摘 要

在船舶的动力系统中，船舶的推进轴系是系统中非常重要的组成部分，而其中推进系的核心部件又是用来为螺旋桨轴提供支撑力的尾轴承。尾轴承由于它的工作环境特点以及自身的工况变化问题，对于润滑的需求相较其他部件来说具有更高更复杂的特点，而水润滑相较于油润滑来说由于其自身易获取并且产生的噪音较小的特点成为了船舶尾轴承最佳的润滑方式。尾轴承通过内衬以及衬套构成，在复杂的工作环境中内衬由于其自身是高分子材料组成往往会因为工况环境的改变而产生非常复杂的变形从而影响轴承的润滑性能。因此，有必要对水润滑轴承弹流润滑仿真方法进行研究，并且探讨在结构改变以及工况参数改变的情况下对水润滑轴承性能的影响以及规律，从而得到合适的方案来对尾轴承进行优化改进提升其稳定性。本篇论文的主要内容如下：

本文主要通过研究不同参数的改变对于飞龙轴承润滑性能的影响规律。借助matlab软件，在通过对流体润滑理论的研究基础上对水润滑飞龙轴承进行流固耦合仿真，通过对雷诺方程以及膜厚方程载速方程等方程的离散化后进行联立得到离方程，通过运用划分网格以及差分的方法对水润滑赛龙轴承的一维弹流润滑模型建立，以此用来分析各个参数改变对于轴承润滑性能的影响规律，其次在得到模型后，通过matlab软件进行参数改变的计算，然后得到长径比、弹性模量、泊松比以及相对间隙这四个几何物性参数改变后随着偏心率增大后的曲线图，通过水膜厚度，承载力，摩擦力以及最大水膜压力的影响，得到这四个参数对于轴承润滑性能的影响规律；同样通过计算工况参数转速以及载荷对于轴承润滑性能的影响规律。通过研究发现轴承的长径比以及弹性模量以及相对间隙对于轴承的润滑性能有较大的影响，而泊松比对于润滑性能的影响程度不是很明显；工况参数转速以及载荷增大使轴承减小，因此我们再对轴承进行设计的时候需要考虑轴承的正常工作工况以及上述的四种材料因素，保证轴承的正常工作性能

关键词 ：船舶推进系统；飞龙轴承；流体润滑理论；流固耦合；雷诺方程；

Abstract

In the marine power system, the propulsion shafting is a very important part of the system, and the core component of the propulsion system is the tail bearing used to support the propeller shaft. Because of its working environment characteristics and its own working conditions, tail bearings have higher and more complex lubrication requirements than other parts, while water lubrication has become the best lubrication method for ship tail bearings because of its easy access and low noise compared with oil lubrication. Tail bearing is composed of liner and bushing. In complex working environment, the liner itself is composed of polymer materials, which often causes very complex deformation due to the change of working conditions, thus affecting the lubrication performance of the bearing. Therefore, it is necessary to study the simulation method of elastohydrodynamic lubrication for water-lubricated bearings, and to explore the influence and law of the performance of Water-lubricated bearings when the structure and working conditions are changed, so as to get a suitable scheme to optimize and improve the stability of tail bearings. The main contents of this paper are as follows:

With the help of MATLAB software, the fluid-solid coupling simulation of Water-lubricated flying dragon bearings is carried out on the basis of the study of fluid lubrication theory. After the discretization of Reynolds equation and film thickness equation, the separation equation is obtained. The one-dimensional elastohydrodynamic lubrication model of Water-lubricated flying dragon bearings is established by meshing and difference method. Analysis of the influence of various parameters on the lubrication performance of bearings，Secondly, after obtaining the model, the parameters are calculated by MATLAB software, and then the curves of four geometric parameters, length-diameter ratio, elastic modulus, Poisson's ratio and relative clearance, which increase with the eccentricity, are obtained. The effects of these four parameters on the lubrication performance of bearings are obtained through the influence of water film thickness, bearing capacity, friction force and maximum water film pressure. The influence of working condition parameters, rotational speed and load on bearing lubrication performance is also calculated by using MATLAB. It is found that the length-diameter ratio, elastic modulus and relative clearance of bearings have great influence on the lubrication performance of bearings, while Poisson's ratio has little effect on the lubrication performance; the increase of working parameters, rotational speed and load reduces the bearing, so we need to consider the normal working conditions of bearings and the four materials mentioned above when we design bearings. Factors to ensure the normal working performance of bearings

