艉轴承载荷分布影响因素研究

徐 勇，周瑞平，胡云飞

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

某系列船在首次坞修过程中，发现艉轴架赛龙轴承出现非正常磨损[1]；为保证船舶航行安全和轴系正常运转，在坞修时更换艉轴赛龙轴承。

轴系因螺旋桨悬臂作用易产生过大弯曲变形，使轴承产生“边缘效应”，局部压力过高，实际接触长度较设计长度短，接触面积小。关于水润滑轴承承载能力研究及轴承磨损机理，国内外学者做了大量的探索性工作[2-8]。荀振宇[9]等采用有限元方法研究了艉轴承弹性模量、轴承间隙和材料厚度对轴承载荷分布的影响；张少凯[10]等通过采用改变轴承斜度方法以改善轴承压力分布；车凯凯[11]等用数值仿真方法探讨了接触力、转速、轴承倾斜等因素对轴系响应特性影响；Xiuli Zhang[12]提出了用于选取刚性衬套水润滑轴承径向间隙和长度的合理方法；而关于轴承斜度及长度共同作用对降低轴承比压、改善轴承载荷分布的机理研究较少，且大多未考虑轴承与衬套间的相互影响。为解决赛龙轴承异常磨损问题，以艉轴架轴承及轴承衬套等为研究对象，建立线性与实体耦合的有限元混合模型，研究轴承衬套载荷分布的影响因素，优化艉轴承使用性能，提高承载能力，延长使用寿命。

1 有限元分析

该船艉轴架的局部结构主要包含艉轴、艉轴架中间衬套、艉轴架轴承衬套、艉轴支架、导流罩、赛龙轴承、轴承挡环等，如图1所示。在轴承衬套外圆沿长度方向包含6个部分，其中3个部分含台阶，起承载作用，另外3个部分进行凹陷处理，其略低于外圆2 mm。初始设计中，赛龙轴承处于图1中①～③承载区内。

图1 艉轴架轴承及铜套原始设计方案

1.1 计算模型

在大型通用有限元分析软件中，传统建模方式主要分为梁单元建模和实体单元建模，两者均可对组合构件进行准确地模拟。前者具有较高的求解效率和建模速度，收敛性较好，但无法保证计算精度。后者对复杂模型求解速度极慢，计算所耗资源大，易出现由于局部应力集中造成整体平衡迭代不收敛，导致无法获得计算结果。为减少计算所需时间与资源，选取“局部细分，整体粗化”的建模方法。艉轴架局部采用三维实体模型，其余轴系均采用线型模型，并将线性模型与实体模型耦合。

根据艉轴架结构设计特点，为确保理论模型与实际情况契合，建立艉轴、艉轴赛龙轴承、轴承衬套及中间衬套等局部结构的实体模型，并定义艉轴、赛龙轴承、艉轴架轴承衬套、艉轴架中间衬套等4个部件两两接触，形成3对接触单元。在模型坐标系中，定义X轴正向为水平左舷方向，Y轴正向为垂直向上方向，Z轴正向为船首方向。

1.2 边界条件

经艉轴受力分析后，对模型施加约束。艉轴两端面分别与两轴段相连，相连部位约束轴向扭转自由度；赛龙轴承内表面与艉轴接触，外表面与轴承衬套接触，仅在首端面位置约束轴向位移自由度；轴承衬套内表面与赛龙轴承相接触，外表面3个承载区与中间衬套相接触，仅在首端面位置约束轴向位移自由度；中间衬套内表面与轴承衬套相接触，在外表面下半部区域完全约束，其余自由度均无约束。螺旋桨等效为132 kN的垂向作用力，各个轴承限制垂向、轴向与横向的位移自由度，保持旋转自由度。

1.3 计算结果

由有限元计算结果可知，1 000.0 mm、1 500.0 mm及1 700.0 mm 3种不同长度的轴承在同一工况下，艉轴、赛龙轴承、轴承衬套及中间衬套应力分布一致，最大应力分别为178.0 MPa、44.9 MPa、54.6 MPa、46.8 MPa，且在轴承尾部均有明显的应力集中，即“边缘效应”。不同轴承长度下赛龙轴承载荷分布情况十分接近，说明轴承直接加长对赛龙轴承应力分布无明显影响。

2 轴承载荷分布影响因素分析

艉轴与赛龙轴承实际接触面积过小，易使船舶航行中轴承局部载荷过大导致磨损严重，故对赛龙轴承进行倾斜或采用斜镗孔处理以增加有效接触面积，降低轴承比压。

通过改变轴承中心线尾端面垂向距离△h以表征斜度大小，分析不同斜度、不同轴承长度对艉轴承载荷分布影响。

计算结果如图2所示，其中图(a)、图(b)、图(c)为同一轴承长度(1 000.0 mm)条件下不同轴承斜度的对比，图(a)及图(d)、图(b)及图(e)、图(c)及图(f)分别为同一斜度不同轴承长度的对比。比较图2可知，一定条件下，轴承斜度及长度对艉轴架轴承载荷分布影响十分显著。

