破冰船推力軸承特性研究

李永海 趙鴻博 孫向志 郭曉東 汪雷

摘 要：借助有限元分析方法，對某破冰船與冰層相撞過程進行仿真從而得到冰載荷，在此瞬態過程中對點支承扇形瓦推力軸承的瞬態動特性進行了計算，并結合剛度系數和阻尼系數對軸承動特性進行分析。結果表明：針對某一船舶，最大冰載荷與船速、冰層厚度近似成正比;最大冰載荷出現在碰撞過程中前1s的時間內;油膜厚度隨載荷的增加變薄，油膜剛度系數、阻尼系數隨油膜厚度減小而變大，且變化規律相同。

關鍵詞：有限元分析;冰載荷;推力軸承;剛度系數;阻尼系數

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.010

中圖分類號： TH133.3

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）05-0054-05

Abstract：By means of finite element analysis method， we simulate the process of the icebreaker and ice collision to obtain the ice load. The transient point supporting fan-shaped thrust bearing dynamic characteristics were calculated in this transient process，and analyse the dynamic characteristic with the stiffness coefficient and damping coefficient.The analysis results show that： For a certain ship， the maximum ice load is approximately proportional to ship speed and ice thickness; the maximum ice load appears in the first second during the collision process;The oil film thickness decreases by the increasing load， and the stiffness coefficient and damping coefficient of oil film increase by the decreasing oil film thickness， and the change rules are the same.

0 引 言

近年來，由于越來越多的極地資源被發現，導致世界許多國家都把目光放在了那里，而破冰船這種能在極地航行的船舶的建造便越來越受到重視[1]。但破冰船所處的特殊工作條件，導致破冰船在較短時間的破冰過程中要承受非常大的載荷，而推力軸承在破冰船整個傳動系統中起著決定性作用，要有較大的承載能力來抵抗由于巨大載荷產生的沖擊[2-3]。因此，研究推力軸承在承受瞬態沖擊載荷下的動特性將有重要的意義，其中剛度和阻尼則是研究動特性的重要參數，它直接影響到軸承系統的工作性能[4-5]，推力軸承結構如圖1所示。

國內外學者在對船-冰碰撞進行有限元仿真和分析過程中，大多是通過改變冰層厚度、船的速度或船艏傾角的參數來研究船-冰碰撞過程[6-8]。

人們對推力軸承的動特性已有較多的研究，姜培林等[9]對固定瓦推力軸承的動特性進行了研究，結果表明：推力盤的傾斜對推力軸承的動特性有很大影響;李忠等[10]對可傾瓦推力軸承的線性和非線性動特性進行了研究，推導出了油膜對鏡板的作用力和油膜作用于可傾瓦的力矩的線性和非線性動特性系數;Lund J W[11]對徑向滑動軸承的剛度和阻尼系數進行了分析，并得出了剛度和阻尼系數的計算方法;許太強等[12]對瞬變載荷作用下滑動軸承的動特性進行了分析，結果表明：軸承在瞬變載荷作用下其動特性系數變化很大;王培勇等[13]就瞬變載荷作用下五瓦可傾瓦軸承的徑向特性進行了分析，結果表明：在瞬變載荷作用時，軸心軌跡、瓦塊傾角及油膜合力都有較大的變化并呈現出一定的振蕩過程。

綜上所述，國內外學者針對徑向軸承及推力軸承的動特性進行了較充分的研究[14-17]。本文針對船舶用低速軸承，運用ANSYS/LS-DYNA軟件對船-冰碰撞過程進行建模仿真，分析碰撞過程中產生的冰載荷;利用此載荷研究推力軸承在碰撞過程中油膜的動特性。

1 有限元模型的建立與求解結果的分析

1.1 有限元模型的建立

由于船舶體積較大且結構較為復雜，模擬的冰層為無限大，所以都采用簡化處理，對冰層選用120m×80m×1.5m的矩形冰層，如圖2所示。

基于船艏外部的鋼結構，采用的單元類型為shell163殼單元，并定義了實常數;對于冰層，采用solid164實體單元，同時考慮到冰層材料的失效準則。

船舶在碰撞過程中變形極小，為了節省計算資源，減少計算所用時間，將船艏設為剛體，本構模型選擇Rigid Material，材料參數如表1所示;冰層選擇各向同性彈塑性模型，并且將最大塑性應變模式作為材料的破壞模式，冰層材料參數如表2所示。

1.2 求解結果的分析

由于在船舶與冰層碰撞過程中，船舶是依靠自身的動能撞碎冰層，因此船速和船的質量就成了影響冰載荷的兩個決定性因素;同時，冰層厚度不同也會產生不同的冰載荷。由于本次研究是以某型號極地科考破冰船為基本模型，因此，這里只對船速和冰層厚度對冰載荷的影響進行研究。運用MATLAB軟件，對不同船速和冰層厚度下推力軸承所承受的最大冰載荷進行了分析，并以曲線的形式給出。其中圖3、圖4為分別考慮最大剛度和最大阻尼得到的變化曲線。

