◎于海洋 張佰順 李海峰 海軍潛艇學(xué)院

滑動軸承具有承載能力強、抗沖擊性能好的特點，被廣泛應(yīng)用于船舶機械中，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，在軸承軸瓦上進行織構(gòu)化設(shè)計成為改善軸承性能的主流。為進一步提高軸承的性能，本文針對織構(gòu)化設(shè)計對船舶滑動軸承摩擦力、承載能力以及滑油溫度的影響展開研究，揭示織構(gòu)設(shè)計對軸承性能影響的機理，為后續(xù)織構(gòu)化設(shè)計提供參考。

1.物理模型

本文選取某型船舶中最易發(fā)生損壞的柴油機曲軸軸承為研究對象，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，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，油膜擠壓形成對轉(zhuǎn)軸的支撐作用，此時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，并在其上進行織構(gòu)化設(shè)計?？棙?gòu)化區(qū)域長度為L，寬度為β，兩方向上設(shè)計布置的織構(gòu)數(shù)量分別為10個和5個。單個織構(gòu)采用長方體結(jié)構(gòu)，其上截面為邊長W的正方形，織構(gòu)深度為D。所使用的計算參數(shù)如表1所示。

表1 用于計算的織構(gòu)化軸承參數(shù)

圖2 織構(gòu)化設(shè)計示意圖

2.控制方程與求解方法

假定本研究中使用的潤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，本研究忽略了潤滑劑的體積力和慣性力。因此，潤滑劑的壓力可通過Reynolds方程求得，其表達式如下：

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

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，對油膜壓力進行積分，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，在船舶滑動軸承工作時其承載能力、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 模型有效性驗證

在分析織構(gòu)化設(shè)計對船舶軸承性能影響之前，需先驗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)果進行對比，同時將求得的溫度分布與Gandjalikan、Frene等人的仿真、實驗結(jié)果進行對比。在對比中，用于程序驗證的參數(shù)與文獻中的參數(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分布相同且數(shù)值差異很小，所求得的溫度分布與文獻也有較高的匹配度，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、溫度計算模型驗證

3.2 對溫度的影響

船舶軸承時常處于高速高載狀態(tài)下運行，潤滑劑油膜間存在著嚴重的剪切作用，使得潤滑劑在該工況下產(chǎn)生較高溫升，繼而影響潤滑劑的粘度、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)計對軸承溫度的影響。

圖4給出了有無織構(gòu)化設(shè)計情況下，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)計條件下其溫度場分布相同，高溫區(qū)域均出現(xiàn)在高負載區(qū)，低溫區(qū)域出現(xiàn)在進油口區(qū)域（低壓區(qū)）；此外，具有織構(gòu)化設(shè)計的船舶軸承的系統(tǒng)溫度相對于無該設(shè)計的軸承有明顯的降低，這說明船舶軸承的織構(gòu)化設(shè)計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)計的船舶軸承溫度分布

3.3 對承載能力的影響

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

圖5對比了有無織構(gòu)化設(shè)計情況下船舶軸承的承載能力，同時給出了隨織構(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，對比有無織構(gòu)化設(shè)計的船舶軸承發(fā)現(xiàn)，具有織構(gòu)化設(shè)計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)計在動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，對船舶軸承進行合理的織構(gòu)化設(shè)計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)計的船舶軸承承載能力對比

圖6 織構(gòu)化設(shè)計船舶軸承油膜壓力分布

3.4 對摩擦力的影響

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，針對織構(gòu)化設(shè)計對船舶軸承摩擦力的影響進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，通過對比同一軸承在有無織構(gòu)化設(shè)計情況下的摩擦力差異，可以發(fā)現(xiàn)具有織構(gòu)化設(shè)計的船舶軸承具有更小的傳動摩擦力。這一現(xiàn)象可以通過織構(gòu)對油膜剪切力急劇降低，進而減小軸承的摩擦力，提高傳動效率。因此，合理的織構(gòu)化設(shè)計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)計的船舶軸承摩擦力對比

圖8 織構(gòu)化設(shè)計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Reynolds方程和能量方程的求解，研究了織構(gòu)化設(shè)計對船舶軸承溫度、承載能力以及摩擦力的影響，其結(jié)論如下：

1）相對于傳統(tǒng)軸承，船舶軸承的織構(gòu)化設(shè)計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)計能有效提高船舶軸承的承載能力和減小傳動摩擦力，提高傳動性能。

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。