水润滑阻尼型尾轴承有限元仿真计算研究
基于有限元法的艉轴静态计算与模态分析
基于有限元法的艉轴静态计算与模态分析
赵子昂
（中国人民武装警察部队海警学院，浙江宁波 315000）
摘 要：船舶轴系的工作状态对主推进动力装置甚至整个船舶的正常运转起到至关重要的作用，艉 轴部分与螺旋桨直接相连，运转工况多变、影响因素复杂。利用基于 ANSYS APDL 的有限元法，对某实 船艉轴通过位移约束、弹簧单支点约束和弹簧三支点约束条件施加的方式进行轴承模拟建模，并进行静 态校中计算和模态分析，得到不同约束条件下静态和模态的各项状态参数计算结果，分析不同轴承建模 方法下的静态计算结果差异和模态频率与振型，为轴系校中计算、船舶艉轴设计及故障诊断提供参考。
关键词：轴系校中；有限元；模态计算；ANSYS APDL；故障诊断 中图分类号：U664.21 文献标志码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2019.04.001
Static Calculation and Modal Analysis of Stern Shafting Based on Finite Element Method
0 引言
船舶轴系将主柴油机发出的功率传递给螺旋桨， 再由螺旋桨把轴向推力传递给船体，推动船舶行进。 所以，船舶轴系是船舶动力装置的重要组成部分之一[1]。 轴系应具有良好的安装状态，使其全部轴承上的负
荷及各轴段内的应力都处在规定允许的范围内，以保 证轴系可以长时间正常运转[2]。而安装状态的好坏主要 取决于校中质量[3]。良好的校中状态不但可使船舶轴系 性能提高、增加船速、减少振动与噪声，还可以改善 轴承工况、合理分配各轴承负荷、减少轴承磨损、提
ZHAO Zi’ang (China Coast Guard Academy, Ningbo 315000, Zhejiang, China)
水润滑橡胶尾轴承模态影响因素分析
水润滑橡胶尾轴承模态影响因素分析金勇;田宇忠;刘正林【摘要】水润滑橡胶尾轴承由于其减振降噪的优良特性,在舰船中的应用越来越广泛,研究水润滑橡胶尾轴承的动态特性对其工作可靠性具有重要意义.采用有限元计算软件ANSYS对水润滑橡胶尾轴承及其内衬、衬套进行有限元模态分析,研究各种结构形式、不同材料属性对水润滑橡胶尾轴承动态特性的影响规律及其水平.研究表明,水润滑橡胶尾轴承各阶固有频率分布比较集中,其低阶模态主要受到内衬结构及其材料属性的影响,高阶模态主要受到衬套结构及其材料属性的影响.%With the outstanding characteristics of damping and noise-reducing, the water lubrication stem tube rubber bearing has been widely adopted in ships. So, it' s important to investigate the mechanism of the vibration of water-lubricated rubber stem bearing in some special conditions. Finite element modal analysis was introduced into modal analysis of water-lubricated rubber stem bearing, bearing liner and bearing bush separately. The law of different structure and properties of material influences on the dynamic characteristic of water-lubricated rubber stem bearing was studied. Results show that the distribution of the natural frequencies of water lubrication stem tube rubber bearing is concentrated, its low modal is determined mainly by structure and material properties of lining, and higher modes mainly by the structure and properties of materials of bushing.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2011(036)009【总页数】5页(P10-13,23)【关键词】水润滑橡胶尾轴承;模态分析;动态特性【作者】金勇;田宇忠;刘正林【作者单位】上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240;武汉理工大学能动学院湖北武汉430063;中国船级社武汉规范研究所湖北武汉430022;武汉理工大学能动学院湖北武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U664.21作为船舶的关键部件，水润滑尾轴承常用材料为橡胶。
轴承滚子的有限元简化模拟研究
轴承滚子的有限元简化模拟研究文|顾佥随着现代机械工业的精细化发展和计算机软硬件技术的飞速进步，有限元方法已经非常普遍地应用于机械结构设计计算。
在有限元分析中，经常会遇到多个部件之间的非线性连接。
例如，轴承、万向节、铰链等连接结构通常具有复杂的内部接触，如果对每个内部组件都详细建模，就要划分很细致的网格，耗费大量计算时间，因此，在实际的工程应用中，通常会在模型中对它们进行简化处理，以此来提高计算效率。
以轴承为例，目前常用的简化方式是用多组非线性杆单元或者弹簧单元来模拟轴承中的滚动体，将单元属性设置为只受压。
由于去除了滚子的实体网格，滚道与滚子之间也不需要做接触运算，所以这种简化对于计算速度的提升很显著。
