粗糙度和轴向运动对艉轴承混合润滑性能的影响

针对大型船舶航行过程中出现船体变形时艉轴承的磨损状态异常这一问题,本文探究磨损表面粗糙度变化和轴向运动对于艉轴承混合润滑性能的影响,建立了耦合轴向运动和表面粗糙度的混合润滑模型,通过数值模拟得到轴承润滑特征的分布,分析轴向运动和粗糙度对轴承混合润滑特性的影响,并对该润滑模型进行验证。计算结果表明:在轴向运动和轴颈倾斜耦合作用下,油膜厚度沿轴向方向非线性减小,油膜压力和接触压力在局部出现峰值,轴瓦在局部出现较大变形;轴向速度增加会加强动压润滑效应,轴向运动对润滑特性的影响程度随着倾角的增大而增加;粗糙度越大承载能力越强,同时接触情况越严重,会加速轴承的局部磨损。

带倾角长艉轴的新型安装方法

若船舶艉轴长度过大,则无法直接从艉轴支架与艉轴管之间的空间将艉轴送入艉轴管;若轴系中心线与船舶基线存在倾角,则无法将艉轴直接水平送入艉轴管。针对上述情况,利用专用工装托架和模块化运输车,对带倾角长艉轴的安装过程进行分解。以长度为17 m、倾角3°的艉轴为例进行三维仿真模拟。结果表明,所提出的安装方法可行。

抬浮力打捞工程船艉轴轴承热力学有限元仿真

以12000 t抬浮力打捞工程船为例,采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件中的热力学模块对艉轴轴承的散热情况进行研究。介绍轴系布置和艉轴管空舱,分析油膜建立情况下的艉轴轴承热平衡和工作压力分布,进行轴系与艉轴管空舱的热力学有限元仿真。仿真结果满足艉轴轴承的相关要求,并在实船试航中得到验证,表明可取消常规的艉轴管冷却水舱。

计入水污染和空穴的船舶艉轴承润滑特性数值分析

为探究少量海水侵入对船舶艉轴承润滑特性的影响,通过实验测量并计算含水率在10%内滑油参数的变化,结合数值分析的方法统筹考虑工质含水率、黏温特性及空穴等因素对液膜润滑特性的影响。结果表明,通过多项式能够较好地拟合流体的黏温特性,且计算过程中液膜的空化和工质的黏温特性不可忽略;在选定工况下,含水率的增加会提高工质的运动黏度,进一步提高液膜压力、承载力、摩擦系数;水的加入明显提高乳液密度和比热容,增强工质携带热量的能力,降低了液膜的总体温度;较高的含水率更易生成空穴,空穴增强了液膜的动压特性,提高了液膜承载力,也降低了液膜的摩擦系数和液膜外侧的最高温度。

商船艉楼式旋筒风帆数值模拟

设计一款嵌在船舶艉楼上的旋筒风帆,实现船舶对风能的有效利用。为研究风速和风帆转速对风帆助推效果的影响,利用FLUENT软件开展数值仿真计算,得到风帆在不同风速和不同速度比下的升力系数、阻力系数和推力等。结果表明:在同一速度比下,风速越大,风帆产生的推力越大;当速度比为2.0时,风帆在不同风速下均能产生较大的推力;在8级风、速度比为2.0时,风帆的最大推力超过750 kN,且迎风航行时还能减小船舶艉楼的风阻。

基于OpenFOAM的某双艉鳍船快速性能研究

为研究双艉鳍船的艉鳍倾角和螺旋桨旋向对船舶快速性的影响,以OpenFOAM为工具,对模型尺度下的某双艉鳍船进行阻力和自航数值模拟,其中自航分为内旋和外旋2种工况。研究表明:与模型试验结果相比,阻力和自航数值计算结果的偏差均在3%以内,精度较高;将垂直艉鳍改为倾斜艉鳍,能改善艉部流动,减小低速区范围、流动分离和船体阻力;艉鳍形式和旋向对船舶推进效率的影响主要体现在船身效率上,伴流均匀性是影响船舶推进效率的主要因素之一。研究采用的基于OpenFOAM的快速性分析方法可供其他类型船的优化设计参考。

艉管轴承机加工应用研究

为了保证艉管轴承的加工精度,通过艉管轴承的机加工研究,改善不连续表面的加工状态和防止轴承变形,现已在艉管轴承的加工上推广应用,并取得了良好的效果。

艉轴大跨距轴系校中计算

中、小型船舶吃水较浅,其螺旋桨转速快、直径小、重量轻,一旦艉管前后轴承跨距较大,艉管后轴承支点位置就将超出标准给定的范围。本文基于有限元法,将轴系简化为Timoshenko梁单元建立有限元模型,考虑船舶轴系实际安装间隙和基于赫兹接触理论计算的载荷-刚度曲线,使用不同支撑位置和多种支撑模型对艉轴大跨距轴系进行校中计算对比。研究发现,对于艉轴大跨距的轴系,CB/Z 338-2005中对艉管后轴承支点位置的取值已不适合。如果轴承支点选取准确,则单点刚性支承、单点弹性支承、多点非线性弹性支承的轴承负荷计算结果相近。

