船用剖分式橡膠軸承接觸性能分析

船用剖分式橡膠軸承接觸性能分析

為了減少由于缺少軸承泄漏造成的水環(huán)境，水潤理方法受到了高度重視。水潤理軸承在船舶上得到了廣泛應(yīng)用，如橡膠軸承。橡膠艉軸承有剖分式和整體式兩種。當(dāng)船舶艉管軸承由于磨損或損傷等原因,需要進行檢查或更換時,剖分式與整體式相比具有拆裝方便、維修時間短等優(yōu)勢。但任何水潤滑軸承也有不足之處,尤其在低速、重載以及啟動與停機瞬間,軸承與軸之間難以建立完整的水膜將兩者隔離,甚至出現(xiàn)接觸狀態(tài)。這種接觸狀態(tài)對軸承的摩擦和磨損有重要的影響。文中以船用剖分式水潤滑橡膠艉軸承為研究對象,應(yīng)用有限元接觸仿真方法,重點研究軸承的接觸狀況,分析在螺旋槳重力作用下,軸承的接觸壓力、有效應(yīng)力和接觸位移的分布狀況,以及水槽數(shù)目對接觸壓力、有效應(yīng)力和接觸位移等參數(shù)的影響規(guī)律。1橡膠臂的解剖1.1軸系統(tǒng)優(yōu)化裝置設(shè)計船用剖分式水潤滑橡膠艉軸承(以下簡稱軸承)由上下瓦組成。上下瓦結(jié)合面與軸線成一定夾角,方便裝卸,并保證瓦塊自鎖,防止上下瓦在工作中出現(xiàn)相互錯動。瓦的內(nèi)襯為橡膠,外襯為鋼套,其結(jié)構(gòu)見圖1。圖2所示為軸承與螺旋槳軸的裝配示意圖,模擬軸承受力狀況。螺旋槳軸(以下簡稱軸)的左端施加螺旋槳重力P,右端約束。1.2軸承和殼體的幾何參數(shù)和材料的物理性能參數(shù)軸承與軸的幾何參數(shù)和材料物理性能參數(shù)見表1、表2。2橡膠軸承的有限接觸模型2.1接觸問題的求解根據(jù)圖1與圖2所示,應(yīng)用Adina軟件建立軸承與軸的有限元模型,重點解決軸承與軸的接觸問題。Adina軟件提供有節(jié)段接觸、點對點接觸、剛性目標(biāo)接觸等三種接觸類型,常用的求解方法有Lagrange乘子法、罰函數(shù)法以及基于求解器的直接約束法。由于橡膠是非線性和超彈性的材料,因此采用節(jié)段接觸模型建模和直接約束法求解。2.2有限元模型通過六面體映射網(wǎng)格,分別建立軸頸、銅襯套、橡膠、鋼套和螺旋槳的8節(jié)點,3DSolid單元網(wǎng)格。其中軸頸5400個單元,7440個節(jié)點;銅套襯16200個單元,23040個節(jié)點;橡膠18144個單元,24480個節(jié)點;鋼套64680個單元,10800個節(jié)點,螺旋槳540個單元,960個節(jié)點。橡膠艉軸承與艉軸某一截面的有限元模型見圖3所示。邊界條件和載荷的處理如下:1)在軸銅襯套和軸承橡膠內(nèi)襯面間以及在軸承的剖分面間分別建立接觸對;2)在軸承鋼套的外表面施加全固定約束,同時,在軸的一端面施加全約束,另一端施加P為3.4×104N重力載荷,模擬螺旋槳的重力。3計算與分析3.1軸承端面面周向接觸壓力分析由于螺旋槳重力的懸臂作用,軸承負(fù)荷分布產(chǎn)生邊緣效應(yīng),靠近螺旋槳端的(軸承尾端面)接觸壓力最大,變形也最大,并從軸承尾端向首端呈梯度分布。由此可見,軸承尾端面的工作條件惡劣,對軸承的使用性能與壽命周期有重要的影響。因此以圖2中的軸承尾端面為研究對象,進行接觸壓力分布、有效應(yīng)力分布和接觸位移分布研究。1)接觸壓力分布狀況。軸承尾端面周向接觸壓力分布見圖4。