袁成清，白秀琴，郭智威，嚴(yán)新平

(武漢理工大學(xué)a.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，武漢 430063)

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基于摩擦學(xué)的船舶動力系統(tǒng)能效提升研究

袁成清，白秀琴，郭智威，嚴(yán)新平

(武漢理工大學(xué)a.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，武漢 430063)

從船舶能效提升的角度分析船舶柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)、艉軸承等船舶關(guān)鍵摩擦部件的磨損控制技術(shù)，以及船體表面仿生、新材料等的節(jié)能減阻技術(shù)，分析構(gòu)建船舶動力能效、船體表面阻力和航速的協(xié)同與調(diào)控體系，為船舶動力系統(tǒng)的能效提升提供必要的理論依據(jù)和解決方法。

船舶動力系統(tǒng)；能效提升；摩擦學(xué)

2009年12聯(lián)合國氣候大會召開以后，降低大氣中CO2的含量及有效開發(fā)利用CO2越發(fā)引起了各國、各行業(yè)的普遍重視。國際海事組織(IMO)于2011年7月15日的海上環(huán)境保護(hù)委員會(MEPC)第62屆會議通過了MARPOL公約附則Ⅵ修正案，新增第四章“船舶能效規(guī)則”，要求新船和重大改建船應(yīng)滿足該附則關(guān)于“船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)”和“船舶能效管理計(jì)劃(SEEMP)”的要求；對于現(xiàn)有船要求滿足該附則關(guān)于SEEMP 的要求[1]。自2013 年1月1日起強(qiáng)制實(shí)施，對任何駛往其他締約國管轄范圍的港口或近海裝卸站的總噸位400及以上的船舶，在按要求進(jìn)行檢驗(yàn)后，應(yīng)在其開航前由主管機(jī)關(guān)或經(jīng)其正式授權(quán)的任何組織為其簽發(fā)《國際能效證書》(IEEC)。船舶在正常航行過程中，由于船舶主機(jī)、船舶軸系等船舶動力系統(tǒng)的摩擦損失，以及克服船體表面的空氣阻力和船體與界面之間的摩擦阻力等所造成的損失等因素存在，導(dǎo)致用于驅(qū)動船舶正常運(yùn)行的能量只占船用燃料所提供能量的21.5%[2]。在這樣的大環(huán)境下，通過船舶減摩、減阻等的研究進(jìn)而提升船舶能效，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。本文在分析船舶能量消耗分布情況的基礎(chǔ)上，從摩擦學(xué)的角度對各能耗部件進(jìn)行分析，并將各摩擦部件的減摩、減阻技術(shù)與船舶航行環(huán)境等外界因素的影響綜合考慮，具體說明基于摩擦學(xué)及航行環(huán)境協(xié)同作用的船舶能效提升方法。

1　船舶能量消耗分布及主要影響因素

2012年9月20日，中國船級社綠色船舶重點(diǎn)科研項(xiàng)目“船舶耗能設(shè)備及系統(tǒng)能耗分布與評價(jià)體系研究”在北京通過專家評審。其研究表明：從分析數(shù)據(jù)可以得出，三大主力船型船舶能量有效利用百分比約為32%，存在較大節(jié)能空間；從初級能量消耗端看，主機(jī)占全船化石能量消耗的75%左右，是主要耗能設(shè)備；從能量損失角度看，主副機(jī)排煙和冷卻損失約占全船總能量損失的50%；從能量有效做功方面看，船舶推進(jìn)做功約占總有效做功的50%[3]。因此，通過提高主機(jī)效率、提高推進(jìn)效率、降低船體阻力等對船舶的節(jié)能、減排以及能效提升起到重大影響。

從摩擦學(xué)的角度講，船舶在正常航行過程中，由于船舶主機(jī)、軸系等船舶動力系統(tǒng)的摩擦損失，以及克服船體表面的空氣阻力和船體與界面之間的摩擦阻力等所造成的損失等因素存在，其各關(guān)鍵摩擦系統(tǒng)的摩擦性能均是影響船舶能效的重要因素。

