船用柴油机供油机构滚轮衬套混合热弹流润滑特性研究_郭怀谦.pdf

第 44卷 第 3期2023年 6月Vol.44 No.3June 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering船用柴油机供油机构滚轮衬套混合热弹流润滑特性研究郭怀谦1，赵滨1，陈思睿2，周家勇2，卢熙群1，Ardian MORINA1，3（1.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，哈尔滨 150001；2.重庆红江机械有限责任公司，重庆402160；3.英国利兹大学 机械工程学院，英国 利兹 LS2 9JT）Study on the Characteristics of Mixed Thermal Elastohydrodynamic Lubrication of the Roller Bushing in the Fuel Supply Mechanism of Marine Diesel EnginesGUO Huaiqian1，ZHAO Bin1，CHEN Sirui2，ZHOU Jiayong2，LU Xiqun1，Ardian MORINA1，3（1.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Chongqing Hongjiang Machinery Co.，Ltd.，Chongqing 402160，China；3.School of Mechanical Engineering，University of Leeds，Leeds LS2 9JT，United Kingdom）Abstract：Taking the roller floating bushing roller pin in the oil supply mechanism of marine diesel engine as the research object，considering the elastic deformation of the bushing under low speed and heavy load operation conditions，and taking into account the surface roughness characteristics，an analytical model of the double layer oil film mix thermoelastic hydrodynamic lubrication of the floating bushing was constructed.The effects of the inner and outer oil film clearance ratio，the bushing width diameter ratio，the bushing thickness and its surface roughness on the lubricating properties including the ring speed ratio，the maximum oil film pressure of the inner and outer layers，and the bearing capacity and so on were investigated.The results show that the oil film thickness of the inner layer of the roller floating bushing roller pin structure is small and the lubrication state is poor during the operation process.Under low speed and heavy load conditions，the elastic deformation and mixed lubrication effect of bushing can not be ignored.The