于志民，徐燕銘，張仕海

(天津海運職業(yè)學院,天津　300350；天津職業(yè)技術師范大學，天津　300222)

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基于TEHD計算模型的船用推力軸承振動研究

于志民，徐燕銘，張仕海

(天津海運職業(yè)學院,天津300350；天津職業(yè)技術師范大學，天津300222)

研究船用柴油機推力軸承油膜對機體震動的影響，通過建立TEHD軸承計算模型多體動力學模型，分析TEHD模型下最大油膜壓力、最小油膜厚度對振動影響，分析推力軸承的彈性變形以及熱變形對震動影響，在柴油機不同轉(zhuǎn)速情況下對柴油機縱向震動的影響，通過模擬和實驗對柴油機設計軸承剛性要求及維護管理中油壓、油溫提供理論指導。

柴油機推力軸承；TEHD多體動力學；震動

一、引言

研究柴油機的振動可從整機振動、結構振動、軸系扭轉(zhuǎn)振動、部件振動等方面進行研究，柴油機推力軸承故障80%以上是由于潤滑引起，潤滑膜的破壞是造成故障的直接原因，而震動是對潤滑膜的破壞起到間接促進作用，震動對整個柴油機系統(tǒng)的安全性和使用性能直接影響，一般所說的柴油機振動實際上是指整機振動，單一震動對柴油機震動危害有限，共振是造成柴油機故障的最主要原因，本文從推力軸承潤滑角度研究油膜對柴油機縱震動的微觀影響，對柴油機隔振和減震提供理論依據(jù)，在建模過程中把推力軸承視為彈簧阻尼單元，本文研究推力軸承在外界因素變化的情況下，比如潤滑油的粘度、油溫的變化，外界受力變化等等對推力軸承的油膜影響，為了分析這些因素的影響，本文采用推力軸承TEHD計算模型，該模型考慮油溫對油膜的影響并且同時考慮了推力軸承的熱彈性變形對油膜厚度的影響。

二、TEHD計算模型建模

TEHD模型是基于求解拓展雷諾方程數(shù)值計算模型，推力軸承在工作過程中通過推力塊以刃角為支撐小角度擺動來實現(xiàn)液體動壓潤滑，工作中受推力大小和油溫和油壓及潤滑油的特性影響，在建模中沒有考慮潤滑油的品質(zhì)的影響，當機械負荷和油溫變化時認為推力軸承是彈性變形，引起油膜厚度的變化，同時考慮油溫的油膜厚度的影響，進而影響推力軸承的震動。為了研究上述的變化規(guī)律本文采用TEHD計算模型來研究，TEHD計算模型建模是研究潤滑油的油膜厚度變化由于軸承的受力彈性變形以及考慮了熱變形的分析研究模型。

(一)廣義雷諾方程

[1]

(二)油膜能量方程

推力軸承是傳遞推力的部件，軸向力是通過推力塊傳遞給油膜，油膜傳遞機體，機體傳遞給地腳螺栓，在推力傳遞過程中不可避免會產(chǎn)生熱量，熱量的產(chǎn)生造成油溫的升高，油膜傳遞過程中潤滑油膜能量變化關系可以用公式[2]表示，在該公式中，v, u, w 為潤滑油膜三個方向的速度；Cp為潤滑油膜的比熱；T為潤滑油膜的溫度，k為潤滑油膜的傳熱系數(shù)。

[2]

(三)油膜厚度方程

軸向推力是通過推力塊傳遞給油膜，油膜傳遞機體，在推力傳遞過程中不可避免會產(chǎn)生熱量，熱量的產(chǎn)生造成油溫的升高，推力軸承熱變形的潤滑油膜厚度方程 [3],在潤滑油膜厚度方程中h0是理想狀態(tài)的油膜厚度即不考慮變形影響，he是推力軸承彈性變形導致的油膜厚度變化量，ht是推力塊熱變形導致的油膜厚度變化量，C是推力軸承間隙，L是推力塊的寬度，e是推力塊的中心線長度，e0、ψ0是推力塊的軸向偏心向量。

[3]

假設彈性變形和熱變形都是線性過程，在受壓狀態(tài)下的推力軸承徑向變形可如公式[4]所示，受熱狀態(tài)下推力塊軸承熱扭曲變形可以用公式[5]表示：

[4]

