材料和襯套厚度對水潤滑階梯腔尾軸承力學性能有限元分析

王 建，王優(yōu)強，范曉夢，王 濤

(青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266520)

材料和襯套厚度對水潤滑階梯腔尾軸承力學性能有限元分析

王 建，王優(yōu)強，范曉夢，王 濤

(青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266520)

建立不同材料和不同襯套厚度的水潤滑階梯腔動靜壓尾軸承三維實體模型，并用Workbench軟件進行有限元力學性能分析。結果表明：軸承材料和襯套厚度對尾軸承的力學性能有比較大的影響。當尾軸承的外圈材料是45#鋼，襯套材料為硬橡膠時，軸承具有較好的柔性和最優(yōu)的力學性能；在設計尾軸承結構時，橡膠層厚度選為20 mm，則不僅具有較好的力學性能，而且還能夠節(jié)省成本。

階梯腔；尾軸承；材料；襯套厚度；有限元法

0 引 言

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，對船舶運輸業(yè)以及現(xiàn)代國防科技的要求越來越高，船舶也越來越多的朝著高速重載的方向發(fā)展[1]。在重載的情況下，普通船舶的尾軸承所形成的動壓潤滑膜很薄，不能很好的起到潤滑效果，造成了軸承的嚴重磨損或者損壞[2]。嚴重影響了軸承的正常運行質(zhì)量和機械的使用壽命。同時，船舶尾軸承在啟動、停車以及低速運轉(zhuǎn)時常常處在干摩擦或者半干摩擦狀態(tài)，也造成了尾軸承的嚴重磨損。因此，解決軸承在運轉(zhuǎn)過程中的摩擦磨損問題刻不容緩。

目前，國內(nèi)許多專家學者在這方面做過許多科研工作[3–5]。律輝等[6]選取超高分子量聚乙烯、賽龍和聚四氟乙烯3種軸承材料，并研究了板層次序、數(shù)量、厚度對水潤滑軸承力學性能的影響。文章只是對不同材料的板條式尾軸承進行了探索并得出相應的結論，并未對其他結構形式的尾軸承進行深入研究。周廣武等[7]運用數(shù)值計算的方法，研究了在水潤滑條件下溝槽結構對潤滑性能的影響，證明了溝槽結構對軸承潤滑的重要性。但是文章未從力學角度對軸承進行探索，也未對不同材料的軸承性能進行研究。

為了解決上述問題，在原來尾軸承的基礎上，通過在軸承橡膠內(nèi)圈內(nèi)側開設階梯型腔，將尾軸承設計成一種新型的階梯腔動靜壓軸承。而階梯形腔具有如下優(yōu)點[8]：1）水量供給充足，靜壓力較大，結構簡單加工方便。2）在軸承運轉(zhuǎn)過程中的水膜發(fā)散區(qū)，極易出現(xiàn)水膜的“空穴”現(xiàn)象。而采用階梯形腔，保證了充分供油，避免了“空穴”現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了軸承運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。新結構避免了主軸與軸承的直接接觸，從而形成液體潤滑。同時對這個新結構進行了有限元靜力分析，研究了不同材料和襯套厚度對船舶尾軸承力學性能的影響。

1 水潤滑動靜壓尾軸承工作原理

水潤滑動靜壓軸承系統(tǒng)分為外部供水系統(tǒng)和軸承本身兩部分。外部供水設備將一定壓力的水通過進水孔送入到軸承靜壓腔內(nèi)，從而建立起壓力水膜，將軸承頂起，使得軸承主軸在預定載荷和任意轉(zhuǎn)速下，與軸承處于完全液體潤滑狀態(tài)[9–10]。當軸承正常運轉(zhuǎn)時，依靠主軸與軸承之間產(chǎn)生的動壓壓力和外部供油壓力，支撐軸承的運轉(zhuǎn)。如圖1所示，將壓力為p1的潤滑液注入到靜壓腔內(nèi)，并順著靜壓腔和四周的封油面流出到外界。P1為供油壓力；P0為端泄壓力；h為軸承間隙。

2 尾軸承模型結構

2.1 模型的基本參數(shù)和創(chuàng)建

船舶尾軸承由襯套和外圈鋼套兩部分構成。對尾軸承的單元屬性和材料屬性進行定義，具體參數(shù)見表1和表2。同時，為了減小計算量，對模型的其他幾何尺寸進行了相應的簡化處理，具體幾何結構尺寸見表3。

研究材料因素對尾軸承的影響時，根據(jù)表1和表2所給出的不同材料的性能參數(shù)，在Workbench軟件中添加相應的材料屬性，為了保持單一變量，模型的襯套厚度統(tǒng)一選用30 mm，其他幾何尺寸相同。研究襯套厚度因素對尾軸承的影響時，根據(jù)表3所給出模型的基本參數(shù)，利用Solidworks三維繪圖軟件繪制了橡膠襯套厚度分別為20 mm，25 mm，30 mm的六腔階梯腔動靜壓船舶尾軸承基本模型。并繪制了六腔尾軸承的剖面圖和平面圖，如圖2和圖3所示。