但是在这种模拟方式下，如何设置单元的刚度值，才能准确体现轴承滚子的真实刚度，是一个经常让工程师们感到困扰的问题。
通常来说，用实验的方式来获取刚度信息是最准确的方法。
但是对于一些大尺寸的重载轴承，需要制造专门的工装来做实验，成本非常高。
而且实验所得到的结果，一般是一个轴承结构的整体刚度，而不是每个滚子的刚度值，在计算中要把它反算到每个滚子上。
对于一条非线性结果曲线来说，这种反向推导本身就会包含一些误差。
因此，本文尝试用有限元方法来计算和验证轴承滚子的刚度值。
圆柱滚子模拟本文所使用的有限元计算软件为ANSYS 17.2，前处理工具为Hypermesh 14.0。
模型默认单位体系：毫米（mm）、牛顿（N）、秒（s）、开尔文（K）及由此衍生的其他单位。
首先以一款简单的圆柱滚子轴承（其模型如图1所示）为例，该轴承的内径为900mm，滚子直径为75mm，应用于某款直驱型风力发电机组，位于主转轴后侧，是尺寸较大、转速偏低的重载轴承。
由于本文研究的是单个滚子的刚度，因此在有限元建模时，只划分单个滚子的实体单元模型：将轴承内外圈按照截面形状展平，在滚子与滚道之间建立标准接触，取摩擦系数为0.06，将接触位置附近的单元细化。
基于有限元分析和油液监测的轴承疲劳磨损寿命研究
基于有限元分析和油液监测的轴承疲劳磨损寿命研究覃楚东;贺石中;庞晋山;李秋秋;何伟楚【摘要】提出有限元分析和油液监测相结合的方法来预测风电机组轴承疲劳磨损寿命.通过ABAQUS有限元分析,结合某风力发电机的实际运行工况,获得风机发电机后轴承的应力分布和应力时间历程曲线,通过雨流计数法和Miner准则,计算出轴承出现疲劳磨损的寿命时间;运用油液检测和铁谱分析实验,得到该风机轴承的润滑脂性能信息和磨损颗粒信息,从而判断出该轴承的润滑和磨损状态.通过结合分析仿真计算和实验的结果,可以更准确地预测和诊断轴承的疲劳磨损寿命和故障,从而提高风电机组运行的可靠性.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2018(043)007【总页数】6页(P121-125,156)【关键词】疲劳磨损;寿命预测;油液检测;铁谱分析【作者】覃楚东;贺石中;庞晋山;李秋秋;何伟楚【作者单位】广州机械科学研究院有限公司设备润滑与检测研究所广东广州510000;广州机械科学研究院有限公司设备润滑与检测研究所广东广州510000;广州机械科学研究院有限公司设备润滑与检测研究所广东广州510000;广州机械科学研究院有限公司设备润滑与检测研究所广东广州510000;广州机械科学研究院有限公司设备润滑与检测研究所广东广州510000【正文语种】中文【中图分类】TH17风电以其清洁、绿色、可再生、储量大及分布广等优点，受到越来越多的重视和青睐，因而风电产业近些来得到了高速发展[1]。
然而风电机组的工况环境恶劣，安装位置不易拆卸，维护费用高，维修周期长，这对风电机组零部件的可靠性和寿命提出了严格的要求。
轴承是发电机组重要的零部件之一，其可靠性和寿命直接影响到风电机组整机的可靠性和寿命[2]。
风机发电机轴承通常为绝缘型深沟球轴承，作为摩擦零件，它会受到高接触应力、冲击载荷、轴承打滑、润滑不良等的影响，从而会使表面产生微点蚀、磨损和疲劳裂纹[3]。
轴承热装工艺的计算与有限元分析
增大。将增大后的内圈内径尺寸记为A ，内圈内径
尺寸变化量为：
A£» = £»,-£> = aD( Tt - T0 )
(2)
式 中 ：Z? 为 轴 承 初 始 内 径 尺 寸 ；:T, 为轴承内圈目标
加 热 温 度 ;71。为 轴 承 内 圈 初 始 温 度 。
轴承内圈受热膨胀后内径尺寸仏为：
£>, = [ a rnD( T] - T0 ) +
变 形 趋 势 ，推 导 轴 承 内 圈 热 膨 胀 量 计 算 公 式 ，应用有 限 元 方 法 进 行 验 证 ，并 以 一 例 精 密 圆 锥 滚 子 轴 承 的 热装工艺验证理论计算与仿真分析的正确性。
2 轴承内圈热膨胀计算
轴承主要由内圈、外 圈 、滚 动 体 、保持架等构成，
内 外 圈 均 为 薄 壁 件 ，内 外 圈 和 滚 动 体 之 间 存 在 内 部
根据理论计算及仿真分析，温 度 80 t 的预热目 标值是可信的。精密圆锥滚子轴承热装如图6 所 示 ，采用电磁感应加热方式对圆锥滚子轴承进行加 热 。加热温度控制为85 ± 5 T ，达到目标温度后保 持 加 热 1 ~3 min，保 证 圆 锥 滚 子轴承温度均匀。圆 锥 滚 子 轴 承 取 下 后 迅 速 进 行 热 装 ，与 装 配 轴 对 中 后
笔 者 研 制 的 大 型 旋 转 机 架 采 用 摩 擦 轮 驱 动 ，摩 擦轮由一对精密圆锥滚子轴承支撑^轴承与传动轴 为过盈配合，最 大 过 盈 量 为 0.045 mm,轴承参数见 表 1。对 于 轴 孔 配 合 ，通常间隙量约为〇.〇1 mm就 可方便装人。为了将轴承内圈加热至间隙状态装
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验证了理论计算与仿真分析的正确性。 Abstract：The deformation trend of the bearing* s thermal expansion was analyzed, the
水润滑尾轴承振鸣音研究进展