larger the width diameter ratio，the smaller the inner and outer layer gap ratio，the smaller the maximum oil film pressure，the stronger the bearing capacity of the structure，but the higher the temperature rise.The mixed lubrication state only appears in the lubricating oil film of the inner layer of the bushing.And the greater the surface roughness of the bushing，the worse the lubrication effect.摘要：以船用柴油机供油机构中滚轮 浮动衬套 滚轮销为研究对象，考虑其低速重载运行工况下衬套弹性变形，计入表面粗糙特征，构建了浮动衬套内外双层油膜混合热弹性流体动压润滑分析模型，并据此探究了内外层油膜间隙比、衬套宽径比、衬套厚度及其表面粗糙度对环速比、内外层最大油膜压力及承载能力等润滑特性的影响规律。结果表明：滚轮浮动衬套滚轮销结构运行过程中内层油膜厚度较小，润滑状态较为恶劣；低速重载工况下，衬套弹性变形文章编号：1000-0925（2023）03-0001-09440027收稿日期：2022-10-17修回日期：2022-11-29基金项目：国家自然科学基金项目（52271312，51809057）Foundation Item：National Natural Science Foundation of China（52271312，51809057）作者简介：郭怀谦（1998），男，博士生，主要研究方向为轴承润滑，E-mail：；赵滨（通信作者），E-mail：。2023年第 3期内燃机工程与混合润滑效应不可忽略；宽径比越大、内外层间隙比越小，最大油膜压力越小，结构承载能力越强，但温升越高；混合润滑状态仅出现于衬套内层润滑油膜，且衬套表面粗糙度越大，润滑效果越差。关键词：船用柴油机；供油机构；浮动衬套；混合热弹流润滑Key words：marine diesel engine；oil supply mechanism；floating bushing；mixed thermal elastohydrodynamic lubricationDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.03.001中图分类号：TK421+.90概述滚轮 浮动衬套 滚轮销结构在船用柴油机供油机构中比较常见，其润滑性能直接影响设备可靠性。在工作过程中，凸轮带动滚轮转动，滚轮销为固定件，而衬套是浮动的，其内外可形成双层承载油膜，承载能力较强；同时衬套具有一定的转速，可降低滚轮与滚轮销之间的相对运动速度，从而降低摩擦功耗与发热。因此，在船用柴油机供油机构较为典型的低速重载工况下，相较于单层油膜润滑的滚轮 滚轮销结构，滚轮 浮动衬套 滚轮销结构具有承载能力强、摩擦温升小等优势。不过，在实际工作中，浮动衬套常会出现异常抱死、磨损等润滑故障，影响供油机构可靠性。考虑更多实际因素，构建更为完善精确的滚轮 浮动衬套 滚轮销结构润滑分析模型，进而探究其润滑特性，对提升该结构在低速重载工况下的润滑性能极为必要。目前，学者们针对具有双层油膜结构的轴承（如增压器浮环轴承等）的润滑性能开展了大量研究工作，如：文献 14 中对不同结构的浮环轴承润滑特性进行分析；文献 5 中利用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法研究了贫油润滑状态下浮环轴承的润滑特性，分析了贫油程度对双层油膜润滑特性参数的影响；文献 6 中通过仿真与试验手段研究了浮环轴承三维热流体动力润滑特性与转子振动特性；文献 7 中建立了浮环轴承三维热流体动力润滑模型，系统分析了垂向载荷、间隙比对润滑特性的影响规律；文献 8 中基于短轴承润滑模型建立了浮环轴承的转子系统动力学模型，分析了浮环轴向长度对涡轮增压器转子系统振动特性的影响规律；文献9 中通过建立涡轮增压器转子浮环轴承系统动力学模型，分析了不同大小平衡质量下的内外层油膜失稳特征。