织构化设计对船舶轴承性能影响研究

◎于海洋 张佰顺 李海峰 海军潜艇学院

滑动轴承具有承载能力强、抗冲击性能好的特点，被广泛应用于船舶机械中，确保了船舶在多变风浪环境下航行的安全可靠。近年来，随着激光技术的发展，在轴承轴瓦上进行织构化设计成为改善轴承性能的主流。为进一步提高轴承的性能，本文针对织构化设计对船舶滑动轴承摩擦力、承载能力以及滑油温度的影响展开研究，揭示织构设计对轴承性能影响的机理，为后续织构化设计提供参考。

1.物理模型

本文选取某型船舶中最易发生损坏的柴油机曲轴轴承为研究对象，其织构化轴承模型如图1所示。当外力P作用于转轴上时，转轴的中心由O偏移至O位置，其偏转角为θ，偏心距为e。当转轴以转速Ω旋转时，油膜挤压形成对转轴的支撑作用，此时油膜的最大和最小厚度分别为h和h。转轴直径为R，轴承内径和宽度分别用R和L表示。

图1 具有织构化设计的船舶轴承截面图

如图2所示，将轴承轴瓦沿周向展开，并在其上进行织构化设计。织构化区域长度为L，宽度为β，两方向上设计布置的织构数量分别为10个和5个。单个织构采用长方体结构，其上截面为边长W的正方形，织构深度为D。所使用的计算参数如表1所示。

表1 用于计算的织构化轴承参数

图2 织构化设计示意图

2.控制方程与求解方法

假定本研究中使用的润滑剂为不可压缩的牛顿流体，它是连续性和各向同性的。同时，本研究忽略了润滑剂的体积力和惯性力。因此，润滑剂的压力可通过Reynolds方程求得，其表达式如下：

式中：Φ，z为船舶轴承周向和轴向的坐标，p为润滑油膜的压力，η、ρ分别表示润滑油的粘度和密度。h为润滑油膜的厚度，其表达式为：

式中，c和e分别表示轴承间隙及偏心距，δ为织构化设计导致的油膜厚度差异。

为了求解式（1），船舶轴承压力边界条件设置如下：

当求得油膜压力后，对油膜压力进行积分，即可获得水平方向与竖直方向的油膜合力P、P，从而获得轴承的承载力P。

由于滑油的剪切作用产生摩擦力，因此轴承的摩擦阻力F可通过下式计算：

此外，基于已获得的油膜压力，油膜的温度可通过能量方程获得：

式中，T表示温度。cf和kf分别表示润滑剂的比热容和热传导系数，为常数。因此，在船舶滑动轴承工作时其承载能力、摩擦力及滑油温度均可求解。

本文所采用的求解方式为有限差分法，并使用超松弛迭代法加速油膜压力和温度的求解。油膜压力和温度的收敛条件设置如下：

3.仿真结果及分析

3.1 模型有效性验证

在分析织构化设计对船舶轴承性能影响之前，需先验证程序模型的正确性。因此，本部分将作者通过程序求得的油膜压力与Liu等人的仿真结果进行对比，同时将求得的温度分布与Gandjalikan、Frene等人的仿真、实验结果进行对比。在对比中，用于程序验证的参数与文献中的参数相同。

从图3中可以看出，本研究模型所求得的压力分布与文献分布相同且数值差异很小，所求得的温度分布与文献也有较高的匹配度，说明本研究模型正确合理，可用于后续研究。

图3 船舶轴承油膜压力、温度计算模型验证

3.2 对温度的影响

船舶轴承时常处于高速高载状态下运行，润滑剂油膜间存在着严重的剪切作用，使得润滑剂在该工况下产生较高温升，继而影响润滑剂的粘度、密度，最终影响轴承承载能力、摩擦力等性能。因此，有必要探究船舶轴承的织构化设计对轴承温度的影响。

图4给出了有无织构化设计情况下，转轴-滑油-轴承系统的工作温度分布图。如图中可以看出，轴承系统在有无织构化设计条件下其温度场分布相同，高温区域均出现在高负载区，低温区域出现在进油口区域（低压区）；此外，具有织构化设计的船舶轴承的系统温度相对于无该设计的轴承有明显的降低，这说明船舶轴承的织构化设计能有效抑制轴承温升，改善轴承性能。

图4 有无织构化设计的船舶轴承温度分布

3.3 对承载能力的影响

船舶轴承的承载能力是其性能的关键指标之一，也是影响其使用寿命的关键因素。因此，有必要针对织构化设计对船舶轴承承载能力的影响进行研究。

图5对比了有无织构化设计情况下船舶轴承的承载能力，同时给出了随织构深度变化轴承承载能力的变化情况。由图可知，在一定范围内随着织构深度的增加船舶轴承的承载能力有所增加。此外，对比有无织构化设计的船舶轴承发现，具有织构化设计的船舶轴承具有更高的承载能力。这一现象可通过轴承油膜压力来解释。由图6可知，织构化设计在动压作用下使得轴承油膜在高压区形成压力局部突增，这使得轴承的承载能力得到有效提升。因此，对船舶轴承进行合理的织构化设计能有效提高轴承承载能力，改善轴承性能。

图5 有无织构化设计的船舶轴承承载能力对比

图6 织构化设计船舶轴承油膜压力分布

3.4 对摩擦力的影响

除承载能力之外，船舶轴承摩擦力的大小也反应了其性能的好坏。因此，针对织构化设计对船舶轴承摩擦力的影响进行研究也是十分有必要的。

图7给出了随织构深度变化，船舶轴承摩擦力的变化情况。如图7所示，在一定范围内随着织构深度的增加船舶轴承的摩擦力逐渐减小。此外，通过对比同一轴承在有无织构化设计情况下的摩擦力差异，可以发现具有织构化设计的船舶轴承具有更小的传动摩擦力。这一现象可以通过织构对油膜剪切力急剧降低，进而减小轴承的摩擦力，提高传动效率。因此，合理的织构化设计能有效减小船舶轴承的摩擦力，改善轴承性能。

图7 有无织构化设计的船舶轴承摩擦力对比

图8 织构化设计船舶轴承油膜剪切力分布

4.小结

本文建立了船舶织构化轴承性能研究模型，并通过对Reynolds方程和能量方程的求解，研究了织构化设计对船舶轴承温度、承载能力以及摩擦力的影响，其结论如下：

1）相对于传统轴承，船舶轴承的织构化设计能有效抑制船舶轴承的温升，改善轴承性能。

2）织构化设计能有效提高船舶轴承的承载能力和减小传动摩擦力，提高传动性能。

3）在一定范围内，随着织构深度的增加，船舶轴承的承载能力逐渐增大，摩擦力逐渐减小。