船舶轴系推力轴承油膜刚度与综合支承刚度测量

船舶轴系推力轴承油膜刚度与综合支承刚度测量朱鸿;邹冬林;卢坤;解忠良;塔娜;饶柱石【摘要】In marine propulsion shafting, the stiffness of the thrust bearing depends on the oil-film stiffness, structure stiffness of the bearing and its base. And, the thrust bearing stiffness only includes the oil-film stiffness. So in this paper, the comprehensive stiffness including both the oil-film stiffness and the bearing and its base structure stiffness is defined as the composite support stiffness. The method of measurement for the oil-film stiffness and the composite support stiffness is investigated and then the experiment is carried by this method in a scaled thrust bearing test board. The good experiment results are obtained. It shows that the oil-film stiffness decreases as the rotational speed rise. The composite support stiffness decreases as the excitation frequency rise and is equal to zero in the base resonance frequency. The oil-film stiffness and the composite support stiffness are approximately equal in low-frequency excitation. Then only the oil-film stiffness may be considered in the dynamic model of the shaft. The composite support stiffness is consider-ably larger than the oil-film stiffness in high-frequency excitation. Then the composite support stiffness mustbe considered in the dynamic model of the shaft and it brings big errors only to consider the oil-film stiff-ness. These conclusions can provide a reference and guidance to the design and dynamic analysis of marine propulsion shafting.%在船舶推进轴系中,推力轴承刚度常取决于其油膜刚度、轴承及其基座的结构刚度.通常所指的推力轴承刚度只包含油膜刚度.因此文中把既考虑油膜刚度又考虑轴承及其基座的结构刚度综合而成的刚度定义为推力轴承综合支承刚度,进而详细给出了推力轴承油膜刚度与综合支承刚度的测量方法.借助此方法,对实验室一缩比的推力轴承实验台的油膜刚度与综合支承刚度进行了测量,获得了良好的结果.实验表明,推力轴承油膜刚度随转速上升而下降;综合支承刚度随外激励频率上升而下降,在推力轴承—基座共振频率处降为零;低频激励时,油膜刚度与综合支承刚度大小近似相等,此时对轴系的动力学建模可以只考虑油膜刚度;高频激励时,综合支承刚度远小于油膜刚度,此时对轴系动力学建模必须考虑综合支承刚度,只考虑油膜刚度会带来较大误差.实验结果对船舶推进轴系的设计及动力学分析有指导意义.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2017(021)004【总页数】9页(P455-463)【关键词】船舶轴系;推力轴承;油膜刚度;综合支承刚度【作者】朱鸿;邹冬林;卢坤;解忠良;塔娜;饶柱石【作者单位】海军驻上海沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室, 上海 200129;上海交通大学振动、冲击、噪声研究所, 上海 200240;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海 200240;上海交通大学振动、冲击、噪声研究所, 上海200240;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海 200240;上海交通大学振动、冲击、噪声研究所, 上海 200240;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海 200240;上海交通大学振动、冲击、噪声研究所, 上海 200240;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海 200240;上海交通大学振动、冲击、噪声研究所, 上海 200240;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海200240【正文语种】中文【中图分类】O32船舶推进轴系作为船舶动力转化的“桥梁”，是船舶组件中非常重要的部件，其性能直接制约着船舶的工作效率。