Key words: marine propulsion system; flying dragon bearing; fluid lubrication theory; fluid-solid coupling; Reynolds equation；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 水润滑轴承现状 1

1.2.1 水润滑轴承结构及材料的研究现状 1

1.2.2水润滑轴承仿真方法的研究现状 4

1.3 本课题研究的主要内容 4

1.5本章小结 5

第2章 水润滑飞龙轴承流固耦合仿真的理论基础 6

2.1 飞龙轴承的结构和材料特点 6

2.2 基本控制方程 9

2.2.1 雷诺方程及边界方程 9

2.2.2 膜厚方程 10

2.2.3 弹性变形方程 11

2.2.4 载荷方程 11

2.3 数学模型的简化及无量纲方程 11

2.4 计算方法 13

2.5 验证方法 13

2.6 本章小结 14

第3章 几何和物性参数对飞龙轴承润滑性能的影响分析 15

3.1长径比对轴承性能的影响 15

3.2 内衬弹性模量对润滑轴承性能的影响 18

3.3内衬泊松比对水润滑轴承性能的影响 21

3.4间隙对轴承润滑性能的影响 23

3.5本章小结 26

第4章 工况参数对飞龙轴承润滑性能的影响 26

4.1 转速对飞龙轴承润滑性能的影响 26

4.2 载核对轴承润滑性能的影响 31

4.3本章小结 33

第5章 结论与展望 34

5.1 本文总结 34

5.2展望 34

参考文献 36

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

随着科技的发展以及全球国家在海洋战略上面的注重，人们越来越意识到了船舶海洋与减轻污染之间的重要联系，如今的环境保护战略使人们的目光越来越投向了节能无污染的新型材料上面。而水润滑轴承之前存在的容易被腐蚀，不耐磨并且容易造成较重泄露的问题，随着技术的进步发展正在不断被客服并且被越来越广泛的运用在各个领域。

同时，因为水润滑轴承以水作为其润滑介质，选用飞龙轴承作为轴承材料。如今随着科技的发展，船舶行业技术的不断新进，对船舶的硬件设施的要求也在不断的增加，其中减振降噪的需求也日益增加，而水润滑轴承已经逐渐成为了舰船推进轴系的标配；在国家绿色环保战略的要求下，为了绿色环保减轻对海洋江流污染，如今的民用船舶对水润滑轴承的需求已经日益增加，因此我们必须不断对水润滑轴承的性能结构进行改进以此不断适应对各个船舶在不同航行下的需求以及船舶自身的安全问题。同时，采用水作为润滑的介质，不仅可以有效的保证轴承自身所需的润滑环境，也能够避免寻常使用油润滑机械的泄露问题，避免因为油各种原因外泄造成对水质的污染。并且因为水润滑轴承一般都是采用高分子材料，而高分子材料较易于获取，可以非常有效的节省金属资源，对工业的经济价值巨大，因此对于水润滑轴承的研究具有非常重大的意义。

由于在载荷作用下导致内衬存在着比较复杂的力学变形因此导致润滑性能下降影响船舶的正常航行，因此有必要研究水润滑轴承弹流润滑仿真方法，分析研究不同的结构以及不同的工况参数工作环境下对轴承工作的影响大小并从中分析不断对轴承的结构进行改进满足其复杂工作环境下的高质量高效率工作，减轻缓解由于轴承因为自身是高分子材料而容易变形的特点，并且轴承处于低速、重载，润滑状态复，有必要开展润滑特性研究，对润滑性能进行不断的提升