水润滑尾轴承振鸣音研究进展秦红玲;周新聪;闫志敏;刘正林【摘要】Bearing noise or abnormal vibration sometimes originates in water-lubricated rubber stern bearings in marine propeller shaft systems due to operation at low-speed, overloading and poor lubrication conditions. It will affect the comfort of ships, and especially destruct the hidden nature and viability of submarines. Currently, the bearing noise can be neither predicted nor eliminated effectively. Therefore studying the mechanism of stern bearing noise has important theoretical and practical significance. In this paper, research advances of noise generation mechanism, influencing factors and vibration beep suppression technique were reviewed. It is pointed out that a comprehensive study, considering various influencing factors and combining advanced analysis means and testing methods, is necessary. On this basis, detailed design, manufacture, and installation specifications can be developed, bearing performance can be improved and bearing vibration and noise can be reduced.% 水润滑橡胶尾轴承在低速、重载、润滑不良状况下，会出现异常振动与鸣音，影响舰船的隐蔽性与生存能力以及乘员的舒适性。
船舶水润滑尾轴承当量半径等效计算及其摩擦学性能研究_吴祖旻
网络出版时间：2017-07-13 22:49:26网络出版地址：/kcms/detail/62.1095.O4.20170713.2249.010.html船舶水润滑尾轴承当量半径等效计算及其摩擦学性能研究吴祖旻1,2，盛晨兴1,2*，郭智威1,2，李福弘3(1.武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点试验室，武汉 430063；2.国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所，武汉 430063；3.武汉理工大学交通学院，武汉 430063）摘要：水润滑尾轴承摩擦磨损性能是影响船舶工作性能的主要因素之一，合理预测水润滑尾轴承工作过程中的摩擦系数对其性能评估具有重要意义。
目前对于水润滑尾轴承摩擦系数的理论计算公式已经存在。
但由于无法有效获取当量半径，公式的实用性不佳。
对此在总结了边界润滑条件下，水润滑尾轴承摩擦机理的基础上，通过在CBZ-1销盘试验机上进行大量试验来进行当量半径等效参数计算公式的总结与摩擦系数经验公式的验证。
研究结果表明：a）在使用理论摩擦系数计算公式的前提下，当量半径等效参数公式拟合合理，具备较高准确性。
b）试验材料的理论摩擦系数与实际摩擦系数误差较小，为同类型试验摩擦性能研究提供了理论与试验基础。
c）水润滑尾轴承材料在工作过程中的摩擦力来源主要分为滞后摩擦力、犁沟摩擦力以及粘着摩擦力。
当其处于边界润滑状态下时，滞后摩擦力为主要的摩擦力来源。
该研究为水润滑尾轴承的等效当量半径工程应用提供了试验基础。
关键词：水润滑尾轴承；摩擦系数；当量半径；等效参数；边界润滑中图分类号：TH117.1文献标识码：AStudy on the Equivalent Calculate of the Equivalent Radius and the Tribological Performance of the MarineWater-Lubricated BearingW U Zu-min 1, 21, S HENG Chen-xing 1, 2, G UO Zhi-wei1,2,LI Fu-hong3(1. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology (Ministry of Transport), WuhanUniversity of Technology, Wuhan 430063, China;2. Reliability Engineering Institute, National Engineering Research Center for WaterTransportation Safety, Wuhan 430063, China；3. School of transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)Abstract:The friction and wear properties of water-lubricated stern bearing areone of the main influencing factors of the working performance of the marine. It isof great significance to the**基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（51509195）和湖北省高端人才引领培养计划项目（鄂科技通[2012]86 号）National Natural Science Foundation of China (Grant no. 51509195) and Hubei Provincial Leading High Talent Training ProgramFunded Project (File No. HBSTD [2012]86).作者简介：吴祖旻（1994-），男，硕士研究生. E-mail: 919308103@通讯作者：盛晨兴（1969- ），男，教授、博导. 