另一方面，對于數(shù)量龐大的在航船舶，還會受到航速、航線等通航環(huán)境變化的影響，充分、合理地利用船舶營運(yùn)節(jié)能手段，可以有效地提高營運(yùn)能效。因此在船舶能效提升問題研究的過程中，不僅要考慮船舶摩擦部件的減摩、減阻等摩擦學(xué)問題，同時(shí)還應(yīng)關(guān)注通航環(huán)境等因素對船舶能效的影響。

2　船舶內(nèi)摩擦與能效提升

船艦的內(nèi)摩擦主要體現(xiàn)在船艦動力機(jī)械的關(guān)鍵摩擦副上。船舶動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵摩擦部件主要包括船舶柴油機(jī)、傳動設(shè)備以及艉軸承等。船舶柴油機(jī)中最關(guān)鍵的摩擦部件為缸套-活塞環(huán)摩擦副?，F(xiàn)以船舶動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵摩擦副缸套-活塞環(huán)和艉軸承為例來研究其磨損控制方法與技術(shù)。

2.1船舶柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)

缸套-活塞環(huán)摩擦副的潤滑性能對內(nèi)燃機(jī)的排放與功耗起到至關(guān)重要的影響[4]。潤滑性能好則缸套與活塞環(huán)之間的摩擦力小，對缸套與活塞環(huán)的磨損也較小，同時(shí)摩擦功耗也相應(yīng)減小；當(dāng)摩擦副之間的潤滑性能較差時(shí)，摩擦副之間的摩擦力會變得很大，同時(shí)潤滑不良也會導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，增大摩擦功耗。

目前對缸套-活塞環(huán)摩擦副的研究主要有以下幾個方面：①摩擦副的選擇，進(jìn)行多種組合的摩擦副匹配研究，找到最優(yōu)的選配方案；②基于潤滑理論，研究缸套-活塞環(huán)之間的潤滑狀態(tài)，提升摩擦副的潤滑性能；③對缸套內(nèi)表面或者活塞環(huán)外表面進(jìn)行表面工藝的處理，加工織構(gòu)或者表面強(qiáng)化處理等；④摩擦磨損模型的研究，發(fā)現(xiàn)其磨損特性，為實(shí)際使用提供指導(dǎo)；⑤新型生物潤滑劑的開發(fā)以及極壓抗磨劑的研制[5-8]。

上述研究發(fā)現(xiàn)，缸套與活塞環(huán)接觸面上設(shè)置不同形貌是改善摩擦潤滑一個較好的途徑，能夠起到改善摩擦學(xué)特性的作用。但是大多研究存在表面紋理結(jié)構(gòu)單一、加工手段以激光加工為主的情況，并且對于缸套和活塞環(huán)之間潤滑油膜的監(jiān)測技術(shù)與方法的研究還很少涉及。因此，進(jìn)行基于不同表面紋理結(jié)構(gòu)、不同加工方式并同時(shí)考慮潤滑油膜特性的柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)磨損控制試驗(yàn)研究，對該摩擦副的減摩，以及能效提升等具有重大的意義。下面用一個案例來闡述基于表面紋理結(jié)構(gòu)來調(diào)控摩擦磨損。

選取利用化學(xué)刻蝕和精密機(jī)械加工的規(guī)則凹坑和V形槽缸套切片及未經(jīng)后期處理的原始缸套切片作為試驗(yàn)對象，在MWF-10微機(jī)控制往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)而分析不同加工方式、不同表面紋理結(jié)構(gòu)以及不同運(yùn)行工況對柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)摩擦副磨損性能的影響。以機(jī)械加工V形槽、200 r/min為例，在剔除磨合階段后，摩擦系數(shù)變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖1。

圖1　機(jī)械加工V形槽200 r/min時(shí)摩擦系數(shù)

由圖1可見，不同載荷條件下，摩擦副進(jìn)入穩(wěn)定摩擦階段的時(shí)間不同，200 N載荷時(shí)約3 600 s；400 N載荷時(shí)約4 900 s；600 N載荷時(shí)約5 300 s。同時(shí)，在一定轉(zhuǎn)速的機(jī)械加工表面V型槽結(jié)構(gòu)下，載荷對摩擦副的磨合時(shí)間有一定的影響，并且400 r/min時(shí)該摩擦副的摩擦系數(shù)變化最為穩(wěn)定，平均摩擦系數(shù)最小，約為0.045。

