计入螺旋桨流体激振力的船舶尾轴承润滑特性计算
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摘要
随着交通运输业的发展，营运、效益、安全均对船舶的可靠性提出了更高的要求。作为船舶关键部件的尾管装置已不能继续沿用传统的结构型式和常规的静态设计方法，这日益成为世界航运界关注的热点。
船舶尾管轴承是一种受力复杂、结构特殊的滑动轴承，它在实际工作中处于极其恶劣的润滑状态下，常常产生严重的磨损而导致尾轴承的过早失效，这对船舶安全航行和营运经济效益带来很大的影响。为了改善尾管轴承的性能，必须对传统的尾管轴承设计方法进行改进，提出一种行之有效的动态设计方法，以提高船舶尾管轴承的使用寿命，使其处于最佳运行状况。
本论文力图将螺旋桨流体激振力这项动态因素和船舶尾管轴承的润滑状态结合起来，进行多项变量的润滑特性的分析和计算，为计入螺旋桨流体激振力的船尾轴承润滑特性计算探索出了一条可行的方法，并为将来全面计入各种动态因素建立平台。
具体而言，本文主要包括以下几方面的主要内容：
(1)分别构建了船舶轴系横向振动和船舶尾管轴承润滑性能计算的数学模型。这是论文进行计入螺旋桨流体激振力的船尾轴承润滑特性计算的理论依据。通过对它们的研究，为论文系统软件的开发提供了理论基础。
(2)应用传递矩阵法，研究了以螺旋桨流体激振力为激振源的轴系横向振动模型，求出其在尾轴承处的振动响应特性。
(3)通过对Reynolds方程的适当修改，利用流体动力润滑理论和有限元素法对数学模型进行求解，研究尾轴承压力分布在各阶响应下的变化，并进而研究表征船尾轴承动态特性的油膜刚度、阻尼系数在各阶响应下的变化。并由此提出了对船舶尾管轴承动态设计方法的若干讨论。
(4)介绍了船舶尾管系统软件的开发和使用。
(5)针对实船数据进行试算，验证模型的正确性和软件的可用性，并针对其结果进行了相关分析。
(6)对水润滑尾轴承进行了摩擦磨损试验，验证模型对水润滑尾轴承润滑特性计算结果的正确性。
With the development of the Transportation, running benefit and safety all put forward higher requirement about the dependability of ships. The stern tube instrument, pivotal parts of ships, can not follow the traditional structure type and the routine static design technique any more. It has become the hotspot of the shipping industry in the world.
The marine stern tube bearing is a special structure and complicated load sliding bearing, which is always under foul lubricative state in real work, and always produces bad abrasion to get premature invalidation. This brings a great influence to ship' s safely sailing and economic benefit. So, to ameliorate its capability, we must betterment the traditional design technique and put forward a effective dynamic design technique to increase its work life and stay in best work status.
This thesis tried to connect the dynamic factor of the propeller hydro-oscillation force and the lubricative state of it to analyze and calculate the lubricative characteristics of it with many variables, and them to explore a feasible way for the lubricative characteristics calculation of it, reckoning the propeller hydro-oscillation force in and put up a flat roof for reckoning all dynamic factor in future.
Concretely, the main contents are obtained in this paper as follows:
1. It constructed the math model of the ship shafting transverse vibration and the lubricative capability calculation of stern tube bearing. This was the theory gist of the thesis to calculate it, reckoning the propeller hydro-oscillation force. By the research on them, it made the theory basis for the opening of the system software.
2. By transfer matrix technique, it studied the shafting transverse vibration model, whose fountain is hydro-oscillation force, and sought the respond characteristics of stern tube bearing.
3. By modifying Reynolds equation properly and applying hydro-dynamic lubricative theory and finite element theory, it sought the answer of the math model and studied the press' s variety of stern tube bearing under every rank respond, and more about the oil film stiffness and damp coefficient, and at last put some discusses about the dynamic design technique of stern tube bearing.
4. Introduced the opening and using of the stern tube system software.
5. Calculated the given data to validate the correction of the model and available of software, and analyzed the results.
6. Took the friction and wearing trial to validate the correcting of results of water-lubricated bearing lubricative characteristic.
