織構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)船舶軸承性能影響研究

◎于海洋 張佰順 李海峰 海軍潛艇學(xué)院

滑動(dòng)軸承具有承載能力強(qiáng)、抗沖擊性能好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于船舶機(jī)械中，確保了船舶在多變風(fēng)浪環(huán)境下航行的安全可靠。近年來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，在軸承軸瓦上進(jìn)行織構(gòu)化設(shè)計(jì)成為改善軸承性能的主流。為進(jìn)一步提高軸承的性能，本文針對(duì)織構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)船舶滑動(dòng)軸承摩擦力、承載能力以及滑油溫度的影響展開研究，揭示織構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)軸承性能影響的機(jī)理，為后續(xù)織構(gòu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1.物理模型

本文選取某型船舶中最易發(fā)生損壞的柴油機(jī)曲軸軸承為研究對(duì)象，其織構(gòu)化軸承模型如圖1所示。當(dāng)外力P作用于轉(zhuǎn)軸上時(shí)，轉(zhuǎn)軸的中心由O偏移至O位置，其偏轉(zhuǎn)角為θ，偏心距為e。當(dāng)轉(zhuǎn)軸以轉(zhuǎn)速Ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，油膜擠壓形成對(duì)轉(zhuǎn)軸的支撐作用，此時(shí)油膜的最大和最小厚度分別為h和h。轉(zhuǎn)軸直徑為R，軸承內(nèi)徑和寬度分別用R和L表示。

圖1 具有織構(gòu)化設(shè)計(jì)的船舶軸承截面圖

如圖2所示，將軸承軸瓦沿周向展開，并在其上進(jìn)行織構(gòu)化設(shè)計(jì)?？棙?gòu)化區(qū)域長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為β，兩方向上設(shè)計(jì)布置的織構(gòu)數(shù)量分別為10個(gè)和5個(gè)。單個(gè)織構(gòu)采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其上截面為邊長(zhǎng)W的正方形，織構(gòu)深度為D。所使用的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 用于計(jì)算的織構(gòu)化軸承參數(shù)

圖2 織構(gòu)化設(shè)計(jì)示意圖

2.控制方程與求解方法

假定本研究中使用的潤(rùn)滑劑為不可壓縮的牛頓流體，它是連續(xù)性和各向同性的。同時(shí)，本研究忽略了潤(rùn)滑劑的體積力和慣性力。因此，潤(rùn)滑劑的壓力可通過Reynolds方程求得，其表達(dá)式如下：

式中：Φ，z為船舶軸承周向和軸向的坐標(biāo)，p為潤(rùn)滑油膜的壓力，η、ρ分別表示潤(rùn)滑油的粘度和密度。h為潤(rùn)滑油膜的厚度，其表達(dá)式為：

式中，c和e分別表示軸承間隙及偏心距，δ為織構(gòu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)致的油膜厚度差異。

為了求解式（1），船舶軸承壓力邊界條件設(shè)置如下：

當(dāng)求得油膜壓力后，對(duì)油膜壓力進(jìn)行積分，即可獲得水平方向與豎直方向的油膜合力P、P，從而獲得軸承的承載力P。

由于滑油的剪切作用產(chǎn)生摩擦力，因此軸承的摩擦阻力F可通過下式計(jì)算：

此外，基于已獲得的油膜壓力，油膜的溫度可通過能量方程獲得：

式中，T表示溫度。cf和kf分別表示潤(rùn)滑劑的比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)，為常數(shù)。因此，在船舶滑動(dòng)軸承工作時(shí)其承載能力、摩擦力及滑油溫度均可求解。

本文所采用的求解方式為有限差分法，并使用超松弛迭代法加速油膜壓力和溫度的求解。油膜壓力和溫度的收斂條件設(shè)置如下：

3.仿真結(jié)果及分析

3.1 模型有效性驗(yàn)證

在分析織構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)船舶軸承性能影響之前，需先驗(yàn)證程序模型的正確性。因此，本部分將作者通過程序求得的油膜壓力與Liu等人的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)將求得的溫度分布與Gandjalikan、Frene等人的仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在對(duì)比中，用于程序驗(yàn)證的參數(shù)與文獻(xiàn)中的參數(shù)相同。

從圖3中可以看出，本研究模型所求得的壓力分布與文獻(xiàn)分布相同且數(shù)值差異很小，所求得的溫度分布與文獻(xiàn)也有較高的匹配度，說明本研究模型正確合理，可用于后續(xù)研究。

