摘 要

水润滑推力轴承以水为润滑介质，具有环保节能、节省燃料以及减少滑油泄漏造成的环境污染等优势，因此，开展水润滑推力轴承研究对实现绿色航运具有重要的理论意义和应用价值。

本文以船舶无轴推进器的水润滑可倾瓦推力轴承为研究对象，对其结构，以及压力场和温度场进行理论计算以及有限元仿真研究。

本文主要工作及结论如下：

1）介绍了水润滑可倾瓦推力轴承的国内外发展状况，以及该轴承的结构形式和工作原理，并根据推力轴承的工作原理，对雷诺方程进行了简化处理，使其适合于可倾瓦推力轴承的润滑分析和计算。

2) 应用经典公式对水润滑推力轴承的结构参数进行计算、分析与对比，选取了较为合适、能满足要求的一组推力瓦结构参数（推力瓦外径为1740mm，内径为370mm）。；

3）应用WORKBENCH有限元分析软件对可倾瓦进行了有限元分析，对可倾瓦的接触压力、变形、应力以及温度分布状况进行了讨论，并揭示了它们的分布规律。

关键词：水润滑可倾瓦推力轴承；压力场分布；温度场分布

Abstract

Water lubrication thrust bearing, which uses water as lubricating medium, is of with some advantages including saving energy, saving fuel and reducing environmental pollution caused by oil leakage and so on. Therefore, the research on water lubricated thrust bearing has important theoretical significance and application value for implement of green shipping.

In this paper, we put the water lubricated tilting pad thrust bearing as the research object. Firstly, We use the mathematical theory to calculate its structural parameters. Then we use the finite element simulation method to simulate the temperature field and pressure field.

The main work and conclusions In this paper are as follows:

1) The development at home and abroad of the water lubricated thrust bearing with tilting-pad, and both structure and working principle of the bearing were introduced. And then Reynolds equation was simplified and make it suitable for the analysis and calculation of thrust bearing lubrication according to the working principle of the thrust bearing.

2) The classical formulas were applied to the calculation, analysis and comparison of the structural parameters of the water lubricated thrust bearing, so the set of structure parameters which can be suitable and meet the requirements were selected (outer diameter of thrust bush is 1740 mm, and inner diameter is 370 mm).

3) WORKBENCH finite element analysis software was used for the finite element analysis of the tilting-pad, the contact pressure，deformation, stress and temperature distribution situation were discussed, and their distribution rules revealed.

Key Words：water-lubricated thrust bearing；water film pressure；temperature distribution

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 可倾瓦轴承的发展现状 2

1.2.2 水润滑可倾瓦推力轴承材料研究现状 2

1.2.3 水润滑可倾瓦推力轴承润滑机理研究现状 3

1.3 本章小结 3

第2章 水润滑可倾瓦推力轴承流体润滑基本理论 4

2.1 水润滑推力轴承的工作原理 4

2.2 推力轴承的结构形式 5

2.3 雷诺方程 6

2.3.1 雷诺方程建立的条件 6

2.3.2 雷诺方程的简化 7

2.3.3 推力轴承的雷诺方程 8

2.4 本章小结 9

第3章 水润滑可倾瓦推力轴承结构参数选择计算 10

3.1 水润滑推力轴承结构参数 10

3.2 结构参数计算结果分析 15

3.3 本章小结 16

第4章 水润滑可倾瓦推力轴承有限元仿真计算 17

4.1 有限元分析理论 17

4.2 可倾瓦压力场有限元计算 17

4.2.1 可倾瓦结构参数 18

4.2.2 推力瓦、推力环物性参数 18

4.2.3 推力瓦有限元模型的建立 19

4.2.4 可倾瓦结构场分析结果 20

4.3 可倾瓦温度场有限元计算 22

4.3.1 稳态热分析的边界条件设定 22

4.3.2 可倾瓦温度场分析结果 23

4.4 本章小结 24

第5章 总结 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

随着世界经济朝着的全球化的发展，国家与地区之间的贸易交往越来越频繁，导致海上货运量的增加，供海上载运船舶的数量与吨位需求也随之上升。如今，现代船舶的制造也朝着大型化而发展，传统船舶推进系统的劣势越来越明显，已经不能更好地满足工作要求。传统推进系统中，船舶大型化要求增大主机单机功率，推进轴系、螺旋桨等体积也随之增加，但是这样会使传统推进系统占用过多的船体的空间，无法使得载运量获得有效提升；不仅如此，传统推进系统中因为推进轴系长度增加，会使传递功率损耗也增加，导致传递效率降低，对比之下，无轴推进系统因其巨大的优势近几年来得到人们足够的重视 ^[1]。

无轴推进系统^[2]，采用更为先进的结构设计，其中无轴表示该推进系统无需穿透船体。以前传统的电力推进系统具有诸如结构复杂、轴系占用空间过大、传递效率低下、传递功率磨损严重等缺点，而采用无轴推进系统因其独特的结构设计，可以有效避免以上缺点；无轴轮缘驱动推进器（)便是采用轮缘驱动相关技术，集成电机和推进器于一体，其中电机和水润滑轴承都采用了全面的设计，并且材料和制造工艺的决定也进行了精心的选择，使得无轴轮缘推进器以优异的推进效率，创新性的设计理论等优秀特性，成为新一代船舶推进系统的典范^[3-4]。

水润滑推力轴承是无轴轮缘推进器的关键承载元件，如图1.1所示，在无轴轮缘推进器中水润滑推力轴承利用形成的收敛水楔相对运动产生动压轴向支撑力来接受螺旋桨推力。目前，几乎所有的滑动轴承均以油为润滑介质，但是以油为工质的推力轴承往往结构比较复杂，还容易造成滑油泄漏造成环境污染等问题，所以无轴轮缘推进器推力轴承采用水润滑取代油润滑。以水作为润滑剂具有以下优点^[5]：①环保节能，对环境不造成污染。润滑过程中，水的润滑不会产生有害气体；②使用成本低廉，取材广泛；③安全性较高，不会易燃、不会易爆；④节省能源、功耗小。因为摩擦系数水比油的低，所以水润滑产生的摩擦热就小，功耗、温升低；⑤润滑过程简单，润滑系统跟油润滑相比可以减少部分过滤及防护装置；⑥维护过程更加方便，方便保养等。