因此对推进轴系的动力学特性分析一直以来都是国内外研究的热点[1-4]。

而船舶推进轴系的动力学特性很大程度上取决于其支承特性。

对于轴系纵向振动而言，推力轴承是轴系振动传递的重要途径之一。

通常螺旋桨工作在非均匀的尾流场中，其纵向力包含纵向静推力和纵向脉动力。

纵向静推力通过推力轴承作用在基座上，使船舶克服水的阻力而前进。

纵向脉动力是船舶噪声来源之一[5]，其传递到船体壳上引起结构振动，从而辐射噪声。

其传递路径可归纳为：螺旋桨→推进轴→推力轴承→基座→船壳。

据有关文献报道，船壳的低频声辐射与推进轴系的纵向振动有很大关系[6-7]。

因此推力轴承是轴系与船壳振动耦合的关键部件之一，其刚度特性直接决定了纵向脉动力到船壳结构的传递特性，在振动分析中必须考虑。

而对其刚度特性的理论分析与实验研究有很强的实际意义。

推力轴承由于受到轴承的内部结构以及工作条件等诸多因素影响，其刚度特性比较复杂。

通常认为其刚度取决于油膜刚度、轴承及其基座的结构刚度[8]。

通常情况下均认为轴承及其基座刚度远大于油膜刚度，因此对轴系动力学建模时一般只考虑油膜刚度。

而在某些工况下，只考虑油膜刚度有可能产生很大误差，甚至完全错误的结论[9]。

因此本文把既考虑油膜刚度又考虑轴承及其基座结构刚度综合而成的支承总刚度称为综合支承刚度。

很显然，综合支承刚度不是常数，而是与推进轴系的纵向激励频率有关。

近几十年来，国内外对推力轴承刚度研究不论是理论计算还是实验都进行了大量工作。

文献[10]计算了在周期外载荷下推力轴承油膜厚度、油膜压力随时间的变化以及油膜刚度与阻尼随油膜厚度的变化，并进行了实验研究。

文献[11]理论分析了推力轴承的角钢度及变形。

文献[12]对推力轴承进行了实验，研究表明随着转速的升高，最小油膜厚度增大。

文献[13]对表面层为复合材料的推力轴承进行了油膜测量实验。

文献[14]仿真研究了船舶轴系推力轴承的油膜压力分布规律及承载能力的影响因素。

文献[15]研究了推力轴承三维热弹流润滑性能及其振动噪声特性。

文献[16]仿真研究了离心压缩机推力轴承油膜厚度、轴瓦温度及转子轴向位移随转速的变化规律并进行了实验。

文献[17]实验研究了汽轮机推力轴承的轴瓦温度分布规律。

文献[18]实验研究了推力轴承油膜厚度、压力及温度随转速的变化规律。

文献[19]利用反射式光纤传感器对推力轴承油膜厚度进行测量。

文献[20]对大比压推力轴承进行实验研究，测量了不同工况下轴承工作压力、工作温度及油膜厚度等参数。

目前已有公开文献多数均是针对推力轴承油膜刚度的研究，针对推力轴承综合支承刚度的研究非常少。

在轴系动力学建模时，支承刚度通常只考虑油膜刚度，在大多数情况由此引起的误差不大，但是在中高频激励时，容易激起轴承基座的固有频率而使基座变“软”[9]，此时有必要考虑综合支承刚度。

这种现象对于纵向振动尤为明显，准确估计推力轴承的综合支承刚度是纵向动力学分析可靠的关键之一。

但是当前船舶工程应用中对于何时采用油膜刚度，何时采用综合支承刚度作为纵向振动分析的边界条件尚无定论，综合支承刚度与油膜刚度之间的相互关系也不明确。

由于推力轴承综合支承刚度涉及油膜刚度、轴承及基座结构刚度及其相互的耦合作用，因此很难从理论上对其进行分析。

基于上述原因，本文从实验角度出发，给出了推力轴承油膜刚度及综合支承刚度的测量方法，借助此方法，对实验室一缩比推力轴承实验台的油膜刚度及综合支承刚度进行了测量，获得了良好的结果。

实验结果对船舶推进轴系的设计及动力学分析有指导意义。

油润滑推力轴承动态特性测试实验台是依照某实际船舶推力轴承按1：4模型制造而成，如图1与如图2所示。

主要结构由电机、联轴器、联接法兰、推力轴承、圆锥滚子轴承及推力加载盘等部件组成。

其中圆锥滚子轴承连接转动轴与静止轴，实现动静部件的分离，从而方便在静止轴上施加静态或动态载荷。

该实验台既可以通过推力加载盘处的空气压缩弹簧加载静态载荷，也可以在轴末端通过激振器施加动态载荷。

实验台最大加载静推力为3 t，最大转速为400 rpm，最小转速为50 rpm。

推力轴承为油润滑可倾瓦轴承，推力瓦块为扇形瓦，一共4块，采用单点支承。

瓦块外径为260 mm，内径为90 mm，与推力环间总间隙为0.30～0.45 mm。

润滑油供油时采用外置油泵，外循环冷却方式，润滑油压力为0.1～0.2 MPa，流量为60～100 L/min。

实验台中的推力轴承处与电机端相连接联轴器采用的是纵向刚度偏小的梅花形弹性联轴器，因此可以认为其只传递扭矩而不传递纵向力（这点也被实验所证实），从而分析时可以从这里断开以简化问题。

油膜测试采用载荷增量法，其原理是指分别在轴末端沿轴向作用一个静载荷，测量出每次加载时推力轴的轴向位移，这样可以求得单位力下轴的轴向位移，从而得到刚度系数[9]。

利用此方法的前提是在稳定工作条件下施加静载荷。

前文曾经指出弹性联轴器纵向刚度小，相对于推力轴承刚度而言，可看作自由边界，因此将模型从推力轴承和弹性联轴器处断开，简化为两自由度模型。