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尾轴承是船舶推进轴系的重要部件,对尾轴起支承作用。尾轴由于螺旋桨的悬臂作用,出现弯曲状态,导致尾轴与尾轴承的两中心线呈现夹角,使得尾轴承边缘处承受较大的负荷,局部比压过大,造成尾轴承局部磨损加剧以及噪声增大,严重影响轴系的使用性能以及船舶安全性与生存能力。因此开展船舶尾轴承承载仿真研究,对于改善尾轴承受力状况,解决尾轴承局部压力过大问题,减少尾轴承单边磨损,降低噪声,提高轴承使用寿命有重要的理论意义与工程应用价值。
本文以36000t散货船轴系为研究对象,基于有限元法,采用ANSYS软件对尾轴承的承载能力进行探讨,取得以下研究成果。
1.开展了尾轴承受力优化研究。以尾轴承支承力作为目标函数,以轴承支本小、轴系弯矩、法兰剪力等为约束条件,以轴承垂向位移为设计变量进行尾轴承受力优化。采用零阶优化与梯度寻优相结合的方法,避免了在搜索过程陷入局部寻优的问题,提高了计算的速度和精度。计算表明,尾轴承负荷大约减少了11.8%,在不考虑轴承和油膜非线性刚度情况下,尾轴承负荷与轴承垂向位移成线性关系。
2.建立了尾轴承与尾轴接触模型,探讨了尾轴承接触压力分布及其影响因素。计算结果表明,过大的尾轴承转角导致尾轴承接触面积减小,尾轴承接触压力分布不均,峰值压力约为平均压力的40倍;弹性模量对尾轴承接触压力分布影响较大,弹性模量越小,接触压力在轴承长度方向上的分布越趋于均匀;尾轴承径向间隙越大,接触压力分布越不均匀;白合金层厚度越大,压力分布越趋于均匀。
3.采用倾斜尾轴承方式,增加尾轴承接触面积,使接触压力趋于均匀分布。分析表明,倾斜角度太小,起不到增加尾轴承接触面积和降低峰值压力的目的;倾斜角度过大,可能导致尾轴承前端与尾轴接触,轴承尾端出现腾空现象。倾斜角度的大小,应该以尾轴弹性变形曲线为依据,其近似角度为尾轴首尾两端点连线的斜率。