船舶尾管轴承是一种受力复杂、结构特殊的滑动轴承，它在实际工作中处于极其恶劣的润滑状态下，常常产生严重的磨损而导致尾轴承的过早失效，这对船舶安全航行和营运经济效益带来很大的影响。为了改善尾管轴承的性能，必须对传统的尾管轴承设计方法进行改进，提出一种行之有效的动态设计方法，以提高船舶尾管轴承的使用寿命，使其处于最佳运行状况。
本论文力图将螺旋桨流体激振力这项动态因素和船舶尾管轴承的润滑状态结合起来，进行多项变量的润滑特性的分析和计算，为计入螺旋桨流体激振力的船尾轴承润滑特性计算探索出了一条可行的方法，并为将来全面计入各种动态因素建立平台。
具体而言，本文主要包括以下几方面的主要内容：
(1)分别构建了船舶轴系横向振动和船舶尾管轴承润滑性能计算的数学模型。这是论文进行计入螺旋桨流体激振力的船尾轴承润滑特性计算的理论依据。通过对它们的研究，为论文系统软件的开发提供了理论基础。
(2)应用传递矩阵法，研究了以螺旋桨流体激振力为激振源的轴系横向振动模型，求出其在尾轴承处的振动响应特性。
(3)通过对Reynolds方程的适当修改，利用流体动力润滑理论和有限元素法对数学模型进行求解，研究尾轴承压力分布在各阶响应下的变化，并进而研究表征船尾轴承动态特性的油膜刚度、阻尼系数在各阶响应下的变化。并由此提出了对船舶尾管轴承动态设计方法的若干讨论。
(4)介绍了船舶尾管系统软件的开发和使用。
(5)针对实船数据进行试算，验证模型的正确性和软件的可用性，并针对其结果进行了相关分析。
(6)对水润滑尾轴承进行了摩擦磨损试验，验证模型对水润滑尾轴承润滑特性计算结果的正确性。
With the development of the Transportation, running benefit and safety all put forward higher requirement about the dependability of ships. The stern tube instrument, pivotal parts of ships, can not follow the traditional structure type and the routine static design technique any more. It has become the hotspot of the shipping industry in the world.
The marine stern tube bearing is a special structure and complicated load sliding bearing, which is always under foul lubricative state in real work, and always produces bad abrasion to get premature invalidation. This brings a great influence to ship' s safely sailing and economic benefit. So, to ameliorate its capability, we must betterment the traditional design technique and put forward a effective dynamic design technique to increase its work life and stay in best work status.
This thesis tried to connect the dynamic factor of the propeller hydro-oscillation force and the lubricative state of it to analyze and calculate the lubricative characteristics of it with many variables, and them to explore a feasible way for the lubricative characteristics calculation of it, reckoning the propeller hydro-oscillation force in and put up a flat roof for reckoning all dynamic factor in future.
Concretely, the main contents are obtained in this paper as follows:
1. It constructed the math model of the ship shafting transverse vibration and the lubricative capability calculation of stern tube bearing. This was the theory gist of the thesis to calculate it, reckoning the propeller hydro-oscillation force. By the research on them, it made the theory basis for the opening of the system software.
2. By transfer matrix technique, it studied the shafting transverse vibration model, whose fountain is hydro-oscillation force, and sought the respond characteristics of stern tube bearing.
3. By modifying Reynolds equation properly and applying hydro-dynamic lubricative theory and finite element theory, it sought the answer of the math model and studied the press' s variety of stern tube bearing under every rank respond, and more about the oil film stiffness and damp coefficient, and at last put some discusses about the dynamic design technique of stern tube bearing.
4. Introduced the opening and using of the stern tube system software.
5. Calculated the given data to validate the correction of the model and available of software, and analyzed the results.
6. Took the friction and wearing trial to validate the correcting of results of water-lubricated bearing lubricative characteristic.
引文
[1] 焦秀稳．尾管密封失效分析．中国造船，1995．11，No4：P74-77
[2] 魏海军等．船舶尾轴密封装置漏油原因分析及油液监控的重要性．中国修船，2001．5：P10-12
[3] 蒋仁言．用有限元法计算船舶尾轴承的静、动特性．武汉水运工程学院学报，1984，No1：P45—56
[4] (日)佚名．船尾管轴承润滑状态理论解析．
[5] 何友声、王国强编著．螺旋桨激振力．上海：上海交通大学出版社，1987．4：P168-169
[6] 禹荣章．船舶推进轴系回旋振动特性及计入回旋振动响应的校中计算研究．武汉水运工程学院硕士论文，1988．6：P1-30
[7] Seals in the 'electrolytic' soup. MER September 1998.
[8] 萧文范．改型MC尼龙尾管轴承试验研究．武汉水运工程学院硕士论文，1989．4：P40-45
[9] 陈炜．对两型护卫舰尾部振动的分析与探讨．船舶工程研究，2001．2：P34—36
[10] 叶冀萍．水润滑复合橡胶尾管轴承的研究．武汉交通科技大学硕士论文，1996．3：P13-25
[11] [英]O.平克斯，B.斯德因李希特著，流体动力润滑理论．机械工业出版社，1980
[12] 卢文祥等．机械工程测试·信息·信号分析．华中理工大学出版社，1990．3：P234-251
[13] 乐海明．Simplex式尾密封漏油原因分析及解决办法．中国修船，1992．5：P26-27
[14] Kerwin, J.E., Lee, C.S.. Prediction of Steady and Unsteady Marine Propeller Performance by Numerical Lifting-Surface Theory. Tran. SNAME Vol. 86.1978:P218-253
[15] 王贤烽等．用有限元法计算船舶尾管轴承的润滑特性．武汉造船，1991．6：P6-13
[16] The JCM-L Closed Water Lubricated Stern Tube System. September 1996. HSB International.