表1　200 r/min，不同加工方式凹坑在不同載荷下的磨損表面形貌

在200 r/min條件下分析不同加工方式的凹坑對缸套的磨損性能的影響，表1為試驗(yàn)后缸套磨損表面形貌圖片。通過分析可知，200和400 N時(shí)，化學(xué)刻蝕凹坑形貌的表面劃痕多于機(jī)械加工的；600 N時(shí)，機(jī)械加工凹坑形貌的表面劃痕多于化學(xué)刻蝕加工的。因此，表面紋理加工方式對缸套-活塞環(huán)的摩擦性能有一定的影響，并且載荷對其影響起一定的作用。

潤滑油膜厚度的大小直接影響到摩擦副之間的潤滑狀態(tài)，進(jìn)行潤滑油膜的研究能夠改善摩擦表面的工作狀態(tài)，提高其耐磨性與使用壽命，同時(shí)通過潤滑油膜厚度的測量也能夠判斷潤滑狀態(tài)的優(yōu)劣，指導(dǎo)操作人員進(jìn)行必要的維護(hù)和保養(yǎng)。目前，用于測量油膜厚度的方法主要有電阻法、電容法、光干涉法、超聲波法等多種方法，各方法也都有其優(yōu)缺點(diǎn)，然而由于應(yīng)用的限制以及試驗(yàn)器材的制約，并沒有一個應(yīng)用于各種設(shè)備的萬能測試方法。本文嘗試在試驗(yàn)臺架上搭建基于接觸電阻技術(shù)的缸套-活塞環(huán)之間油膜厚度測量系統(tǒng)，其中以轉(zhuǎn)速為200 r/min下不同表面加工方式凹坑的油膜測量為例，該工況下各油膜實(shí)時(shí)變化見圖2。由圖2可見，在該運(yùn)行工況下，化學(xué)刻蝕加工表面的接觸電阻阻值比機(jī)械加工表面的小，即該工況下，機(jī)械加工凹坑的摩擦性能更優(yōu)越。影響柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)的摩擦特性的因素有很多，因此在研究的過程中要針對特定的柴油機(jī)運(yùn)行工況展開研究。同時(shí)，在缸套-活塞環(huán)的磨損控制研究方面，表面紋理結(jié)構(gòu)的加工方式也是影響其性能的一個關(guān)鍵因素。

圖2　200 r/min，不同加工方式凹坑的接觸電阻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

2.2船舶艉軸承

水潤滑艉軸承的工作條件十分惡劣，既要承受螺旋槳回轉(zhuǎn)時(shí)的不均勻懸臂負(fù)荷及螺旋槳偶然碰到障礙物時(shí)的動力負(fù)荷，又要承受艉軸和螺旋槳重量及運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能發(fā)生的附加振動力。特別是低速重載下軸與軸承之間不能形成有效的水膜，往往處于混合潤滑甚至干摩擦狀態(tài)，在船舶啟停狀態(tài)下尤為嚴(yán)重[9]。因此，對水潤滑艉軸承材料的自潤滑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及其特殊工況下摩擦磨損規(guī)律和機(jī)理的研究，有助于緩解水潤滑尾軸承的干摩擦狀態(tài)，從而提高船舶整機(jī)的效率、壽命與安全性能。

水潤滑艉軸承材料以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展到今天，絕大多數(shù)都是進(jìn)行水潤滑橡膠軸承彈性流體動壓潤滑分析，并基于該原理闡述其潤滑機(jī)理。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橡膠材料對其潤滑性能影響顯著；同時(shí)，在水潤滑艉軸承材料設(shè)計(jì)方面主要是在橡膠或高聚物中添加其他材料來提高艉軸承的整體性能。對于艉軸承材料內(nèi)部自潤滑結(jié)構(gòu)及其摩擦潤滑特性的研究還未提及[10-14]。但是其關(guān)鍵的問題是在低速工作狀態(tài)下難以保證其良好的潤滑性和平穩(wěn)性。鐵梨木是最早廣泛應(yīng)用船舶艉管軸承的材料，它含有26%的樹脂、28%的樹脂精汁、1%的硬樹脂和0.8%的苦性精汗，精汗與水能形成乳狀液體，具有較好的自潤滑作用，由于乳狀液體的形成增加了水膜的承載能力，因此艉軸承系統(tǒng)的運(yùn)行比較平穩(wěn)[9]。但鐵梨木材料較軟，耐磨性不高，抗泥沙沖擊性差，在比壓和使用溫度上也有較大限制，更重要的是現(xiàn)鐵梨木資源日見枯竭。因此，近些年來橡膠和高聚物的船舶尾軸承得到了很大發(fā)展，并取得了重要應(yīng)用。橡膠和高聚物軸承雖然具有較好的耐磨性，在中、高速下可以形成較好的水膜，但不像鐵梨木會有乳狀液體形成，因此水膜的承載能力相對較弱，特別是在低速下，自潤滑性能較差。仿生學(xué)的出現(xiàn)為這一問題的解決給出了新的希望。

