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船舶剧烈转弯机动时船尾轴承的润滑分析

杨坤“，张涛武汉理工大学运输与物流工程学院，武汉，中国

文章信息

处理编辑：M Dienwiebel 博士

关键字：

艉轴承

润滑

船舶严重机动

弯曲变形

抽象

船舶操纵引起的船尾轴变形会导致船尾轴承润滑失效和磨损。基于位移叠加法，建立了艉轴在界面力和螺旋桨载荷作用下的挠度方程。采用平均雷诺方程、Greenwood-Tripp模型和影响系数法建立了船尾轴承的液固耦合模型。该模型经过实验验证。讨论了螺旋桨载荷变化引起的轴弯曲变形对润滑特性的影响。结果表明：轴弯曲变形导致润滑特性沿轴向和圆周方向发生变化;与单纯的垂直载荷相比，水平螺旋桨载荷的存在会显著降低最小标称油膜厚度和摩擦系数。在流体动力润滑下，水平载荷方向对摩擦系数影响不大。

1. 引言

船用推进轴系是船用动力系统的一个组成部分，其故障率达到

[1]. 船尾轴承位于靠近螺旋桨的轴系末端，承受径向载荷。在低速重载、壁面打滑、径向不对中等工况下，轴承的润滑会偏离理想状态[2-4]。Galda等[5]研究了滑动轴承在润滑状态变化时滑动速度、赫尔希数、摩擦扭矩和摩擦系数等特性参数的变化规律。Xie等[6]介绍了升空速度和临界摩擦系数的定义，讨论了润滑状态转变的特征参数，并研究了表面粗糙度、外载荷和径向游隙对水润滑轴承润滑状态转变的影响。Xie等[7]分析了错位角对轴承界面润滑状态劣化的影响，指出负载上升导致的错位角增大会加剧边缘区域润滑状态的劣化。上述研究主要集中在刚性轴颈的润滑机制上。然而，对轴颈弯曲变形的研究仍然不足。

在大多数研究中，倾斜角和摆动角用于描述未对齐的轴颈[8,9]。事实上，螺旋桨的动载荷会引起轴弯曲变形。船尾轴承的纵横比比较大，轴承段的轴弯曲变形不能简化为轴颈的倾角。需要一个更准确的模型来描述轴颈的弯曲变形。He等[10]和Han等[11]使用位移叠加法，将轴颈简化为简单支承梁，并计算截面挠度。研究发现，在弯曲变形的影响下，轴向的两端最容易接触，因此弯曲变形不容忽视。欧阳等[12]采用有限元方法计算了轴承截面的径向挠度，并结合弹体动力润滑模型分析了轴承的润滑行为。上面提到的研究只考虑了螺旋桨重力。此外，欧阳等[12]忽略了油膜压力对轴弯曲变形的影响。上述模型都不能准确描述船舶操纵过程中轴颈的弯曲变形状态。

螺旋桨在船舶操纵过程中会承受复杂的动载荷，如转弯、系泊、浮动等，这极大地影响了船尾支座的径向载荷[13\u201214]。特别是在船舶转向机动下，由于斜流的作用，艉轴螺旋桨会受到较大的侧向载荷和弯矩[15\u201216]。螺旋桨产生的力和力矩将传递到轴承，Ortolani和Muscari用实验和数值方法研究了这一过程[17,18]。Amini等[19]在斜流条件下，在推拉模式下，在不同的航向角和不同的前进系数下进行了轴系模型测试。结果表明：螺旋桨轴的侧向力和弯矩较大，转弯时艉轴上的载荷比仅考虑螺旋桨重量时大约3倍。Yang等[20]利用CFD技术模拟了船舶转弯过程中螺旋桨的侧向力和扭矩。轴挠度包含在后艉管轴承的润滑计算中。轴承的流体动力油膜厚度分布和压力分布极不均匀。这些研究表明，船舶操纵过程中螺旋桨侧向载荷的变化对船尾轴承的润滑特性有显著影响。然而，尚未报道船舶转弯机动对船尾轴承润滑特性的影响。

评估螺旋桨侧向载荷对船尾轴承性能的影响。采用位移叠加法描述艉轴弯曲变形。建立了耦合艉轴弯曲变形的润滑模型。研究了螺旋桨侧向载荷影响下油膜厚衰减、承载能力变化和船尾轴承摩擦系数变化的机理。