表 1 三種不同尾軸承襯套的基本參數(shù)Tab. 1 Basic parameters of three different stern bearing bush

表 2 三種不同尾軸承外套的基本參數(shù)Tab. 2 Basic parameters of three stern bearing outer ring

表 3 模型幾何尺寸Tab. 3 Model geometry size

2.2 三維實體模型的導入

將建好的模型導入到有限元軟件中進行分析，如圖4所示模型為襯套厚度30 mm的尾軸承，其中坐標系中的Z軸為尾軸承的軸向方向，順時針為軸承的運轉(zhuǎn)方向。

3 有限元仿真分析及結果

3.1 有限元仿真分析過程

將建好的模型導入到Ansys Workbench軟件后，設置好材料類型和單元屬性，并對所導入模型按照邊界尺寸大小為0.015 mm進行網(wǎng)格劃分（見圖5），然后對模型進行添加約束載荷并最終進行求解和計算。本文以圖4所示的六腔結構為例，劃分后得到如下結果：節(jié)點167 255個和單元94 856個。對軸承的外表面施加全約束，以防止軸承沿軸向滑動更接近實際情況。對應區(qū)域的壓力進行離散取值，將取好的壓力值施加到相應的區(qū)域內(nèi)，設定最大應力為3 500 N。輸入數(shù)值進行運算，最后模擬得出應力、應變和位移三維模型圖。假設本文中尾軸承運動狀態(tài)是動靜壓潤滑狀態(tài)，運行工況為穩(wěn)態(tài)環(huán)境；軸承在軸向方向不發(fā)生位移；不考慮海水的慣性力。

3.2 不同材料尾軸承的力學性能

具有“塑料王”之稱的聚四氟乙烯，是由四氟乙烯經(jīng)過聚合而成的高分子化合物，白色固體狀，英文縮寫為PTEF。具有穩(wěn)定性高、耐腐蝕性強、耐高溫、高潤滑以及無毒害等優(yōu)點。飛龍材料是編織酚醛樹脂纖維強化復合材料，具有非常優(yōu)良的自潤滑性能、耐磨性強、摩擦系數(shù)低、可靠性能強、對環(huán)境無污染等優(yōu)點。被廣泛應用在軸承上。45#鋼屬于碳素鋼的一種，由于其優(yōu)良的摩擦磨損性能，一般用于表面耐磨、芯部耐沖擊的重載零件。能夠有效地支撐傳動零部件和承受載荷，使用范圍較為廣泛。

設定好軸承內(nèi)外圈的不同材料參數(shù)，將建好的模型導入到有限元軟件中進行靜力學分析，得到最大應力、應變和位移的數(shù)值變化情況，分別如表4～表6所示。

表 4 不同材料尾軸承最大應力值Tab. 4 Different materials stern bearing maximum stress

表 5 不同材料尾軸承最大應變值Tab. 5 Different materials stern bearing maximum strain

表 6 不同材料尾軸承最大位移值Tab. 6 Different materials stern bearing maximum displacement

表4表示不同組合材料尾軸承最大應力值，最上端橫行表示尾軸承外圈（外）的3種材料，最左端豎列表示尾軸承襯套（內(nèi)）的3種材料。從表中可以看出，當軸承襯套是硬橡膠或者聚四氟乙烯時，外圈材料無論是20Cr2Ni4合金鋼、45#鋼還是巴氏合金，尾軸承的最大應力數(shù)值相似。而當襯套材料是飛龍時，尾軸承的最大應力值增長幅度較大，從應力角度來看性能較差。比較襯套是硬橡膠材料和聚四氟乙烯材料時發(fā)現(xiàn)，當外圈材料是45#鋼，襯套是硬橡膠時，尾軸承的最大應力值最小92 459 Pa。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：由于材料的密度、彈性模量、泊松比等都不相同。當外圈材料和內(nèi)圈材料組合在一塊的時候，可能材料之間的屬性差異較大造成軸承組合在一起后整體性能較差。

橫向比較軸承襯套的3種材料的最大應變值發(fā)現(xiàn)，硬橡膠的最大應變值比其他2種材料大很多，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：由于彈性模量=應力/應變，由表5可知，不同材料的尾軸承最大應力雖有差別，但是沒有差出一個數(shù)量級，可以大體看作相同數(shù)值。由于硬橡膠比飛龍、聚四氟乙烯（PTFE）2種材料的彈性模量小很多，所以根據(jù)公式可推出，硬橡膠的最大應變值比其他2種材料就要大很多。隨著外圈材料的變化，當軸承襯套是硬橡膠時的最大應變相差不大，說明外圈材料對軸承的應變影響不大。