由圖3、圖4可知，對于某一船舶，最大冰載荷與船速、冰層厚度有關，呈近似線性關系。

下面結合某一具體工況，即當船速為3m/s，冰層厚度為1.5m時得到的結果進行分析。由于產生的冰載荷波動較大，因此這里我們選取若干個時間點，來分析其變化過程。在一秒內選取10個時間點，間隔0.1s，則表3為通過以上有限元仿真得到的每個時間點的冰載荷。

分析以上結果可以發現在破冰船與冰層碰撞過程中，1s內冰載荷產生較大變化，開始時會快速增大，在0.8s左右冰載荷達到最大值，然后急劇下降。

2 推力軸承的動特性分析

破冰船在破冰過程中產生巨大的沖擊載荷，此載荷通過螺旋槳和傳動軸直接作用到推力軸承，推力軸承在這種低速重載的工況下很容易產生摩擦學（潤滑）失效，其中軸向（油膜厚度方向）的剛度和阻尼是影響軸承動特性的兩個重要參數。

2.1 基本方程

2.1.1 油膜厚度方程

在不考慮推力盤傾斜和軸瓦變形的情況下，可傾瓦推力軸承的油膜厚度可用以下方程表示：

2.1.3 潤滑油黏溫方程

對黏溫方程的研究比較多，有的是通過對流體流動模型分析得出的，有的則完全由經驗數據總結而來，但都存在各自的局限性。潤滑油的黏度會隨著溫度的升高而迅速下降，動力黏度μ與溫度T之間的關系通常采用指數形式的函數，這里選擇雷諾黏溫方程，表示為以下形式：

2.1.4 油膜剛度系數和阻尼系數

利用有限差分方法對二維瞬態雷諾方程進行求解，得到了關于位移和速度擾動量的動特性系數，其形式如下：

其中：kzz為z方向的單位位移擾動在z方向上引起的力;dzz為z方向的單位速度擾動在z方向上引起的力;R1和R2分別為軸瓦的內外半徑;θ1和θ2分別為軸瓦的起始角度和終止角度。

2.2 動特性系數

由于每塊推力瓦的尺寸相同且均勻分布，理想狀態下所承受載荷完全相同，因此這里只研究一塊推力瓦。

2.2.1 動特性系數向量形式

取z方向為推力軸承所受軸向力方向，在只承受軸向載荷的條件下，利用泰勒展開式得到在坐標系下軸瓦的動特性系數可用力增量ΔFZ表示，即

3 算例與結果分析

本文算例所采用的參數為：船舶的額定功率為7350kW，船速為6節，即3m/s，雙螺旋槳。軸承選用參數為：軸承外徑640mm、內徑320mm、軸瓦張角40°、軸瓦厚度45mm、瓦塊數6塊、有效面積0.643m2、軸承轉速為110r/min、設計最小油膜厚度hmin=30μm、冰層厚度為1.5m。由于選擇的工況是瞬態過程，故不考慮溫度變化，即當溫度為20℃時油膜的動力黏度保持為0.04N·s/m2，假設所得到的冰載荷直接作用到推力軸承上。

在不考慮推力盤傾斜，并且只承受軸向載荷的情況下，對推力軸承有影響的主要是軸向剛度和軸向阻尼[9]。通過計算得到1s內每隔0.1s的油膜厚度，則碰撞過程中剛度系數和阻尼系數隨著油膜厚度的變化情況如圖6所示。

由上圖可知，在此工況下，剛度系數和阻尼系數變化較大，兩者隨載荷（膜厚）變化呈非線性且變化規律相同。在碰撞前，船作勻速運動，軸承所受載荷不變，此時油膜厚度最大，為96.2μm。在碰撞過程中，軸向剛度系數kfzz和軸向阻尼系數dfzz開始時都會明顯增大;當載荷最大，油膜厚度減小到大約30μm時，此時油膜厚度最小，剛度和阻尼系數達到最大值。此時油膜剛度約為105.9×108N/m，通過計算可以得到整個軸承在最小油膜厚度下所能承受的最大載荷為63.54kN。當船速增加或冰層變厚時，軸承承受的載荷進一步增大，油膜將變薄，或將導致無法形成良好的潤滑。

4 結 論

本文以破冰船推力軸承為研究對象，首先建立船-冰三維幾何模型;基于ANSYS/LS-DYNA軟件，對船-冰碰撞過程進行有限元仿真;得到了不同船速和冰層厚度下碰撞過程中產生的最大冰載荷;分析了碰撞過程中冰載荷，以及推力軸承油膜的剛度、阻尼和厚度的瞬態變化過程。

結果表明：針對某一船舶，最大冰載荷與船速、冰層厚度近似成正比;最大冰載荷出現在碰撞過程中前1s的時間內;油膜厚度隨載荷的增加變薄，油膜剛度系數、阻尼系數隨油膜厚度減小而變大，且變化規律相同。實際中不同工況下需要滿足最大載荷不能超過最小油膜厚度所能承受的載荷。

參 考 文 獻：

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（編輯：溫澤宇）