极限载况下的船舶艉轴变形安全状态评估

针对船舶设计建造阶段轴系校中计算不能完全覆盖实际运营极限工况的问题,以某半潜船极限载况实船航行为例,利用直接计算法得到波浪中航行时的船体变形,提出一种实船航行艉轴变形安全评估方法。该方法基于设计波法确定船体波浪载荷,利用全船有限元计算船体艉轴变形,依据规范采用轴系校中的方法评估艉轴安全,并通过船舶装载手册验证数据的可靠性,是一种有效完整的艉轴变形安全模拟评估方法。

压力补偿型艉轴密封设计及空气流量特性分析

为某半潜船模型设计一种压力补偿型艉轴密封系统。该密封系统基于空气压力、润滑介质压力实时联动算法,能够根据外部海水压力的变化实现密封内外压差平衡,达到密封的目的。同时,该密封系统可应用于40 m水深作业工况,并具备泄漏回收功能,具有绿色环保特征。利用MATLAB/Simulink搭建该系统的参数设计仿真平台,分别研究轻载与重载下压缩空气的流量特性。研究结果表明:该系统轻载时压缩空气流量为0.0141kg/s,重载时为0.025 0 kg/s;瞬态时存在波动,但稳态时运行平稳,抗干扰性强,密封性能可靠。

船舶艉轴油膜测试装备开发探讨

介绍了船舶艉轴油膜形成的机理,对船舶艉轴维护的重要性进行说明,针对艉轴日常维修故障特性,认为艉轴油膜的形成是影响艉轴使用安全的重要环节。由于艉轴油膜形成缺乏应用测试技术的支持,从企业应用角度,探讨一种船舶艉轴油膜测试装备开发,通过对行业内测试装备的分析,提出了一种解决艉轴油膜测试的路线,为以后深度研究此类问题提供基础参考。

磁水复合式水润滑艉轴承设计及其润滑性能研究

推进轴系是舰船艉部振动最重要的激励源,而传统的推进轴系与船体结构通过支承轴承联接,这两部分之间没有相应的减振措施,因此推进轴系上的激励直接作用于船体结构,形成辐射噪声。本文以舰船艉部减振及提高水润滑轴承使用寿命为目的,利用磁力轴承低摩擦、结构简单等优点,设计一种新型磁水复合式水润滑艉轴承,对其摩擦学性能进行数值分析,并与传统水润滑艉轴承的性能进行对比。结果表明,磁水复合式艉轴承在外载荷、转速及轴承间隙相同的情况下,最小液膜厚度变大,最大液膜压力减小,轴承温升降低,说明磁力支承可以有效改善水润滑轴承润滑状态,提升轴承承载能力,减少轴承摩擦损失,可为未来舰船低摩擦艉轴承设计提供新的技术途径。

橡胶动力吸振器在艉轴上的应用

针对艉轴的振动噪声控制要求,利用动力吸振技术降低设备系统在特定频率处的振动,降低设备振动向壳体的传递,减小水下辐射噪声。采用理论设计、仿真分析与测试相结合的方法,对所设计的圆盘式橡胶动力吸振器进行仿真分析,获取动力吸振器的设计参数及预期吸振效果。通过分析动力吸振器的基本性能,并结合实际应用,进行动力吸振器的吸振效果测试。结果表明:设计的橡胶动力吸振器具有较好的吸振效果。

极地双向破冰船艉部线型适应性分析

[目的]为保证极地双向破冰船的破冰航行能力,需重点开展该类船舶的艉部线型设计。[方法]通过调研大量现役极地船舶和梳理现行规范,研究吊舱推进单元的冰载荷作用模式以及冰在船舶作用下的破坏过程,进而开展吊舱推进式极地船舶艉部线型的关键设计特征参数分析与适应性分析。[结果]研究结果表明,艉封板倾角将直接影响破冰时船体作用于海冰的水平分力和垂直分力,可适当增加该倾角以有效引导海冰的弯曲断裂;W型艉封板横剖线型可以调和流场优化与碎冰外排效率之间的矛盾;吊舱安装底座可以发挥一定的破冰作用,但将影响吊舱流场;艉鳍对船尾流场和碎冰外排也存在较大影响。[结论]研究成果可为吊舱推进式极地船舶艉部线型的适应性优化设计提供参考。

船用艉轴承支承承载特性研究

船用水润滑艉轴承衬层的选材十分苛刻,它对轴承实现增载减阻,低噪耐磨的优秀特征起着决定性作用。艉轴承支承承载特性的机制研究异常关键。针对这一方向,开展关于轴承结构对承载力影响的理论分析研究;构建实船用艉轴承动力学模型,分析衬套、下轴瓦和橡胶的结构参数变化规律;讨论橡胶层预留间隙大小对载荷-变形关系的影响,探明接触方式对衬套、下轴瓦和橡胶结构参数的影响作用。研究结果表明:随着橡胶厚度的增加,衬层变形逐渐降低;厚度对变形的影响最大,与顶部挡边距离次之,侧边距离影响最小。研究为水润滑艉轴承的使用和设计提供了工程指导价值。