橫向比較軸承襯套3種材料的最大位移值發(fā)現(xiàn)，硬橡膠的最大位移值比其他2種材料也大很多，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與上述最大應變值的原因相同。同樣，隨著外圈材料的變化，當軸承襯套是硬橡膠時的最大位移相差不大，說明外圈材料對軸承的位移影響不大。由于彈性模量越低，材料的彈性變形相對來說就越大，所以材料很容易發(fā)生變形，但是材料的柔性越好。當彈性模量越高時，材料發(fā)生的彈性變形相對越小，材料不易變形且脆性越強。所以，當材料的彈性模量較低時，由于具有較好的柔性，能夠承受軸承變形而不至于發(fā)生脆性斷裂，很好地起到了緩沖的作用。

綜上所述，當尾軸承的外圈材料是45#鋼，襯套材料為硬橡膠時，此時的最大應力值最小，且軸承具有較好的柔性，具有最優(yōu)的力學性能。

3.3 不同襯套厚度尾軸承的力學性能

通過上面的理論分析可知，尾軸承的外圈材料應選用45#鋼，襯套材料選用硬橡膠，建立不同橡膠層厚度的尾軸承三維模型，導入有限元軟件中進行靜力分析。分別得到不同橡膠層厚度的尾軸承應力、應變和位移三維圖。

通過圖6可以看出，尾軸承的應力集中區(qū)域大體出現(xiàn)在了軸承底部和左側，這是由于這2個區(qū)域承受了主軸在運轉(zhuǎn)過程中的大部分重量。當橡膠厚度是25 mm和30 mm時，可以發(fā)現(xiàn)軸承底部出現(xiàn)兩處明顯的應力集中區(qū)域，而當橡膠厚度是20 mm時，只有一處應力集中區(qū)。從數(shù)值上分析，當橡膠厚度是25 mm時，最大應力值最小88 969 Pa；而橡膠層厚度是20 mm和30 mm時，最大應力值分別為92 383 Pa和93 031 Pa。

圖7表示不同橡膠層厚度下尾軸承應變圖，從圖中可以看出，隨著橡膠層厚度的增加，軸承的應變集中區(qū)域越大且現(xiàn)象越來越明顯（深色區(qū)域越來越大）。從數(shù)值上分析，不同橡膠厚度的最大應變值相差不大，當厚度為20 mm，25 mm，30 mm時，最大應變值依次為0.012 3，0.012 0，0.012 7。

圖8表示不同橡膠層厚度下尾軸承位移變化圖，從圖中可以看出，最大位移都出現(xiàn)在了軸承最下端的邊緣處。從數(shù)值上分析：隨著橡膠層厚度的增加，最大位移值逐漸的增加。當橡膠層厚度是20 mm時，最大位移值最小0.223 mm；當橡膠層厚度是30 mm時，最大位移值最大0.353，增漲了58.3%漲幅明顯。說明橡膠層的厚度對尾軸承的位移影響比較大。同時，應變和位移值在一定程度上反應了軸承的剛度情況，當應力和應變值較小時，說明尾軸承的變形較小，即軸承抵御變形的能力強，反映了軸承的剛度較大。

綜上所述，從力學角度考慮，在設計尾軸承橡膠層厚度時，可以將橡膠層厚度選為20 mm。同時，橡膠層厚度減小，不僅能夠減輕軸承的重量，還能夠節(jié)省材料和生產(chǎn)成本。

4 結 語

1）軸承的材料和襯套厚度對尾軸承的力學性能有比較大的影響，影響著應力、應變和位移的分布，并且呈現(xiàn)出各自特有的規(guī)律。

2）從應力、應變和位移角度綜合分析，當尾軸承的外圈材料是45#鋼，襯套材料為硬橡膠時，此時的最大應力值最小，且軸承具有較好的柔性，具有最優(yōu)的力學性能。

3）在設計尾軸承橡膠層厚度時，可以將橡膠層厚度選為20 mm，不僅能夠節(jié)省成本，還具有最佳的力學性能。

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The mechanical analysis of material and bearing bushing thickness of water lubricated ladder cavity stern bearing by finite element

WANG Jian, WANG You-qiang, FAN Xiao-meng, WANG Tao
(Qingdao University of Technology, School of Mechanical Engineering, Qingdao 266520, China)

Setting up different material and different thickness of the liner of water lubricated ladder dynamic and static pressure cavity stern bearing three-dimensional model, and analyzing mechanics performance by Workbench software. The results show that bearing material and thickness of the liner have an influences on the stern bearing larger mechanical properties. When the stern bearing outer ring material is 45#steel, and bush material is hard rubber, and bearing has good mechanical properties of the flexible and optimal; The rubber layer thickness of 20 mm, not only has good mechanical properties, but also can save cost, when designing the stern bearing structure.

ladder cavity；the stern bearing；mechanical；bearing bushing thickness；finite element

TH133.3

A

1672 – 7649(2017)08 – 0064 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.014

2016 – 07 – 26；

2016 – 09 – 29

國家自然科學基金資助項目(51575289)

王建(1989 – )，男，碩士研究生，研究方向為摩擦學與表面工程。