1.2 水润滑轴承现状

1.2.1 水润滑轴承结构及材料的研究现状

重庆大学周忆团队^[1]等通过对平板和圆弧形状的水润滑轴承进行对比研究, 研究结果表明圆弧型摩擦面的不稳定模态及耦合模态实部最大值出现的频率都大于平面型摩擦面, 原因是圆弧型摩擦面的有效接触面积要大于平面型接触面, 从而增加噪声出现的可能性。武汉理工大学刘正林团队^[2]通过实验与仿真表明, 平面型相比凹面型和凸面型更易于形成弹-塑流体动压润滑, 因此具有良好的启动性及低速运转性, 所以从降低尾轴承振鸣音的临界速度及摩擦因数的角度考虑, 平面型结构更好。青岛理工大学律辉、王优强^[3]等通过对平板型板条、凸弧型板条、凹弧型板条3种结构进行有限元分析, 结果表明平板型力学性能为最优, 因为其在最大位移量、最大应力值、最大应变值等方面都要优于其他两种形状。为了提高尾轴承冷却润滑及排除泥沙介质的效果, 通常在尾轴承内表面开有不同的沟槽结构, 目前在实际应用中主要有螺旋式沟槽结构及纵向式沟槽结构两种。T.K.H.R.Tanamal^[4]通过对纵向水槽结构尾轴承进行数学建模分析, 在不同轴承偏心率及不同润滑剂的条件下进行仿真分析, 得到的结果显示当开有纵向水槽时, 降低了水膜压力及轴承承载力。王优强^[5]团队通过将圆弧型、矩形、燕尾型3种结构的螺旋槽尾轴承结构尺寸优化问题进行了数据分析 结果表明通过优化矩形槽和燕尾槽的外形结构可以得到理想的尺寸参数, 而通过优化圆弧型螺旋槽半径外形尺寸结构, 虽然可以提高尾轴承的力学性能和动态特性, 但却使尾轴承的总质量有明显降低。轴承由于其自身所处于的非常复杂的工作环境，为了需要保证自身能够在各种环境中正常工作，其自身结构的设计是非常重要的一点。水润滑轴承由于其涉及到润滑理论、高分子材料等多方面的领域，需要通过大量的研究以及实验来得到其最佳的设计参数来维持自身的结构寿命。图1是常见的水润滑轴承，六纵向沟水润滑橡胶轴承机构，由于其为了保证具有足够的润滑性能因而对自身表面的粗糙度有较严格的要求，通常要求小于等于Ra3.2μm

图1 六纵向橡胶滑动轴承结构示意图

水润滑轴承为了保证其自身的结构性能是否满足工作环境特点往往会选择开槽，开有水槽的话不仅可以加强自身对磨损的抵抗能力，同时还可以更好的将热量散发出去。但是如果不开槽的话，相较于开槽的轴承，表面可以产生动压力更高的水膜使自身拥有更加好的承载能力，本文的轴承就是不开槽的水润滑轴承。

一般的轴承大多采用的为油润滑并且用金属作为自身的材料以保证自身具有足够的物理性能并且油对于金属的腐蚀能力较为小，但是水润滑轴承却无法用金属材料作为自身结构主体，因为水会对金属材料产生较为验证的化学腐蚀影响自身的结构稳定，因此水润滑轴承与传统的轴承相比在选择材料上存在较大的差异，选主要是由于工作介质发生较大的改变所致。本类材料利目前使用的陶瓷材料、塑料材料、塑料合金材料以及尼龙等，各种材料在工程上均有过应用，根据不同的要求和成本我们可以有不同的选择，大大扩大了水润滑轴承的应用范围。其中飞龙以及赛龙等因其自身为高分子材料而具有较好的物理性能而被广泛用于水润滑轴承的内衬。由于在载荷作用下导致内衬存在着比较复杂的力学变形因此导致润滑性能下降影响船舶的正常航行，因此需要通过实验分析不同参数作用下对于轴承变形程度的影响，从而得到相应的规律减轻缓解由于飞龙、赛龙自身高分子材料容易变形的特点，并且轴承处于低速、重载，润滑状态。

从40年代末期开始，苏联就一直对采用水作为润滑液的流体静力轴承和流体动力轴承的特性和材料进行深入的研究。英国，美国，德国，日本等发达国家在50、60年代也在水润滑领域进行了大量的研究与探索。如今，欧美以及日本等国家不断的对水润滑轴承进行大量的深入研究，并且将成果应用于船舶尾轴。英国的海沃德-泰勒公司就在无填料泵的结构中采用了水润滑滑动轴承。德国的威克斯和米切尔公司在深井泵以及潜水泵中采用了水润滑橡胶轴承。日本将水润滑应用在船用的离心泵上面，用自给式水润滑轴承应用在大型内燃机内的邮轮用辅助锅炉给水泵上。而加拿大的汤姆孙-戈尔登公司，通过采用水润滑系统对船舶的润滑性能得到明显的提升。