2.1 轴承斜度

当轴承长度一定(1 000.0 mm)时，与无倾斜条件下轴承载荷分布情况相比，轴承低斜度(3.0 mm/1 000.0 mm)对轴承尾部局部峰值压力及接触面积均无明显影响。△h增大，尾部最大垂向力减小14%，作用点位置固定不变，接触载荷在轴向的分布范围增加一倍。当斜度为5.0 mm/1 000.0 mm时，首部峰值压力及受力面积均远小于尾部，增加斜度至7.0 mm/1 000.0 mm，首尾峰值压力差明显减小，受力面积增大50%，表明斜度越大，轴承尾部所受承载力越小，首部承载作用越明显，“边缘效应”削弱，有利于增加轴承的使用寿命。

2.2 轴承长度

当轴承无倾斜及低斜度(3.0 mm/1 000.0 mm)时，轴承加长至1 500.0 mm，轴承载荷分布情况无变化。因为斜度过小，或首部部分轴承落在非承载区，轴承处于“脱空”状态，因此对轴承载荷分布影响不明显。当斜度为5.0 mm/1 000.0 mm时，

轴承加长至1 700.0 mm后，首部峰值压力减小65%，艉轴与赛龙轴承接触面积增加70%；当斜度为7.0 mm/1 000.0 mm时，轴承加长至1 700.0 mm后，艉轴与赛龙轴承接触面积增加70%,首部峰值压力减小59%。结果表明，一定条件下，当轴承斜度相同时，轴承加长可增大艉轴与赛龙轴承的接触面积，大幅度减小首部最大垂向力，但对尾部载荷分布影响不明显。

2.3 等效支点

根据轴系校中要求，对于白合金轴承衬、铁梨木轴承衬和橡胶轴承衬，艉轴承等效支点分别取距轴承衬后端面的距离(1/7～1/3)L、(1/4～1/3)L和(1/3～1/2)L范围内，L为轴承衬的长度；其它轴承的支点位置，均取沿轴承衬长度的中点。基于有限元分析结果，不考虑轴承倾斜时，各个轴承长度下总垂向力约为221.49 kN，等效支点位于145.0 mm位置。考虑轴承倾斜时，在轴承长度一定条件下，赛龙轴承总垂向作用力Fy略微增加，等效支点不断向首端移动(其距离为Lz)。当轴承斜度保持不变时，增加轴承长度使首部承载力大幅度减小，首部承受载荷占整个轴承载荷权重比减小，因此等效支点反向朝尾端移动，如表1所示。

表1 赛龙轴承总垂向力分析表

3 轴承衬套影响

艉轴承“边缘效应”不仅使轴承局部载荷过高，润滑不良，振动增加，同时也加剧了轴承与轴承衬套之间的摩擦，导致轴承衬套出现严重磨损，使轴承间隙实际值与设计值之间有较大偏差，影响校中精度。为研究轴承倾斜以及轴承与衬套加长对轴承衬套载荷分布影响，以赛龙轴承与轴承衬套接触对为研究对象，分析影响因素对改善轴承衬套磨损状况的变化趋势。

依据有限元计算结果可知，轴承衬套与轴承载荷分布的变化趋势保持一致。轴承无倾斜(△h=0 mm)时，轴承加长无影响，尾部最大垂向力高达1 610 N，轴向接触长度为480.0 mm；轴承长度为1 000.0 mm时，轴承低斜度(△h=3.0 mm)对衬套局部峰值压力及接触面积均无明显影响；而增大斜度(△h=7.0 mm)后，尾部局部峰值压力显著降低至1 200 N，部分压力转移至首部，有利于改善因载荷过大引起衬套磨损的不良状况。保持斜度为3.0 mm/1 000.0 mm，将轴承加长至1 500.0 mm，轴承衬套的载荷分布情况不变；而斜度增至7.0 mm/1 000.0 mm时，将轴承加长至1 700.0 mm，轴承与衬套接触面积增加一倍，首部峰值压力降低一半，磨损量大幅度减少。

4 结束语

1)针对艉轴承出现严重异常磨损问题，基于有限元方法对艉轴承及轴承衬套进行接触分析计算，可良好地模拟艉轴承及衬套在不同斜度不同长度下载荷分布情况，为校中计算中轴承等效支点选取与改善磨损状况提供可靠的理论依据。

2)轴承磨损大多因轴承比压及支点处的转角超过规范许用最大值引起，可采用轴承倾斜进行处理，削弱“边缘效应”。其斜度应以艉轴弯曲程度为依据进行合理选取，斜度过小则无明显影响，斜度过大则可能使艉轴承出现局部脱空，甚至造成其他轴承出现负负荷等不利影响。

3)合理选取轴承斜度后，轴承加长有利于进一步增加轴承实际接触的有效面积，大幅度减小艉轴承局部峰值压力,轴承比压明显降低，轴承及衬套的磨损状况改善效果显著，对提高轴承承载能力及延长使用寿命有重要影响。