[5]

在公式[4]和[5]中[K]為變形矩陣，[P]為油膜壓力，變形矩陣[K]可通過有限元法求解，B是幾何矩陣，D是彈性矩陣，εT為熱應變。

(四)多體動力學方程

在廣義坐標下，柔性體的多體動力學方程由約束方程和運動方程兩部分組成。柔性多體系統(tǒng)的約束方程如公式[6]所示，

C(q,t)=0

[6]

[7]

三、有限元建模與震動分析

(一)有限元建模

推力軸承推力塊油膜網(wǎng)格劃分及中心差分格式圖2-1-1

圖2-1-1　油膜網(wǎng)格劃分及中心差分格式

在柴油機正常運轉(zhuǎn)情況下，油溫恒定推力不變情況下油膜壓力分布見圖2-1-2和模擬推力塊有限元模型中壓力加載示意圖2-1-3

圖2-1-2　油膜壓力分布

圖2-1-3　推力塊有限元模型中壓力加載示意

在柴油機正常運轉(zhuǎn)情況下，油溫恒定推力不變情況下推力塊溫度分布圖推力軸承推力塊溫度場，由圖2-1-4,可知在推力塊的左下角位置溫度最高，對推力塊工作最不利。

圖2-1-4　推力軸承推力塊溫度場

推力塊有限元模型中進行壓力加載，在模擬軟件中采用Link 單元，采用模擬支柱機構分別計算推力塊熱變形如圖2-1-5，推力塊的彈性變形如圖2-1-6，以及推力軸承推力塊熱彈性綜合變形如圖2-1-7。

圖2-1-5　推力塊熱變形

圖2-1-6　推力塊彈性變形

圖2-1-7　推力軸承推力塊熱彈性綜合變形

通過三種情況的變形模擬圖可知：推力軸承的油膜厚度、壓力分布情況推力軸承油膜膜厚度取決于推力瓦與推力環(huán)的間隙形狀，油膜厚度呈平- 斜平面分布. 最大油膜厚度δmax = 10.5μm ,最小油膜厚度δmin = 4.3μm.,推力瓦徑向油膜壓力存在兩邊低、中間高的分布趨勢. 推力瓦徑向油膜壓力由瓦內(nèi)徑到外徑呈增大趨勢,靠近外徑時達到最大. 周向油膜壓力從旋入位置到旋出位置呈先增后減趨勢，初始壓力不同時, 膜厚和溫度的響應時間不同, 初始壓力越小, 油膜溫升及最小膜厚的變化量越大。

(二)推力軸承體震動建模分析

推力軸承主要由殼體、推力軸、推力塊及支承結構、液體動壓潤滑系統(tǒng)組如圖2-2-1

圖2-2-1　推力軸承結構

采用二階四面體劃分推力軸承體的有限元模型，共得到4萬多個萬單元，7萬多個萬節(jié)點。推力軸承上殼體共劃分22282個單元,下殼體共劃分23170個單元推力軸承體的有限元網(wǎng)格如圖2-2-2所示。

圖2-2-2　推力軸承體的有限元網(wǎng)格

通過ANSYS的(block)模塊lanczos法對柴油機推力軸承系統(tǒng)進行整體有限元模型進行約束模擬圖2-2-3整體有限元模型進行約束模擬圖 a和b固有震動分析

圖2-2-3　整體有限元模型進行約束模擬

通過對振型分析，提供了柴油機推力軸承整體縱向減震理論依據(jù)，對柴油機設計和安裝提供幫助，推力軸承節(jié)點的振動幅值為軸系縱振在推力軸承節(jié)點的響應值，軸系縱振對柴油機的激勵推力軸承節(jié)點的軸向振動響應越小，振動幅值下降。

四、實驗

本文的實驗對象是6300ZC柴油發(fā)動機由山東淄博柴油機總公司制成，柴油機551KW的額定功率，額定轉(zhuǎn)速500r/min。對于飛輪端的旋轉(zhuǎn)方向為R，采樣頻率為10KHz和樣品長度是5K點。實驗轉(zhuǎn)速為300r/min，500r/min，測量現(xiàn)場圖如3-1-1，振動監(jiān)測模塊根據(jù)精度等級的要求，判斷測點的振動是否符合要求，測量振動量是否在測量精度范圍內(nèi)，如果符合要求則開始測量實驗．實驗分三個步驟進行：