上述研究对象为涡轮增压器中的浮环轴承，大多工作在高速轻载工况下，因此均将浮环视为刚性体，忽略了弹性变形的影响。随着研究的深入，也有学者针对浮环轴承中的弹性变形进行了研究：文献 10 中建立了考虑热弹变形的浮环轴承润滑分析模型，探究了浮环轴承润滑特性，发现在高速轻载工况下，相较于热变形，浮环弹性变形对润滑特性的影响可以忽略；文献 11 中利用数值积分法进行研究时考虑了浮环弹性变形，认为偏心率较大时弹性变形才开始对其润滑特性产生一定影响。柴油机供油机构中滚轮 浮动衬套 滚轮销结构是较为典型的工作在低速重载条件下的双层油膜润滑结构。低速重载工况使润滑状态较为恶劣，出现混合润滑（即同时存在微凸体接触和油膜润滑）状态，同时弹性变形和热效应在重载工况下也更为显著。然而当前针对此类低速重载工况下的双层油膜润滑轴承形式的研究并不多见。文献 12 中针对高压油泵中的滚轮 浮动衬套 滚轮销结构建立了流体动压润滑模型，并对该结构承载能力进行研究。文献 13中基于 Fluent 软件计入空化效应的影响，建立了柱塞泵中双层油膜结构流体润滑模型，但并未考虑低速重载工况下结构弹性变形的作用。文献 14 中针对柴油机配气机构滚轮浮动衬套滚轮销结构，考虑混合润滑状态与衬套弹性变形的作用，基于商业软件建立了动力学与润滑耦合模型并据此进行了结构优化，而该研究并未考虑热效应与热变形的作用。综上所述，当前关于双层油膜结构润滑的研究大多为高速轻载工况下的浮环轴承，对低速重载工况下的柴油机滚轮 浮动衬套 滚轮销结构润滑特性分析较少。在高速轻载工况下通常可忽略结构弹性变形的影响，同时润滑状态可认为是流体动压润滑，表面粗糙度特征也可简化处理；但滚轮 浮动衬套 滚轮销与浮环轴承在结构与工况上均具有较大差异，低速重载工况下弹性变形与粗糙度影响不可忽略。为此，本文中基于浮动衬套内外双层油膜平均雷诺方程，计入浮动衬套弹性变形与滚轮、浮动衬套、滚轮销三者热变形，考虑混合润滑状态下表面粗糙度影响，构建了柴油机供油机构滚轮 浮动衬套 滚轮销混合热弹流润滑模型，探究了不同衬套表面粗糙度、宽径比、内外层间隙比和衬套厚度对润滑特性的影响规律，可为滚轮浮动衬套滚轮销结构优化设计提供理论支撑。2内燃机工程2023年第 3期1滚轮衬套滚轮销润滑模型1.1润滑分析模型供油机构中滚轮 浮动衬套 滚轮销模型示意图如图 1 所示，滚轮受力主要来源于柱塞油液压力，且方向为竖直向下。利用内外双层油膜各自的平均雷诺方程15 求解内外层油膜压力pi、po，如式（1）、式（2）所示。R2i(xh3iipi)+y(yh3iipiy)=6rc()hi-6ri()s（1）R2o(xh3oopo)+y(yh3oopoy)=6()r+bRbRoc()ho+6()r-bRbRoc()s（2）式中，和 y 分别表示油膜周向坐标和轴向坐标；r为浮动衬套转速；b为滚轮转速；Ri、Ro分别为浮动衬套内外圈半径；Rb为外滚轮内圈半径；x、y为压力流量因子；c为接触因子；s为剪切流量因子；i、o分别为内外层表面综合粗糙度；为润滑油密度；i、o分别为内外层考虑温黏效应润滑油黏度；hi为内层油膜厚度；ho为外层油膜厚度。浮动衬套内外层膜厚可分别通过式（3）、式（4）获得。hi=(Ri-Rj+Ti)1+i cos(-i)+pi（3）ho=(Rb-Ro+To)1+o cos(-o)+po（4）式中，i、o分别为浮动衬套内外层偏心率；i、o分别为浮动衬套内外层偏位角；Rj为滚轮销半径；pi、po分别为浮动衬套内外层弹性变形量Ti、To，分别为内外层热变形导致的间隙改变量，由式（5）式（8）计算。Ti=RRiTR-JRjTi（5）To=BRbTo-RRoTR（6）pi(，y)=0Li02K，yi，ypi(，y)ddy（7）po(，y)=0Lo02K，yo，ypo(，y)ddy（8）式中，J、R、B分别为滚轮销、浮动衬套、滚轮的热膨胀系数；Ti、To分别为内外层油膜温升；TR为浮动衬套温升；pi(，y)、po(，y)分别为浮动衬套内、外层在节点(，y)处的弹性变形量；pi(，y)、po(，y)分别为浮动衬套内、外层在节点(，y)处的油膜压力；K，yi，y、K，yo，y分别为浮动衬套内、外层弹性变形矩阵，即在表面(，y)节点作用单位压力时在(，y)节点产生的弹性变形。