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原文传递计入挠曲的油润滑艉轴承动力学特性研究

论文题名：	计入挠曲的油润滑艉轴承动力学特性研究
关键词：	船舶艉轴承;挠曲变形;油膜动力学;质量守恒算法;润滑性能
摘要：	随着船舶大型化的发展，推进轴系作为船舶动力装置的核心部件，其运转的安全性保障着船舶稳定运行。而艉轴承作为推进轴系的重要支承部件，其润滑不良或失效是导致推进轴系故障频繁发生的主要因素之一。目前大多数的商业远洋船只依旧采用白合金艉轴承，本文结合某船的白合金艉轴承，通过理论研究和台架试验等方法，考虑润滑表面形貌、轴颈挠曲变形、轴瓦弹性变形及润滑摩擦热效应的影响，对艉轴承的混合润滑性能、空穴效应、热弹流润滑模型及轴承-轴颈系统的动力学特性等方面展开研究。　　在艉轴承混合润滑分析方面，首先对艉轴的悬伸布置引起的挠曲变形进行分析，采用位移叠加法计算艉轴在外载荷、润滑油膜力及微凸体接触力共同作用下的挠曲变形；然后引入平均Reynolds方程和微凸体接触模型，描述润滑油膜力及微凸体接触力与油膜厚度之间的关系；最后针对所研究的艉轴承进行考虑轴颈挠曲的混合润滑分析，研究轴颈挠曲对艉轴承润滑油膜压力分布、油膜厚度分布的影响，并基于Stribeck曲线研究混合润滑(ML)-液压润滑(HL)转化点与微凸体接触力之间的关系，同时给出轴颈挠曲对润滑状态的影响。分析结果表明，在低转速运行工况下，由于油膜难以建立，艉轴承处于混合润滑状态，微凸体与油膜共同承受载荷；由于轴颈的挠曲变形，使得艉轴承尾端部分油膜厚度变形，进而使得最大油膜压力的位置向尾端面移动，此时会出现单边承载现象，使得轴承磨损加剧。　　为研究空穴效应对轴承润滑的影响，在流体动力润滑理论基础上，基于质量流量守恒原理，推导了质量流量守恒边界条件(JFO边界条件)，并结合轴承混合润滑理论，建立了同时适用于空穴区及全膜润滑区的二维统一Reynolds方程。运用不可压缩流体空穴算法求解润滑方程，计算艉轴承油膜压力分布，并与文献试验数据进行对比；研究不同边界条件对轴颈挠曲变形、油膜压力分布、空穴区位置迁移及ML-HL转换点的影响。结果表明，JFO边界条件计算得到的油膜压力分布更接近实际情况；当考虑轴颈挠曲之后，空穴区也出现跟最大油膜压力相似的规律而向为端面移动；由于空穴区也会承受部分载荷，使得考虑空穴之后，轴承的承载能力增强。　　由于重载低速情况下轴瓦的变形及润滑热效应不可忽略，文中对艉轴承进行热弹流润滑分析。基于点接触弹流润滑理论，结合艉轴承的结构，利用变形矩阵法求解轴瓦弹性变形，并引入能量方程及热传导方程，计算润滑油膜及轴瓦表面的温度分布。结合考虑空穴效应的混合润滑理论，分析艉轴承热-弹流润滑性能，分别研究轴瓦弹性变形和热效应对轴承压力分布、油膜厚度分布的影响。针对船舶艉轴承尾端受载这一特点，根据前述理论基础，设计尾端负载的滑动轴承润滑性测试试验台，并在此试验台上展开试验研究。将试验结果与数值仿真分析结果进行对比，验证文中建立的润滑程序的准确性；同时研究负载、转速、供油压力等因素对油膜压力分布的影响，并对比富油和贫油润滑状态下摩擦力曲线。结果表明，由于微凸体的接触摩擦，使得混合润滑状态相比于液压润滑状态下的摩擦力曲线出现了较大波动，此现象可以作为利用摩擦力信号在线监测润滑状态的依据。　　最后利用微扰动法，给出油膜动态参数的计算方法，研究考虑润滑及艉轴初始下沉量的艉轴承动力学特性。并分析油膜的等效支撑刚度及油膜合力位置与转速、轴颈尾端下沉量等参数的关系；然后将轴承动力学与摩擦学进行耦合分析，给出考虑油膜之后轴系固有频率及回旋振动的变化。结果表明，油膜的等效支撑刚度，在没有下沉量时，随着转速的增大而减小；当轴下沉后，油膜的等效支撑刚度随着转速的增大而增大，且变化趋势越来越缓；同一转速下，油膜支撑刚度随着下沉量的增大而减小；而且通过轴系固有频率及回旋振动计算，说明润滑油膜对轴系动力学特性有较为明显的影响。
作者：	何涛
专业：	动力机械及工程
导师：	邹德全
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文