圖3-1-1　震動測量現(xiàn)場

(一)實驗前滑油溫度預熱到30°C，油壓0.3MPa。發(fā)動機啟動后穩(wěn)定轉(zhuǎn)速300r/min，測量推力軸承的初始振動信號，并采用盲源分離方法分離出基頻振動信號。

(二)第一個滑油溫度由30°增加到50°C，油壓0.3MPa，柴油機轉(zhuǎn)速300 r/min測量推力軸承振動信號，如圖3-1-2兩種振動情況a)

(三)第二個油溫穩(wěn)定50°C，油壓0.3MPa，柴油機轉(zhuǎn)速300 r/min增加到500 r/min，測量推力軸承震動信號，如圖3-1-2兩種振動情況b)

圖3-1-2　兩種振動情況

通過改變滑油溫度和柴油機轉(zhuǎn)速，測量震動信號，通過圖3-1-2可知，當油溫變化和外界負荷變化情況下，對推力軸承振動是有明顯變化，采用ANSYS軟件模擬是一種有效方法，對推力軸承設計和日常管理提供技術服務。

五、結論

一是，分析推力軸承的油膜壓力、膜厚和溫度分布情況，同時推力軸承在溫度和和油壓變化情況下對震動的影響。

二是，軸系縱振對柴油機的激勵推力軸承節(jié)點的軸向振動響應越小，振動幅值越下降。

三是，分析柴油機推力塊工作情況采用ANSYS軟件模擬是一種有效方法，并提出油壓油溫對油膜的變化的影響，進而對震動的影響，對推力軸承設計和日常管理提供服務。

四是，初始速度不同時, 推力軸承轉(zhuǎn)速越高, 推力壓力越大，在低速最高溫度變化量比高速溫度變化量大,低速下膜厚比高速小。

[1]張仕海，等.機床主軸內(nèi)置式雙面在線動平衡裝置及系統(tǒng)[J].北京工業(yè)大學學報，2012，(06).

[2]楊陳，郝志勇，陳馨蕊.柴油機機體輻射噪聲預測及低噪聲改進設計[J].江蘇大學學報(自然科學版)，2008，29(04).

[3]李民，舒歌群，衛(wèi)海橋.發(fā)動機安裝條件對多體動力學計算影響的研究[J].內(nèi)燃機工程，2009,30(04).

[4]蘇鐵熊，楊世文，崔志琴，等.復雜結構結合部動力學仿真模型研究[J].華北工學院學報，2001,22(03).

Research on Marine Thrust Bearing Vibration based on TEHD Computing Model

YU Zhi-min, XU Yan-ming, ZHANG Shi-hai

(TianjinMaritimeCollege,Tianjin, 300350;TianjinUniversityofTechnologyandEducation,Tianjin, 300222)

the impact of the thrust bearing oil film of marine diesel engine to the vibration of the body of the engine is studied hereby, through establishing TEHD bearing computing model and multi-body dynamics model, the impact of the maximum film pressure and the minimum film thickness on vibration under TEHD model is analyzed and impact of the elastic deformation of the thrust bearing and thermal deformation of shocks on vibration is analyzed, the impact of diesel engine vertical vibration under different speeds, and it proposes theoretical guidance for the design of diesel engine, maintenance and management requirements and the rigidity of the bearing oil pressure, oil temperature through simulation and experiments.

diesel engine thrust bearing; TEHD multi-body dynamics; vibration

2015-05-15

于志民(1972-)，男，河北人，天津海運職業(yè)學院輪機工程技術系副教授，主要研究輪機工程；徐燕銘(1987-)，男，江蘇人，天津海運職業(yè)學院輪機工程技術系講師，在職研究生，主要研究船用柴油機模態(tài)分析；張仕海(1977-)，男，河南人，天津職業(yè)技術師范大學 教授，博士，主要精密與超精密數(shù)控技術及其裝備方面的研究。

TP319

A

1673-582X(2016)09-0078-07