在柴油机供油机构低速重载工况下，弹性变形在润滑计算中不可忽略。与滚轮和滚轮销材料相比，浮动衬套由于弹性模量较小，其变形较大，因此本文中仅计入浮动衬套表面弹性变形量。浮动衬套工作时主要受内外两层油膜的摩擦力作用，内外层黏性摩擦力矩i、o计算方程如式（9）、式（10）所示，内外层油膜因轴向压力梯度引起的端泄流量Qi、Qo可由式（11）、式（12）计算，内外层油膜因剪切力产生的摩擦功耗Wi、Wo可由式（13）、式（14）计算。i=0Li02()-hi2piRi-ihirRiR2iddy（9）o=0Lo02 ho2poRo+oho()r-bRoR2oddy （10）Qi=202Ri()-h3i12ipiyy=Lidx（11）Qo=202Ro()-h3o12opoyy=Lodx（12）Wi=0Li02Ri h3i12()pix2+()piy2+ihi2rR2idxdy（13）Wo=0Lo02Ro h3o12()pox2+()poy2+oho()b-r2R2odxdy（14）在低速重载工况导致的混合润滑状态下存在微凸体接触力，假定接触表面微凸体高度分布概率密度函数为期望等于零的正态高斯分布，表面形貌各向同性，单位面积微凸体接触压力pc可由式（15）计图 1供油机构中滚轮 浮动衬套 滚轮销模型示意图 32023年第 3期内燃机工程算得到16。pc=16215()2EF52(H)（15）式中，E为复合弹性模量；为综合表面粗糙度；为峰元密度；为峰元曲率半径；H为膜厚比，即油膜厚度与综合表面粗糙度比值；F52()H为与粗糙峰高度的概率分布有关的参数。采用索氏数（S）表征油膜承载能力大小，索氏数越大表明其结构承载能力越好。内外层油膜索氏数Si、So计算公式如式（16）、式（17）所示。Si=2irRilWi2（16）So=2o()r+bRblWo2（17）式中，i、0分别为内外层相对间隙；l为浮动衬套宽度；W为外部载荷。1.2力热平衡方程在稳定外载工况下达到平衡状态时，内外层的油膜反力与微凸体接触力之和相等且与外部载荷平衡，且内外摩擦力矩平衡。力学平衡关系如式（18）、式（19）所示。Papsi+Pi=Papso+Po=W（18）i=o（19）式中，Paspi、Paspo分别为内外层微凸体承载力；Pi、Po分别为内外油膜承载力。此外，浮动衬套内层油膜与外层油膜传热量相等，且内外层油膜应分别满足热平衡条件，即满足以下关系式：ARiHRi(TR-Ti)=ARoHRo(To-TR)（20）cpQiTi+ARiHRi(Ti-TR)=Wi（21）cpQoTo+ARoHRo(To-TR)=Wo（22）式中，ARi、ARo分别为浮动衬套内外侧换热面积；Ti、To分别为内外膜温度，用式（23）、式（24）表示；TR为浮动衬套温度；cp为润滑油比定压热容；HRi、HRo分别为浮动衬套内、外层对流传热系数。对流传热系数HR可由式（25）计算。Ti=Ts+0.8Ti（23）To=Ts+0.8To（24）HR=3Pr1/3(c)（25）式中，Ts为进油温度；为润滑油热传导系数；c为半径间隙；Pr为普朗克数，可由式（26）计算得到。Pr=cp/（26）式中，为润滑油黏度。2模型计算流程及验证方法图 2 为滚轮 浮动衬套 滚轮销混合热弹流润滑分析流程图。总体思路为：首先确定外层平衡时的偏心率、偏位角和温升；之后确定内层平衡时偏心率、偏位角和温升；最后利用内外层摩擦力矩平衡与热平衡确定浮动衬套平衡转速与平衡温度。采用有限差分法进行数值求解，压力求解收敛精度为 10-5，网格数量为衬套周向 120轴向 16，并采用超松弛迭代方法加快收敛。为了验证模型准确性，采用本文模型的退化模型（忽略滚轮、浮动衬套、滚轮销三者的热弹变形）所图 2滚轮 衬套 滚轮销稳态润滑数值分析流程图 4内燃机工程2023年第 3期计算的轴向中心截面内外层油膜压力分布图与文献13 中的结果进行对比，对比结果如图 3、图 4 所示。由对比结果可以发现，本文计算模型所得油膜压力结果与文献 13 中结果之间的偏差不超过 5%，验证了模型的准确性。