微膠囊(microcapsule)結(jié)構(gòu)是通過成膜材料包覆分散性的固體、液體或氣體而形成具有核-殼結(jié)構(gòu)微小容器的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和工業(yè)自修復(fù)材料等領(lǐng)域[15]。國外的研究主要是借鑒其微觀結(jié)構(gòu)體系的完整性作為摩擦學(xué)系統(tǒng)的建模工具，如基于晶格的元胞自動機(jī)作為摩擦接觸中建模工具以研究潤滑連續(xù)動力學(xué)或摩擦邊界層問題[16]。國內(nèi)對微膠囊結(jié)構(gòu)的研究大多集中在醫(yī)學(xué)或人工關(guān)節(jié)制備方面[17]，但是隨著仿生學(xué)的逐步發(fā)展，其應(yīng)用也逐步向工程領(lǐng)域發(fā)展。潘建梅[18]利用環(huán)氧樹脂和甘蔗渣復(fù)合制備了具有生物管狀多膠囊結(jié)構(gòu)的木制陶瓷，并對其燒結(jié)溫度及甘蔗渣含量對摩擦系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究。武漢理工大學(xué)劉佐民教授在自潤滑材料制備、數(shù)值模擬，以及試驗(yàn)研究方面做了大量的工作，其中以硅油為基，包覆BN-C固體潤滑劑制備出高溫潤滑復(fù)合膠體[19]；以TiAl合金為基，通過添加CaF2-BaF2共晶體制備出高溫自潤滑TiAl新型合金，并研究了其結(jié)構(gòu)特征、物理性能和摩擦學(xué)特性[20]；基于高溫?cái)U(kuò)散自潤滑機(jī)理和人體汗腺特征，建立了汗腺式微孔結(jié)構(gòu)特征模型，并制備出了具有均勻開口與表層且內(nèi)部相互貫通的有序孔汗腺式高強(qiáng)度基體和高溫發(fā)汗自潤滑復(fù)合材料[21]。其研究成果主要集中于自潤滑材料以及自潤滑劑的制備、模擬計(jì)算和簡單的試驗(yàn)驗(yàn)證方面，對于該研究成果的應(yīng)用對象以及在應(yīng)用過程中的性能等方面并沒有文章進(jìn)行詳細(xì)的報(bào)道。

利用生物仿生技術(shù)研究生物體不同結(jié)構(gòu)層次(微觀、細(xì)觀、宏觀)的形態(tài)以獲得靈感，進(jìn)而對材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進(jìn)行仿生模擬來提高工程結(jié)構(gòu)效率。鐵梨木由于其內(nèi)部含有精汗與水結(jié)合形成乳狀液體而具有較好的自潤滑作用的性能。因此，鐵梨木自潤滑液的分泌，以及微膠囊材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展為新型自潤滑尾軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了思路。

3　船舶外摩擦與能效提升

船舶外摩擦主要研究對象是船舶與空氣和水接觸的界面部分，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)船體表面的防污減阻，其中防止表面污損與生物附著最為關(guān)鍵。針對海洋污損生物群落的形成過程及附著機(jī)理，人們采取了各種各樣的防除方法。主要有表面結(jié)構(gòu)仿生、金屬材料低表面能結(jié)構(gòu)以及融合溝槽與表面能調(diào)控的防污減阻方法。