船舶艉轴机械密封材料摩擦磨损性能研究

为探究船舶艉轴机械密封用高分子材料在实际工作环境下的摩擦磨损性能,选用浇注型聚氨酯弹性体(CPU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、玻璃纤维改性聚己二酰丁二胺复合材料(GF/PA46)与玻璃纤维改性聚四氟乙烯复合材料(GF/PTFE)5种材料,在载荷为0.5 MPa,线速度为7 m/s的工况下开展摩擦磨损性能测试。结果表明:重载、高速的工况使得CPU、PET、PBT、GF/PA46材料出现了不同程度的剥落与犁沟,摩擦因数与磨损量较大;GF/PTFE材料仅出现一些相对轻微的撕裂和磨痕,相较于CPU、PET、PBT、GF/PA46材料,GF/PTFE的平均摩擦因数分别下降了66.6%、80.4%、86.1%、87.8%,单位时间磨损量分别下降了91.7%、92.7%、88.6%、97.0%,摩擦磨损性能最优。

基于算法模型的肥大型船艉流场评估方法

为快速、准确评估肥大型船的艉流场,以某肥大型散货船为研究对象,应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术和人工智能算法建立一种艉流场快速评估方法。分别采用数值计算方法和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术对艉流场进行计算和试验,通过将计算结果与试验结果相对比验证数值计算方法的准确性。在此基础上,采用3种人工智能算法开展模型训练并分析模型拟合情况,采用拟合度最高的算法建立艉流场快速评估模型,进而得到肥大型船艉流场评估方法。研究表明:采用CFD软件能准确模拟出肥大型散货船艉流场的实际流动状态并展示其流动细节;采用伴流均匀度等参数描述艉流场,并将其应用于基于算法模型建立的艉流场评估方法中,可快速评估艉流场的不均匀度和流动特性,为肥大型船的艉部型线优化、螺旋桨及节能装置设计提供参考。

永磁体形性特征对磁水复合支撑式艉轴承润滑特性的影响

螺旋桨重力会导致船舶推进轴系发生挠曲,造成艉轴承边缘润滑状态恶劣。采用一种磁水复合支撑形式的艉轴承,通过引入永磁体磁力作用,改善桨重因素对艉轴承边缘润滑状态的不利影响;构建永磁体三维磁力特性分析方法,探究不同永磁体材料磁性质和布置形式对磁力承载性能的影响规律;基于艉轴承弹性流体动压润滑分析方法,获取永磁体形性特征对润滑特性的影响规律。结果表明:磁承载力受永磁体材料剩磁的影响明显,材料剩磁越大,永磁体承载力越大,轴承润滑状态相对越好;沿周向增加磁块数目或增加永磁块轴向长度可以增大永磁体的承载力,但永磁体承载效率可能下降,设计时需综合考虑;磁体的布置形式也对磁力承载性能和润滑性能影响显著,在永磁体体积相同的情况下,更为合理的布置形式可使永磁体承载力与艉轴承最小水膜厚度明显增大。

艉轴承刚度等效形式对轴系横向振动特性的影响

[目的]由于船舶艉轴承的长径比较大,将其简化为传统的单点支撑等效模型难以反映出轴承的实际运行情况,因此有必要探讨艉轴承等效形式对轴系横向振动特性的影响。[方法]首先,基于能量原理,引入改进傅里叶级数方法描述推进轴系的横向振动位移,构建可用于单点、多点和连续分布式支撑的多种等效形式的推进轴系横向振动特性计算模型;然后,分别分析由液膜压力等效的支撑刚度变化对轴系横向振动特性以及螺旋桨激励对轴系振动响应的影响;最后,与文献和采用有限元方法(FEM)计算的结果进行对比,验证所提模型的正确性。[结果]结果显示,多点支撑的计算结果收敛于连续分布式支撑计算结果,螺旋桨激励下轴系响应受转速影响。[结论]研究表明,可采用三点支撑等效形式研究液膜压力分布对推进轴系横向振动特性的影响,所构建的计算模型收敛性好、计算精度高、代价低。

增材制造艉鳍末端结构材料性能试验及优化设计

随着船舶大型化发展,船体铸钢构件尺度越来越大,质量越来越大,在保证强度的同时实现结构轻量化设计,传统铸造工艺已无法满足要求。而金属增材制造技术所特有的可堆叠力学性能优良的部件及可实现复杂结构自由成型的特性,恰恰成为解决该问题的关键。选取船体艉鳍末端结构作为研究对象,采用增材制造打印缩尺比构件,依据规范要求开展结构化学元素组成分析、无损检测和材料力学性能等试验,研究结果验证了金属增材制造在船用艉鳍末端结构制造中的应用可行性。在此基础上,进一步开展了艉鳍末端结构优化,优化后的结构强度和模态均满足规范设计要求,构件质量减轻约8%。