我们国家对水轴承的起步比较晚，从1950左右开始，将水润滑轴承应用在船用离心泵内，之后过了十几年，在60年代的初期进行对轴承的深度实验以及探索阶段，到如今经过学者们不断的努力已经实现了技术上突破性的发展。重庆大学的王家序^[6]教授等团体就通过控制介质水里面含沙量的大小以此为研究，来通过观察磨损试验机上面的水润滑橡胶轴承的磨损情况以及转动时摩擦产生的噪声从而得到水润滑轴承在不同的工况参数以及结构下对其磨损情况的影响，通过进行严密的数值分析得到数据为理论提供依据。

重庆大学机械传动国家重点实验室与重庆科技公司也通过合作，研究开发了170多种的RTG水润滑复合橡胶轴承和塑料轴承满足不同工况下需求。余江波博士^[7]等团体通过具体的实验以及数据分析对水润滑塑料合金轴承的润滑原理有了较为准确的研究并且深入探讨了水润滑合金轴承受其自身材料的弹性模量的影响程度。李文峰^[8]等团体通过对水润滑轴承高分子材料在润滑时的自身形状的弹性变化规律，并且对材料自身物理性能对轴承能够承受的压力还有润滑膜的厚度的影响规律进行了探讨。

Paul G.Dylejko团体则通过对共振的变化进行研究来对船舶在航行时轴承转动产生的震动剧烈问题进行了优化。

1.2.2水润滑轴承仿真方法的研究现状

通过对轴承工作时的基本的多项物理方程来建立轴承的仿真模型，对轴承在不同工况以及几何物性参数下的运行状况进行模拟从而得到影响规律，对轴承的结构设计等提供正确科学的理论依据，如今随着各国对水润滑轴承越来越重视，在仿真方法上已经取得了非常实际性的成就。

合肥工业大学的李震^[9]教授通过研究记入轴线倾斜的轴承系统在变荷载的条件下动力、摩擦学，并且轴承内衬的刚度以及元件耦合分析，同时还考虑了轴颈表面的动应力计算的方法，并且采用了动力学仿真以及有限元分析结合的方法对其进行计算。合肥工业大学的何芝仙教授^［10］在控制理论的接触上分析并建立了轴承转子系统耦合模型，在虚拟样机的基础上应用联合仿真，对轴-轴承系统动力学的过程进行了仿真分析并且也取得了突破性进展。姜力刚^[11]教授等根据高速精密机床新型动静压轴承的水腔特点导出了斜坐标系下雷诺方程和流量连续性方程的有限差公式。

重庆大学的段芳莉^[12]教授利用柔度矩阵法对径向滑动轴承进行了弹流润滑分析，利用了有限元软件MARC来进行建模计算并将得到的柔度矩阵同雷诺方程进行相互结合以此得到弹性变形下流体润滑的方程以及性能影响规律；陈家庆教授^[13]则把径向轴承的模型利用二维的弹性接触方程进行模拟，并且利用了边界元法以此求出其中的滑动轴承动态摩擦时的接力学性；清华大学的常秋英^[14]等团体通过对弹流润滑理论的充分的分析，创造性的将三维雷诺方程，能量方程以及弹性方程三者进行联立运用，通过对三维温度场进行具体的分析，逐步将温度场进行扫描，从而通过温度的分析将轴承瓦块的温度变形以及物理变形能够通过有限元法进行构造。闫明教授的团体^[20]通过对于响应面的各个数据进行分析，在对于轴承润滑可靠性的灵敏度进行分析研究。

1.3 本课题研究的主要内容

飞龙轴承是水润滑轴承尾轴承结构中常用的高分子材料轴承，本身具有较为良好的物理性能，但是由于轴承内衬在水润滑轴承由于自身所处的工作环境复杂，在载荷作用下往往会有变形导致润滑性能下降，因此通过建立弹流润滑仿真来模拟轴承工作环境改变时，几何物性参数以及工况参数对轴承润滑的影响规律。同时由于内衬采用的是飞龙轴承为高分子材料，需要考虑其自身的弹性变形。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：