3结果与分析表 1 给出了本文中分析所用的滚轮 浮动衬套 滚轮销结构参数及润滑油特性参数。3.1计入衬套弹性变形与否对润滑特性参数的影响图 5、图 6 给出了浮动衬套内外表面弹性变形对内外层最大油膜压力、平衡温度、总摩擦功耗、总端泄流量、环速比的影响规律，及计及弹性变形后的内外层油膜压力分布图。在低转速运行工况下，内膜、浮动衬套与外膜三者平衡温度近似相等17，因此三者平衡温度均称为“平衡温度”。比较图 5（a）与图5（b）可以发现，与外层油膜相比，内层油膜压力更大，油膜承载区域更小，这是由于与外层相比，内层相对转速更低，结构直径更小。由图 6 可见，计及弹性变形后内外层最大油膜压力较不计弹性变形有大幅降低，最大相差 60%。这是由于弹性变形的作用使油膜厚度增大，且随载荷增大，弹性变形作用更加明显。计入弹性变形后平衡温度降低，且载荷越大降低程度越显著。这一方面是由于计及弹性变形后内外层摩擦功耗降低，减小了摩擦热；另一方面是由于计及弹性变形后内外层油膜厚度增大，滑油通流面积增大，使端泄流量增加，带走了更多的热量。由图 6 还可以看出，随载荷的增大，总端泄流量与总摩擦功耗均增大。此外，由于计及弹性变形后平衡温度下降，滑油黏度增大，并且内外层油膜厚度增加，使内膜黏性阻力矩与外膜黏性驱动力矩均增大，而外膜表面积更大，黏性驱动力矩增大更明显，故环速比与不计弹性变形的情况相比有所增大。图 5滚轮 衬套 滚轮销内外层油膜压力分布表 1滚轮衬套滚轮销结构参数与润滑油特性参数项目内层间隙/m外层间隙/m浮动衬套材料滚轮销表面粗糙度/m衬套表面粗糙度/m滚轮表面粗糙度/m进油温度/滚轮转速/（r min-1）润滑油牌号参数15.020.0铜合金0.10.40.1651 381CF4 图 3内层油膜压力验证结果（滚轮转速 800 r/min，载荷14 000 N）图 4外层油膜压力验证结果（滚轮转速 800 r/min，载荷14 000 N）52023年第 3期内燃机工程3.2计入混合润滑效应与否对润滑特性参数的影响图 7 给出了浮动衬套内外层油膜混合润滑效应对内外层最小油膜厚度与环速比的影响规律。如图7 所示：随滚轮转速升高，内外层油膜厚度增大；计入混合润滑效应后，内层最小油膜厚度较不计混合润滑状态有显著增大，最多增大 20%。这是由于考虑混合润滑效应时因粗糙表面微凸体接触，导致油膜压力下降，进而使内层油膜厚度增大，且转速越小润滑状态越恶劣，计入混合润滑效应对内层油膜影响越显著；而外层油膜厚度较厚，不存在混合润滑状态，因此是否考虑油膜混合润滑效应不会影响其计算结果。由图 7 还可知，随滚轮转速升高，浮动衬套与滚轮转速比值（环速比）增大，且计入混合润滑效应后环速比与不计混合润滑效应相比有所增大。3.3结构参数对滚轮 衬套 滚轮销润滑特性的影响3.3.1粗糙度的影响图 8 给出了浮动衬套表面粗糙度（r）对内层最小膜厚比、内层最大微凸体接触压力、外层最小膜厚比的影响规律。由图 8 可以看出，随转速升高，浮动衬套内层最小膜厚比逐渐增大，但最小膜厚比均小于 3，表明内层油膜处于混合润滑状态15，且表面粗糙度值越大，膜厚比越小，润滑状态越恶劣。随滚轮转速下降，衬套粗糙度值增大，内层微凸体接触压力上升。当衬套表面粗糙度为 0.6 m、滚轮转速为 1 300 r/min时，最大微凸体接触压力超过 5.0 MPa。外层最小膜厚比大于 5，表明外层油膜处于全膜流体润滑状态15，粗糙度的改变对外层油膜润滑特性没有影响。3.3.2宽径比的影响图 9 给出了衬套宽径比（B/D）对内外层最小油膜厚度、平衡温度、环速比、内外膜承载能力的影响。本文中分析过程固定滚轮内径，通过改变整体宽度来改变宽径比。由图 9 可以看出，宽径比越大，内外层油膜承载能力越强，内外层最小油膜厚度越大。随宽径比增大，平衡温度小幅升高，这是由于摩擦功耗增加，且润滑油泄流较困难，带走热量减少造成的。宽径比增大导致内外层最小油膜厚度增大，黏性阻力矩与黏性驱动力矩均增大，而外膜黏性驱动图 6弹性变形对滚轮 衬套 滚轮销润滑特性的影响图 7混合润滑对滚轮 衬套 滚轮销润滑特性的影响 6内燃机工程2023年第 3期力矩增加更显著，故环速比随宽径比增大而增大。另外，由于载荷增大，环速比减小，即浮动衬套转速下降，因此随载荷增大，内外层油膜承载能力呈现下降趋势。