船用推力轴承润滑油膜静动特性分析方法及其应用研究

摘要

推进轴系是典型的转子-轴承系统，由轴系转子和轴承非转子两部分组成。转子的重要特征是润滑，这是与杆等非转子结构的显著区别所在。传统对舰船推进轴系纵向振动研究中，将推进轴系的纵向振动等同于杆的纵向振动，忽略了推进轴系的转子特征，缺乏对推力轴承润滑油膜轴向动特性的定量研究。轴承内部推力环和推力瓦之间的动压润滑油膜起承载和传递螺旋桨推力的作用，当推力环在螺旋桨脉动推力激励下发生纵向振动时，推力环在其平衡位置前后挤压润滑油膜，使润滑油膜内产生压力脉动，进而表现出动特性。显然，在推进轴系纵向振动过程中，润滑油膜的动特性是客观存在的。这种动特性因推进轴系纵向振动而产生，必然反作用于推进轴系，对其纵向振动特性和力传递特性产生一定影响。尽管推力轴系纵向振动分析需借助于杆纵向振动的基本理论，但必须将润滑油膜动特性反映在动力学模型中。在认识到润滑油膜影响推进轴系纵向振动特性的客观性后，要具体说明其影响程度。具体回到这个问题，必须对润滑油膜动特性进行定量研究，将计算结果作为推进轴系纵向振动分析模型的数据输入，通过比较有无润滑油膜动特性的计算结果确定润滑油膜的影响。通过润滑油膜动特性架起转动与纵向振动的连接“桥梁”，进而可以解释推进轴系纵向振动随转速变化的动频特性，分析追踪轴系纵振低频线谱的产生的原因。本文对推力轴承推力环与推力板之间的润滑油膜静动态特性分析做了以下工作：
　　第一章梳理了本课题研究的背景和意义，对国内外轴系纵向振动控制研究和可倾瓦推力轴承润滑油膜静动特性分析进行了现状调研。
　　第二章建立可倾瓦推力轴承动压润滑理论模型，然后分别从润滑油膜运动的雷诺方程、能量方程、膜厚方程等出发，建立油膜静特性分析模型。在已知油膜静特性的基础上，通过泰勒级数展开法建立油膜的动特性分析模型。
　　第三章对油膜静动态分析的各控制方程无量纲化，然后利用有限差分法和步进法原理分别对雷诺方程和能量方程进行离散。最后根据，在工作状态下油膜承载力与外界载荷的平衡，可倾瓦的力矩平衡，提出嵌套式二分法数值计算的理论基础。
　　第四章利用嵌套式二分以实际推力轴承润滑油膜的结构尺寸进行计算，和轴系振动测试的结果进行比较，从趋势上验证了数值算法的正确性，并分析了载荷与转速在独立和不独立情况下油膜动特性系数随着转速的不同变化规律；然后再根据相关学者利用有限元软件得到的油膜静特性结果，进行对比验证数值算法的准确性。最后编制可倾瓦推力轴承润滑油膜静动特性计算软件，从理论上可以计算不同推力轴承结构尺寸，任意转速和任意载荷下润滑油膜的静动特性。
　　第五章研究主推进轴系纵向振动特性和纵向振动分析方法，探讨分析润滑油膜对轴系纵向振动的影响，包括对刚度的影响，固有频率的影响以及灵敏度分析等。
　　第六章对本文研究的工作进行择要概括，总结主要结论，提炼创新点，提出后续的研究方向。

目录

声明

1绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 课题研究国内外现状

1.3 论文主要研究内容

2可倾瓦推力轴承润滑油膜特性机理分析

2.1 可倾推力轴承

2.2 静特性分析数学模型

2.3 动特性分析数学模型

2.4 本章小节

3嵌套式二分法数值计算润滑油膜静动特性

3.1 控制方程的无量纲化

3.2 离散无量纲方程

3.3 数值计算

3.4 算例分析

3.5 本章小节

4嵌套式二分法的验证与应用

4.1 船舶轴系实验

4.2 数值计算结果

4.3 有限元法验证

4.4 计算软件编写

4.5 本章小结

5润滑油膜对轴系纵振影响

5.1 纵向振动基本知识

5.2 润滑油膜对纵向振动的影响

5.3 本章小结

6总结与展望

6.1 全文总结

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录1攻读学位期间参与的科研工作概要

附录2文中计算软件部分源代码