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原文传递高强化船用柴油机主轴承耦合润滑模型及型面优化方法研究

论文题名：	高强化船用柴油机主轴承耦合润滑模型及型面优化方法研究
关键词：	船用柴油机;主轴承;耦合润滑模型;变壁厚轴瓦;表面织构;曲轴
摘要：	柴油机因具有热效率高、功率范围广、适用性强、经济性好等优点，已在船舶推进领域得以广泛应用。当船舶在恶劣海况下航行时，曲轴会存在幅度较大的轴颈倾斜与轴向运动，此时不仅主轴承内表面与曲轴之间发生接触，主轴承侧端面也可能与曲轴之间发生碰撞。然而，目前尚缺乏动载荷作用下的主轴承边缘磨损与侧端面烧蚀的研究。本文以某高强化船用柴油机主轴承为研究对象，建立考虑轴颈倾斜与轴向运动的主轴承耦合润滑模型，阐明主轴承边缘磨损与侧端面烧蚀等故障的形成机理，并尝试将变壁厚轴瓦与表面织构应用于主轴承中，以改善其润滑性能，提高船用柴油机的可靠性和耐久性。全文主要工作如下所示: 　　建立了主轴承耦合润滑模型，该模型可以综合考虑曲轴的轴向运动、轴颈倾斜、表面微凸体接触、表面弹性变形、润滑油温度变化等因素对主轴承润滑性能的影响，并可以描述轴颈的三维运动;采用有限差分法与逐次超松弛迭代法，对该模型进行求解，并给出了相应的求解流程;基于所建立的润滑模型，分析了曲轴的轴向运动对某高强化船用柴油机主轴承润滑性能的影响规律，阐明了主轴承边缘磨损与侧端面烧蚀等故障的形成机理。研究发现，考虑曲轴的轴向运动后，轴心轨迹为不闭合的空间三维曲线;轴颈倾斜使得主轴承边缘油膜厚度变薄，主轴瓦与轴颈表面微凸体发生接触并互相挤压，从而在主轴瓦边缘处产生微凸体接触压力;较小的轴向速度对主轴承润滑性能的影响可以忽略不计，但较大的轴向速度不仅增大了微凸体接触压力，加剧了主轴承边缘磨损，同时也扩大了空间轴心轨迹，使得主轴承侧端面与曲轴发生碰撞、磨损，进而产生侧端面烧蚀故障。　　为了减轻主轴承的边缘磨损，在动载荷作用下研究双锥面主轴瓦、抛物面主轴瓦与波纹面主轴瓦对主轴承润滑性能的影响规律，并对主轴瓦变壁厚设计给出相关建议。研究发现，双锥面主轴瓦、抛物面主轴瓦和波纹面主轴瓦都可以大幅降低甚至消除微凸体接触压力，从而减轻主轴承的边缘磨损，但双锥面、抛物面与波纹面也削弱了主轴承的承载能力;当双锥面、抛物面与波纹面的径向高度相同时，虽然双锥面主轴瓦的总摩擦损失要略高于抛物面主轴瓦与波纹面主轴瓦，但其可以更加显著地降低微凸体接触压力，并且双锥面主轴瓦的承载能力也略高，总端泄流量也略少。因此，建议设计双锥面主轴瓦以减轻主轴承的边缘磨损。　　针对双锥面主轴瓦存在的承载能力降低、摩擦损失增大等不足，提出利用表面织构技术改善双锥面主轴瓦的润滑性能。研究发现，相较于双锥面主轴瓦，织构化双锥面主轴瓦的承载能力有所减弱，最小油膜厚度相应减小，最大微凸体接触压力随之增大;但织构化双锥面主轴瓦在一个周期内的总摩擦损失会减少，润滑油最高温度也略低。正交试验设计与灰色关联分析表明，存在一组折中的设计方案，使得织构化双锥面主轴瓦的最大微凸体接触压力和一个周期内的总摩擦损失都尽可能小。　　针对表面织构设计中存在的计算耗时较长、研究成本较高等问题，采用智能优化算法对主轴承表面织构进行优化设计，以提高其润滑性能，并减少计算时间、提高设计效率。基于PSO算法的表面织构减摩设计表明，最优沟槽织构在不同偏心率与不同转速下的分布区域都近似为梯形;并且随着偏心率的增大，梯形区域也变得更加狭长;在低偏心率下，梯形沟槽织构对摩擦系数的降低更为显著;滑动轴承摩擦学的试验结果表明，梯形织构轴瓦的摩擦系数最小，其次分别为参考织构轴瓦和普通轴瓦，这与表面织构减摩设计的结论基本一致。基于PSO算法的表面织构减振设计表明，最优沟槽织构在不同外载荷与不同转速下的分布区域也都近似为梯形;在低载荷作用下，梯形沟槽织构对偏心率的降低更为显著。基于MOPSO算法的表面织构减摩-减振设计表明，Pareto最优解集中的折中解对应的沟槽织构在不同外载荷与不同转速下的分布区域同样都近似为梯形。上述优化结果表明，梯形分布的沟槽织构更有利于降低轴承摩擦系数、抑制轴颈横向振动，可为今后主轴承表面织构的正向设计提供参考。
作者：	刘冲培
专业：	轮机工程
导师：	李玩幽
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022