研究方向：船舶动力系统可靠性，E-mail：scx01@performance evaluation of the water-lubricated stern bearing on the reasonable predicting their friction coefficient during the working process. Nowadays, there hasalready existedthe theoretical calculation formula ofthe friction coefficient. However, the practicability of the formula was poorwith the equivalent radius could not be obtained effectively. In this case, the friction mechanisms of water-lubricated stern bearing were summarized under the condition of boundary lubrication.In order to summarize the formula to the equivalent parameter of equivalent radius and verify the calculate formula of the friction coefficient, the CBZ-1 tester was used to do a great number of experiments. The result showed that: (a) The calculation formulas of the equivalent radius was reasonablewith high accuracy fits based on the theoretical calculation formula ofthe friction coefficient.(b) The error between the theoretical and the actual of friction coefficient forthe tested materials was small, it providedthe theoretical and experimental basis for studying the tribological performance of the same type material. (c) The friction sources of the water lubricated stern bearings in the processof work can be divided into hysteresis friction, furrow friction and adhesion friction. The hysteresis friction was the main source of the friction during therunningcondition of the boundary lubrication.This studyprovidedan experimental basis for the engineering application of water-lubricated stern bearing on the equivalent parameter of the equivalent radius.Key words：water-lubricatedstern bearing; friction coefficient;equivalent radius; equivalent parameter;boundary lubrication0 引言尾轴承是支撑船舶轴系的重要部件之一，目前水润滑尾轴承的应用最为广泛。
水润滑船舶艉管轴承内部流场数值分析
船舶艉管轴承是 船舶推进 轴系 的重要 组成 部分, 它的作用是支承螺旋桨轴。螺旋桨轴位于轴系的最后 端, 其后端装有螺旋桨, 前端穿过尾轴管轴承与中间 轴相连接。螺旋桨运转时不均匀的动载荷和船艉部振 动使得螺旋桨轴发生各种振动, 螺旋桨轴的振动使其 在艉管轴承中的位置是时变的, 螺旋桨轴对艉管轴承 产生冲击, 这种 冲击 也导 致 艉管 轴承 润滑 状 态的 变 化, 因此艉管轴承的工作条件非常恶劣。 由于用水作润滑介质具有无污染、来源广泛、节 省能源以及安全和难燃等特点, 船舶艉轴很多采用水 润滑。由于水润滑轴承内瓦形状的多样性, 其流体力 学模型的建立比较复杂, 因此研究轴承内瓦形状对其 水润滑特性研究具有重要意义。本文作者建立了船舶 艉管轴承的数学模型和内部流体域模型, 并利用数值 计算方法对轴承内部流场进行了分析, 比较计算结果
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( 4 ) 忽略水膜受到的体积力; ( 5 ) 由于水的流体惯性 力较其 粘性剪切 应力小, 因此忽略水的流体惯性力; ( 6 ) 润滑 表面 无滑 动产 生, 即 认为 在轴 承 界面 上水流速度与表面速度相等; ( 7 ) 水为不可压缩牛顿流体; ( 8 ) 由于水 的密 度、粘 度 随压 力、温 度 的 变化 很小, 从而认为它们在轴运转的过程中恒定不变; ( 9 ) 轴承 在 工 作 时 的 状 态 为 准 稳 态, 即 密 度、 膜厚等参数不随时间而改变。 根据微 元体 的平 衡 速 度 方程、流 量方 程、 连续 方程及上 述 假设 条件, 可得 到水 膜 动压 润滑 雷 诺方 程: p p 3 3 h h + h = 6U ∋ ( 7) x y y x x 式中: ∋ 为水的密度; U 为滑动速度; h 为水膜厚度; p 为水的压力。 1 2 计算流体力学通用控制微分方程 连续方程、动量方程、能量方程等都服从一个通 用的微分 方程, 用 ( 表 示因 变量, 通用 的控 制 微分 方程是: t () ( ) + d iv ( ) u ( ) = d iv ( ∗ grad( ) + S ( 8)