[17] Zienkiewicz, O.C., and cheng, Y.K.. Finite element in the Solution of field problem. The Engineer, Vol24,1968:P507-510
[18] Stokley, J.R. and Danaldson, R.R. Misalignment effects in 180°partial journal bearings. ASLETrans, Vol12 1969:P216-228
[19] Walther, A. and Sassenfeid, H. Pressure distribution and load in 360° bearing with an inclined shaft. Rept#13, British Dept. SC. and Ind. Res
[20] Smalley, A. J. and Mccallion, H., The effect of journal misalignment on the performance of a journal bearing under steady running condition. Proc, Inst. nech Eng. 1966-1977 Vol181 Psrt3B P145
[21] 唐育民、海鹏洲等．水润滑橡胶尾管轴承的性能研究．武汉造船，1991．4：P8-14
[22] 王贤烽．船舶尾管轴承结构的改进及试验研究．船舶工程，1994．2：P35-41
[23] 唐育民、海鹏洲等．船舶尾轴承动压润滑的理论研究．湖北省第二次摩擦学学术会议论文，1984．11：P10-32
[24] 海鹏洲等．船用尾轴承斜镗孔．中国修船．1984．3：P5-12
[25] 唐育民等．船舶尾管轴承的优化设计研究．武汉水运工程学院学报，1991．9：P218-224
[26] 张雨等．轴系非对中时轴承振动的数值模拟与物理模拟研究．中国造船，1999．11：F10-15
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[28] Roy L. Orndorff. JR. Water-Lubricated Rubber Bearings, History and New Developments. Naval Engineers Journal. November 1985.
[29] scar Pinkus. Analysis and Design of Advanced Stern-Tube Bearing Systems. Mechanical Technology, Inc, Latham, NY.
[30] Trouble Spot: Avoiding crankshaft destruction. MER September 1998.
[31] 易大义等．数值方法．湖北科学技术出版社，1984
[32] 周仲荣等．摩擦学设计—案例分析及论述．西南交通大学出版社，2000．1：P275-281
[33] 张直民等．滑动轴承的流体动力润滑理论．北京：高等教育出版社，1986．11：P38-41
[34] 王国强等．船舶推进．国防工业出版社，1985．12：P110-124
[35] 田明．船舶推进装置轴系扭振特性计算的进展．江苏船舶 Js99-3-07：P25-28
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[39] 张志华．动力装置振动数值计算．哈尔滨工程大学出版社1994．12：P93-100
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[42] 西安交通大学轴承研究组．滑动轴承油膜振荡分析．西安交通大学科技参考资料，1974．4：P3-6
[43] 董世汤．船舶螺旋桨理论．上海交通大学出版社，1985．5：P150-162
[44] 胡茂横．水润滑橡胶尾轴承的研究．武汉水运工程学院研究生论文，1988．4：P2-12
[45] 蒋仁言．提高大型MCS-2-1船尾轴承使用寿命的研究．武汉水运工程学院研究生论文，1984．12：P1-23
[46] V.N. Constantinescu. On turbulent lubrication proceedings of the institution of mechanical engeneerings. 1959. Vol173. No38.881
[47] 王贤烽．船舶推进轴系油膜刚度计算研究．武汉造船，1997．4：P12-18
[48] K.H. Huebner. etc. Application of Finite element method to lubrication. An Engineering Approach. ASME, F94.4:P313-323
[49] 张雨．校中状态、转速及水动力对轴系承载状况的模拟试验研究．武汉水运工程学院硕士学位论文，1986．1：P62-70
[50] 杨彬等．Delphi 4.0程序开发应用指南．人民邮电出版社，ISBN7-115—07425-9/TP．867．1998．10：P1-9
[51] 唐育民、海鹏洲、金志鸿等．船舶尾轴承润滑特性的计算和分析．武汉水运工程学院学报，1983．No4：P9-19
[52] 西安交通大学轴承研究组．动压径向滑动轴承报告文集．1979．2：P 2—11
[53] 余宪海等．船舶动力装置安装工艺学．人民交通出版社，1989．6：P 51—57
[54] 岑少起等．重载径向滑动轴承润滑力学问题数值解．西安交通大学学报，1982．2：P119—125
[2] 魏海军等．船舶尾轴密封装置漏油原因分析及油液监控的重要性．中国修船，2001．5：P10-12
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[36] (日)鹫见伦一．螺旋桨水动力对轴系的作用．国外舰船技术，No10，1982：P32—41
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[51] 唐育民、海鹏洲、金志鸿等．船舶尾轴承润滑特性的计算和分析．武汉水运工程学院学报，1983．No4：P9-19
[52] 西安交通大学轴承研究组．动压径向滑动轴承报告文集．1979．2：P 2—11
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