3.1仿生貝殼防污減阻

海洋污損生物的附著對任何海洋設(shè)施都有著重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)，表面微觀結(jié)構(gòu)的存在可以改變表面潤濕性，表面潤濕性與生物粘附存在相關(guān)性[22]。貝殼表層是硬化蛋白質(zhì)，無粘液分泌，貝殼大多數(shù)時(shí)候都是靜止的狀態(tài)，即使移動也很緩慢，這完全符合船舶表面主要在靜態(tài)過程中發(fā)生污損的實(shí)際情況。選取貝殼作為仿生原型對海洋建筑的表面污損情況進(jìn)行研究具有重要的指導(dǎo)意義。

海洋中生活著種類極多的貝類，不同的貝殼表面抗污損生物附著的能力不一樣。通過收集大量貝殼進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)有的貝類如華貴櫛孔扇貝表面極易被污損生物附著，有的貝類如日本鏡蛤表面光潔干凈，無污損生物附著，見圖3。選取防污貝殼作為仿生原型，觀察日本鏡蛤表面的微觀形貌。日本鏡蛤的貝殼近圓形、米白色，表面溝槽為規(guī)則的波紋狀結(jié)構(gòu)，呈同心圓狀生長，無放射性紋理。在掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡下觀察如圖4和圖5，貝殼表面溝槽尺度極小，為300～800 nm，不到1 μm[23-24]。Scardino[25]提出的附著點(diǎn)理論認(rèn)為，污損生物更容易附著在表面紋理尺度比其身體尺度大的地方，當(dāng)表面紋理尺度比身體尺度小的時(shí)候，附著不易發(fā)生。

圖3　貝殼表面污損情況[23]

圖4　掃描電子顯微鏡下的微觀表面

圖5　原子力顯微鏡下的微觀表面

以具有防污功能的日本鏡蛤表面為仿生原型，采用流體力學(xué)軟件分析其表面紋理結(jié)構(gòu)的流體阻力特性，提取具有防污減阻協(xié)同效應(yīng)的溝槽尺寸[24]。從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，簡化日本鏡蛤表面紋理為簡單的V形溝槽結(jié)構(gòu)，見圖6。設(shè)定溝槽寬度S=0.26 mm, 深度H=0.2 mm，改變溝槽間隔W分別為0.04、0.14、0.24、0.34 mm，得到不同流速下溝槽結(jié)構(gòu)的減阻效果。

圖6　仿防污尺度的貝殼表面溝槽

圖7　溝槽間隔W對減阻效果的影響曲線

由圖7可見，一定大小的溝槽間隔對溝槽的減阻效果影響并不大，溝槽表面在流速為3.0～3.5 m/s時(shí)，減阻效果最好；隨著流速增大，減阻效果呈下降趨勢，計(jì)算顯示在速度達(dá)到6～7 m/s時(shí)減阻效果幾乎減小為零，速度再增大反而會增阻。

3.2材料表面能調(diào)控

為了降低海洋污損生物帶來的危害，預(yù)防污損生物對船舶及海洋結(jié)構(gòu)物所造成的危害，國內(nèi)外很多的學(xué)者對船舶的防污減阻展開了研究[26]。結(jié)果表明：表面能的大小是影響船舶防污效果的重要因素[27]。表面能低的材料可以阻止底棲生物的最初附著，由于表面能低，因此，即使被污損生物粘附，也會因?yàn)槲蹞p生物自身的重力及海水的沖刷而脫離船體表面，大大降低了污損生物的腐蝕和損耗[28-30]。因此，研究低表面能的船體材料或涂料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，有學(xué)者利用噬菌體展示方法發(fā)現(xiàn)很多可以和金屬有強(qiáng)烈親和性的多肽或蛋白質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)部分肽可以與金屬發(fā)生反應(yīng)。本課題組利用一種合成的含有12個氨基酸的多肽BioP(NLNPNTASAMHV)(見圖8)與304不銹鋼反應(yīng)，得到一種生物有機(jī)金屬材料，分別用蒸餾水和丙三醇作為滴定液測量該材料的表面接觸角，將接觸角的值和滴定液的參數(shù)帶入Owens-Wendt-Rabel-Kaelble公式，可以發(fā)現(xiàn)不銹鋼與多肽反應(yīng)后，明顯降低了表面能的值，從41.3 m·N/m降至25.0 m·N/m[31]。