由圖4可見,在螺旋槳重力作用下,軸承尾端面的接觸壓力主要分布在軸承下瓦120°圓周范圍內(nèi)。接觸壓力分布曲線上出現(xiàn)多個波峰和波谷,這主要是軸承上開有24個軸向水槽,使得接觸壓力分布沿周向不連續(xù),出現(xiàn)間斷,導(dǎo)致每個板條的接觸壓力呈獨立的拋物線分布狀況,板條中間壓力最大。圖4中的正壓力為板條下凹變形所致,負(fù)壓力為上凸變形所致。在軸承下瓦12個板條中,中間板條的接觸壓力最高,其兩側(cè)板條逐漸下降。最大接觸壓力為3.72MPa,最小接觸壓力為-0.814MPa。2)有效應(yīng)力分布狀況。軸承尾端面周向有效壓力分布見圖5。圖5的有效應(yīng)力分布趨勢與圖4基本相同,但軸承尾端面有效應(yīng)力分布沿著周向連續(xù),沒有因水槽的存在而出現(xiàn)間斷。有效應(yīng)力分布曲線不圓滑,每一板條中間的有效應(yīng)力較低,兩側(cè)較高。最大有效應(yīng)力為7.68MPa,最小有效應(yīng)力約為0。3)接觸位移分布狀況。軸承尾端面的接觸位移分布見圖6。由圖6可見,在軸承下瓦120°范圍之內(nèi),軸承尾端面的接觸位移曲線出現(xiàn)中間下凹,兩側(cè)明顯拱起,具有波峰和波谷以及間斷點。下凹最大為0.147mm,上拱最大為0.00986mm。3.2軸向接觸壓力分析水槽數(shù)目對軸承的接觸性能有重要影響。在水槽寬度和深度一定的情況下,分別計算水槽數(shù)目為10、15、20和24時,軸承中間板條沿軸向(z方向)的接觸壓力、有效應(yīng)力和接觸位移變化。1)接觸壓力分布。軸承下瓦中間板條軸向接觸壓力變化見圖7。由圖7可見,從軸承尾端到首端,中間板條的接觸壓力沿軸向先增大后減小,在離尾端0.04m左右出現(xiàn)一個峰值。隨著水槽數(shù)目的增加,接觸面積增大,接觸壓力有一定下降,接觸壓力峰值點略向軸承尾端移動。2)有效應(yīng)力分布。軸承底板條軸向有效應(yīng)力變化見圖8。圖8的有效應(yīng)力分布趨勢與圖7有一定相似。從總體上看,中間板條的有效應(yīng)力沿著軸向下降,尤其在離尾端0.04m以后下降很快,峰值不明顯。隨著水槽數(shù)目的增加,相應(yīng)位置處的有效應(yīng)力有所增加,但在離尾端0.15m以后,基本相同。3)接觸位移分布。軸承下瓦中間板條軸向接觸位移變化見圖9。由圖9可見,從軸承尾端到前端,中間板條的接觸位移絕對值沿軸向逐漸減小,在離尾端0.175m左右出現(xiàn)上拱,這主要是板條的尾端面沒有約束,在螺旋槳重力的懸臂作用下,軸相對軸承發(fā)生傾斜,導(dǎo)致板條尾端附近產(chǎn)生嚴(yán)重的下垂變形,首端部分區(qū)域與軸脫空,板條中間出現(xiàn)拱起。從圖9還可以看出,水槽數(shù)目對軸承中間板條沿軸向的接觸位移的影響不明顯。4軸承下瓦有效應(yīng)力分析2)軸承下瓦中間板條的接觸壓力從軸承尾端到前端,呈先增大后減小的趨勢,并在離尾端0.04m左右出現(xiàn)一個峰值;隨著水槽數(shù)目的增加,軸承下瓦中間板條的接觸壓力減小,有效應(yīng)力增加。3)軸承下瓦中間板條的有效應(yīng)力沿軸向下降,尤其在離尾端0.04m以后下降很快。隨著水槽數(shù)目的增加,在距尾端0.15m范圍內(nèi)有效應(yīng)力有所增加,但超過0