3.3.3间隙比的影响图 10 给出了间隙比（ci/co）对内外层最大油膜压力、平衡温度、环速比，内外膜承载能力的影响。分析过程中固定外层间隙，通过改变内层间隙来改变内外间隙比。由图 10 可以看出，间隙比的增加使内层最大油膜压力增大，而外层最大油膜压力几乎不变。平衡温度随内外层间隙比增加而减小，当载荷为 40 000 N 时，间隙比从 0.8 增加到 1.2，平衡温度降低约 10，这是由于内层间隙增大使通流面积增大，端泄更容易。另外当间隙比增大时，由于平衡温度明显降低，滑油黏度增大，内膜黏性阻力矩与外膜黏性驱动力矩均增大，而外膜表面积更大，黏性驱动力矩增大更显著，因此间隙比增大造成环速比增大。随间隙比增加，内层油膜承载能力下降，这是由于内层间隙增大所导致的；但外层油膜承载能力却呈现上升趋势，这是由于一方面平衡温度下降，润滑油黏度增大，另一方面间隙比增大使环速比增大，即浮动衬套转速上升，上述两方面原因共同使外层油膜承载能力上升。3.3.4衬套厚度的影响图 11 给出了衬套厚度（L）对内外层最大油膜压力、平衡温度、环速比、内外膜承载能力的影响。当结构压比为定值时浮动衬套外径不变，通过改变内层结构参数来改变衬套厚度。由图 11 可以看出，随衬套厚度的增大，内层最大油膜压力增大，而外层最大油膜压力几乎不变；平衡温度随衬套厚度的增大呈小幅升高趋势，这是由于衬套厚度增大，使内膜端泄更困难，带走的热量减少；随衬套厚度增大，环速图 9宽径比对滚轮 衬套 滚轮销润滑特性参数的影响图 8浮动衬套表面粗糙度对滚轮 衬套 滚轮销润滑特性参数的影响 72023年第 3期内燃机工程比增大，当载荷为 20 000 N 时衬套厚度由 0.4 增大到 0.6，环速比增大 0.06 左右；由于浮动衬套内径变小，内层油膜承载能力随衬套厚度的增大而下降；外层油膜承载能力几乎不变，这是由于浮动衬套转速与内外层温度变化不大。4结论（1）通过构建混合热弹性流体动压润滑分析模型对船用柴油机供油机构中的滚轮 浮动衬套 滚轮销结构的研究表明，滚轮浮动衬套滚轮销结构内层油膜承载能力远低于外层油膜，该结构润滑性能主要取决于内层油膜润滑状态。（2）在供油机构典型的低速重载工况下，混合润滑与弹性变形对滚轮 浮动衬套 滚轮销结构润滑特性的影响不可忽视。（3）随宽径比增大，内外层油膜承载能力增强，图 11衬套厚度对滚轮 衬套 滚轮销润滑特性参数的影响图 10间隙比对滚轮 衬套 滚轮销润滑特性参数的影响 8内燃机工程2023年第 3期但平衡温度升高；随间隙比增大，外层油膜承载能力增强，内层油膜承载能力稍有下降，平衡温度下降。此外，随浮动衬套厚度增加，外膜承载能力几乎不变，内膜承载能力下降，平衡温度升高，环速比增大。参考文献：1 SONI S，VAKHARIA D P.Dynamic performance analysis of a noncircular cylindrical floating ring bearingJ.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part J：Journal of Engineering Tribology，2017，231（6）：745765.2 PEI S Y，XU H，YUN M，et al.Effects of surface texture on the lubrication performance of the floating ring bearingJ.Tribology International，2016，102：143153.3 杨德全，代玉杰.错位浮环轴承稳定性的边界元分析 J.润滑与密封，2006，12（1）：3840.YANG D Q，DAI Y J.The boundary element analysis of stability in dislocated floating-ring bearing J.Lubrication Engineering，2006，12（1）：3840.4 WANG L K，BIN G F，LI X 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