圖8　BioP的分子結(jié)構(gòu)式

LiquidγLγLWLγ+Lγ-LWater71.821.825.525.5Glycerol64.034.03.9257.4

利用合成多肽與不銹鋼反應(yīng)，成本高且提純效率低。應(yīng)用生物基因蛋白工程，將指導(dǎo)可以與不銹鋼反應(yīng)的基因片段插入到大腸桿菌質(zhì)粒中(圖9)，并將該質(zhì)粒倒入到大腸桿菌中，指導(dǎo)合成多肽，將從微生物中獲得的多肽溶液直接與304不銹鋼反應(yīng)，獲得生物有機(jī)金屬材料。這種生物有機(jī)金屬材料的接觸角與304不銹鋼相比，有了很大的提高，見圖10[32]。

圖9　重組PhoA-RBD-MrpF- L11質(zhì)粒

圖10　不銹鋼反應(yīng)前后的接觸角

合成的生物有機(jī)金屬雖然很大程度上提高了接觸角，但是距離達(dá)到良好的防污減阻效果還有很大的距離。因此，需要改進(jìn)多肽以調(diào)控材料的表面能。自然界中很多生物為了適應(yīng)生存環(huán)境會分泌一些抗菌肽，比如：歐洲紅蛙分泌顆粒腺體分泌的Temporin B (TB-KK)，蜜蜂上顎和下咽體分泌的RJI-C類似物，及M.蝶海膽中的萃取物都是天然的疏水性抗菌多肽[33-35]。很多植物葉子的表面和頸部有很好的疏水效果，采用基因工程技術(shù)結(jié)合將指導(dǎo)疏水基團(tuán)合成的基因插入圖9所示的質(zhì)粒中，將合成質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至大腸桿菌中，利用大腸桿菌的增殖獲得大量的可以與不銹鋼反應(yīng)的疏水性蛋白。這種蛋白與不銹鋼反應(yīng)后的樣本具有強(qiáng)疏水性、低表面能的特性。

3.3融合溝槽與表面能調(diào)控

防污和減阻是船舶實(shí)際運(yùn)行過程中遇到的兩個基本問題，同時(shí)這兩個問題也相互制約，互相影響，理想的船舶表面應(yīng)該同時(shí)具有防污和減阻的能力[36]。生物仿生技術(shù)促進(jìn)了許多領(lǐng)域的發(fā)展，對船體防污減阻也有很大的啟發(fā)[37]。鯊魚具有較高的移動速度，并且表面清潔，不受海洋污損物的附著，一直以來是人們研究的重點(diǎn)，見圖11。鯊魚表皮由一層盾形鱗片組成，層層重疊，每一片鱗片上還布滿了條紋狀溝槽，同時(shí)鯊魚表皮分泌黏液，形成低表面能表面[38]。固體表面自由能越低，附著力越小。有研究表明，藤壺等分泌的粘膠無法對鯊魚皮的溝槽結(jié)構(gòu)滲入的太深，這樣污損生物只能有很小的吸附面可以落腳，鯊魚在水中前進(jìn)時(shí)，就可以把那些剛剛附著上的污損生物清除掉[39]。同時(shí)大量研究表明，溝槽具有顯著的減阻效果，能讓鯊魚在海里以較高的速度游動。對于船舶減阻來說，溝槽減阻技術(shù)是一種可行的辦法，但一直以來船體表面都受海洋污損物的影響，所以要將溝槽運(yùn)用于船體表面減阻，必須使溝槽表面同時(shí)具有防污效果。低表面能材料具有較好的防污效果，如果將溝槽與具有低表面能的材料相結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)防污減阻協(xié)同效應(yīng)。防污減阻協(xié)同效應(yīng)可以增強(qiáng)彼此的作用，防污使船體表面能夠保持清潔，減阻微溝槽就能充分發(fā)揮減阻作用，使船舶能夠保持較高的移動速度。反過來較高的移動速度又使船舶在前進(jìn)過程中產(chǎn)生的水流沖擊作用沖刷除去可能已附著的污損物，形成一個良性的循環(huán)[40]。

圖11　鯊魚光滑的皮膚及溝槽紋理[36]