圖3 船舶軸承油膜壓力、溫度計(jì)算模型驗(yàn)證

3.2 對(duì)溫度的影響

船舶軸承時(shí)常處于高速高載狀態(tài)下運(yùn)行，潤(rùn)滑劑油膜間存在著嚴(yán)重的剪切作用，使得潤(rùn)滑劑在該工況下產(chǎn)生較高溫升，繼而影響潤(rùn)滑劑的粘度、密度，最終影響軸承承載能力、摩擦力等性能。因此，有必要探究船舶軸承的織構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)軸承溫度的影響。

圖4給出了有無織構(gòu)化設(shè)計(jì)情況下，轉(zhuǎn)軸-滑油-軸承系統(tǒng)的工作溫度分布圖。如圖中可以看出，軸承系統(tǒng)在有無織構(gòu)化設(shè)計(jì)條件下其溫度場(chǎng)分布相同，高溫區(qū)域均出現(xiàn)在高負(fù)載區(qū)，低溫區(qū)域出現(xiàn)在進(jìn)油口區(qū)域（低壓區(qū)）；此外，具有織構(gòu)化設(shè)計(jì)的船舶軸承的系統(tǒng)溫度相對(duì)于無該設(shè)計(jì)的軸承有明顯的降低，這說明船舶軸承的織構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效抑制軸承溫升，改善軸承性能。

圖4 有無織構(gòu)化設(shè)計(jì)的船舶軸承溫度分布

3.3 對(duì)承載能力的影響

船舶軸承的承載能力是其性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是影響其使用壽命的關(guān)鍵因素。因此，有必要針對(duì)織構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)船舶軸承承載能力的影響進(jìn)行研究。

圖5對(duì)比了有無織構(gòu)化設(shè)計(jì)情況下船舶軸承的承載能力，同時(shí)給出了隨織構(gòu)深度變化軸承承載能力的變化情況。由圖可知，在一定范圍內(nèi)隨著織構(gòu)深度的增加船舶軸承的承載能力有所增加。此外，對(duì)比有無織構(gòu)化設(shè)計(jì)的船舶軸承發(fā)現(xiàn)，具有織構(gòu)化設(shè)計(jì)的船舶軸承具有更高的承載能力。這一現(xiàn)象可通過軸承油膜壓力來解釋。由圖6可知，織構(gòu)化設(shè)計(jì)在動(dòng)壓作用下使得軸承油膜在高壓區(qū)形成壓力局部突增，這使得軸承的承載能力得到有效提升。因此，對(duì)船舶軸承進(jìn)行合理的織構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效提高軸承承載能力，改善軸承性能。

圖5 有無織構(gòu)化設(shè)計(jì)的船舶軸承承載能力對(duì)比

圖6 織構(gòu)化設(shè)計(jì)船舶軸承油膜壓力分布

3.4 對(duì)摩擦力的影響

除承載能力之外，船舶軸承摩擦力的大小也反應(yīng)了其性能的好壞。因此，針對(duì)織構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)船舶軸承摩擦力的影響進(jìn)行研究也是十分有必要的。

圖7給出了隨織構(gòu)深度變化，船舶軸承摩擦力的變化情況。如圖7所示，在一定范圍內(nèi)隨著織構(gòu)深度的增加船舶軸承的摩擦力逐漸減小。此外，通過對(duì)比同一軸承在有無織構(gòu)化設(shè)計(jì)情況下的摩擦力差異，可以發(fā)現(xiàn)具有織構(gòu)化設(shè)計(jì)的船舶軸承具有更小的傳動(dòng)摩擦力。這一現(xiàn)象可以通過織構(gòu)對(duì)油膜剪切力急劇降低，進(jìn)而減小軸承的摩擦力，提高傳動(dòng)效率。因此，合理的織構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效減小船舶軸承的摩擦力，改善軸承性能。

圖7 有無織構(gòu)化設(shè)計(jì)的船舶軸承摩擦力對(duì)比

圖8 織構(gòu)化設(shè)計(jì)船舶軸承油膜剪切力分布

4.小結(jié)

本文建立了船舶織構(gòu)化軸承性能研究模型，并通過對(duì)Reynolds方程和能量方程的求解，研究了織構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)船舶軸承溫度、承載能力以及摩擦力的影響，其結(jié)論如下：

1）相對(duì)于傳統(tǒng)軸承，船舶軸承的織構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效抑制船舶軸承的溫升，改善軸承性能。

2）織構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效提高船舶軸承的承載能力和減小傳動(dòng)摩擦力，提高傳動(dòng)性能。

3）在一定范圍內(nèi)，隨著織構(gòu)深度的增加，船舶軸承的承載能力逐漸增大，摩擦力逐漸減小。