运职业学院轮机工程技术系副教授，主要研究轮机工程；徐燕铭(1987-)，男，江苏人，天津海运职业学院轮机工程技术系讲师，在职研究生，主要研究船用柴油机模态分析；张仕海(1977-)，男，河南人，天津职业技术师范大学 教授，博士，主要精密与超精密数控技术及其装备方面的研究。

TP319

A

1673-582X(2016)09-0078-07