根據(jù)微結(jié)構(gòu)表面的浸潤性研究結(jié)果，將低表面能與表面微溝槽相結(jié)合，可以得到超疏水表面(即與水的接觸角大于150°)，主要可以通過兩種方法來制備：一種是利用低表面能聚合物來構(gòu)建表面微溝槽；另一種方法是在微溝槽表面上修飾低表面能的物質(zhì)。本研究采用后一種方式，具體技術(shù)路線見圖12。

首先結(jié)合前面已做的具有減阻功能的仿生溝槽紋理加工技術(shù)，以及定向設(shè)計(jì)具有金屬親和性和疏水性的生物肽技術(shù)，獲得基于肽與加工好的金屬溝槽表面的反應(yīng)獲得生物有機(jī)金屬材料；然后調(diào)控以期獲得具有低表面能的微溝槽表面；最后分析測試其防污減阻協(xié)同，得到滿足實(shí)際工業(yè)使用要求的具有防污減阻協(xié)同效應(yīng)的低表面能微溝槽表面。

4　船舶能效協(xié)同調(diào)控

船舶動力系統(tǒng)的關(guān)鍵摩擦副以及船體表面摩擦等是船舶的主要能耗部分，其能耗狀態(tài)也與船舶的航行環(huán)境息息相關(guān)。充分、合理地利用船舶營運(yùn)節(jié)能手段，可以有效地提高營運(yùn)能效。然而，通航環(huán)境與船舶動力系統(tǒng)、船體表面等的有機(jī)的結(jié)合缺乏系統(tǒng)的理論支撐。因此研究船舶能效提升問題，要通過對船舶動力能效、船體表面阻力和航速等航行環(huán)境因素的協(xié)同與調(diào)控，其研究思路如圖13所示。首先，利用摩擦學(xué)的基本理論與試驗(yàn)方法，分別研究船舶動力能效提升機(jī)理以及船體表面減阻機(jī)理，獲取船舶動力能效、船體阻力與船舶航速之間的對應(yīng)關(guān)系；其次，建立船舶動力能效、船體表面阻力與船舶航速之間的優(yōu)化模型，通過該模型進(jìn)一步研究不同航行工況下船舶動力系統(tǒng)和船體的減摩、減阻機(jī)理；最后獲得基于摩擦學(xué)的船舶動力能效提升、船體減阻與船舶航行環(huán)境的協(xié)同機(jī)理與控制方法，通過多因素的協(xié)同調(diào)控達(dá)到船舶能效提升的預(yù)期目標(biāo)。

圖12　融合溝槽與表面能調(diào)控的研究思路

圖13　船舶能效提升研究思路

5　結(jié)論

1)引入摩擦學(xué)的基本理論與技術(shù)，可以有效的實(shí)現(xiàn)船舶動力系統(tǒng)關(guān)鍵摩擦部件的減摩以及船體表面的減阻；將二者綜合考慮，進(jìn)而達(dá)到船舶動力系統(tǒng)的能效提升。

2)結(jié)合通航環(huán)境，建立基于摩擦學(xué)的船舶動力能效、船體表面阻力和通航環(huán)境的協(xié)同與調(diào)控體系，通過多因素的協(xié)同調(diào)控達(dá)到船舶能效提升的預(yù)期目標(biāo)。

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Study on Energy Efficiency Improvement in Marine Power System Based on Tribology

YUAN Cheng-qing, BAI Xiu-qin, GUO Zhi-wei, YAN Xin-ping

(a. Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology, Ministry of Communications, b. Reliability Engineering Institute, National Engineering Research Center for Water Transportation Safety; Wuhan University of Technology, Wuhan, 430063, China)

From the perspective of energy efficiency improvement of ships, the wear control technologies of frictions within the key parts of the marine such as the cylinder liner-piston rings and the stern bearings are analyzed, and the energy conservation and drag reduction technology of marine surface bionic and the new materials are discussed. The synergy and regulation system during the marine power efficiency, marine surface resistance and navigational speed is constructed. The research work will provide the necessary theoretical basis and some solutions for the energy efficiency improvement in the marine system.

marine power system; energy efficiency improvement; tribology

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.018

2015-11-19

2015-11-25

國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金

袁成清(1976-)，男，博士，教授

U661.31

A

1671-7953(2016)01-0091-09

(51422507)；湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(2013CFA007)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA127)

研究方向:船舶動力系統(tǒng)可靠性與綠色技術(shù)

E-mail:ycq@whut.edu.cn