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《船用发动机主轴承润滑分析及优化》综合应用润滑分析理论，系统论述船用发动机主轴承的润滑机理及润滑特性分析方法等内容，深入总结作者团队近年来在船用发动机主轴承润滑特性分析技术方面的工作成果。《船用发动机主轴承润滑分析及优化》系统阐述船用柴油机主轴承润滑的关键技术，内容涵盖滑动轴承润滑理论基础、主轴承瞬态混合润滑分析方法及性能影响因素；深入探讨主轴承磨损与润滑的耦合作用机制，并引入*轴振动边界影响下的润滑特性分析；*后基于智能优化算法，从表面织构设计角度提出主轴承润滑性能的优化策略。《船用发动机主轴承润滑分析及优化》配有电子彩图，请扫封底二维码查阅。
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目录前言第1章 船用柴油机主轴承概述 11.1 船用柴油机主轴承工作特点 11.2 船用柴油机主轴承主要结构参数 21.3 船用柴油机轴承润滑特性参数及影响因素 31.3.1 船用柴油机轴承润滑特性参数 31.3.2 影响轴承润滑状态的主要因素 41.4 船用柴油机主轴承常见失效形式 51.5 船用柴油机轴承常用材料及其特点 61.5.1 材料性能要求 61.5.2 主轴承常用合金材料及其特点 7参考文献 7第2章 船用柴油机滑动轴承润滑理论基础 82.1 润滑状态分类 82.2 润滑油及其特性 102.2.1 润滑油密度 102.2.2 润滑油黏度 112.3 雷诺方程及润滑承载机理 162.3.1 雷诺方程基本假设 162.3.2 雷诺方程推导 162.3.3 润滑承载机理 202.4 滑动轴承润滑油膜几何厚度方程 212.5 滑动轴承润滑边界条件 222.6 滑动轴承雷诺方程及其数值解 242.6.1 滑动轴承雷诺方程形式 242.6.2 滑动轴承雷诺方程数值解 252.7 滑动轴承流体润滑特性参数 27参考文献 28第3章 船用柴油机主轴承瞬态混合润滑分析方法 293.1 计入热机耦合的微凸体接触模型 293.1.1 材料热力学特性试验 293.1.2 材料本构模型 353.1.3 微观热机耦合接触特性 423.2 润滑模型 543.2.1 瞬态平均雷诺方程 543.2.2 膜厚方程 553.2.3 能量方程 573.2.4 轴颈运动方程 583.3 润滑模型求解 583.3.1 温度场求解 583.3.2 热边界条件快速计算 613.3.3 运动方程求解 633.3.4 润滑求解流程 643.4 润滑模型验证 65参考文献 67第4章 典型船用柴油机主轴承润滑特性分析 694.1 船用柴油机主轴承载荷分析 694.1.1 船用柴油机基本参数 694.1.2 柴油机*柄连杆机构运动及受力计算 704.1.3 *轴-主轴承载荷计算 724.2 船用柴油机额定工况下主轴承瞬态润滑特性分析 784.2.1 半径间隙对润滑性能的影响 794.2.2 润滑油黏度对润滑性能的影响 804.2.3 转速对润滑性能的影响 814.3 船用柴油机启动工况下主轴承瞬态润滑特性分析 824.3.1 半径间隙对润滑性能的影响 834.3.2 进油温度对润滑性能的影响 844.3.3 启动时长对润滑性能的影响 86参考文献 87第5章 船用柴油机主轴承磨损与润滑完全耦合特性分析 885.1 主轴承磨损与润滑耦合分析方法 885.1.1 主轴承磨损机理研究 885.1.2 主轴承磨损与润滑动态耦合分析模型构建 915.1.3 瞬态润滑与磨损耦合模型验证 965.2 额定工况下主轴承磨损与润滑特性分析 975.2.1 额定工况下主轴承磨损特性分析 975.2.2 考虑时变磨损影响的主轴承润滑特性分析 995.3 启动工况下主轴承磨损与润滑特性分析 1015.3.1 启动工况下主轴承润滑特性分析 1015.3.2 不同启动次数下主轴承磨损及润滑特性分析 103参考文献 106第6章 *轴振动边界影响下的主轴承润滑特性分析 1076.1 *轴三维耦合振动分析 1076.1.1 *轴纵弯扭三维耦合振动模型 1076.1.2 基于传递矩阵法的*轴纵弯扭三维耦合振动计算方法 1186.1.3 实机气缸爆压激励下*轴三维耦合振动特性 1216.2 *轴振动边界下的主轴承润滑特性分析 1266.2.1 考虑*轴振动特性的主轴承润滑分析方法 1266.2.2 *轴振动对主轴承润滑特性的影响规律 127参考文献 133第7章 基于粒子群优化算法的主轴承表面织构优化设计 1347.1 基于PSO算法的表面织构减摩设计 1347.1.1 PSO算法分析流程 1347.1.2 固定偏心率下的表面织构减摩设计 1377.1.3 不同偏心率下的表面织构减摩设计 1407.1.4 不同转速下的表面织构减摩设计 1417.2 基于PSO算法的表面织构减振设计 1437.2.1 基于PSO算法的表面织构减振优化设计流程 1437.2.2 不同载荷下的表面织构减振设计 1457.2.3 不同转速下的表面织构减振设计 1467.3 基于MOPSO算法的表面织构多目标设计 1487.3.1 基于MOPSO算法的表面织构多目标设计流程 1487.3.2 不同载荷下的表面织构减摩-减振设计 1517.3.3 不同转速下的表面织构减摩-减振设计 154参考文献 155
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第1章船用柴油机主轴承概述 按照工作循环（一次燃烧活塞行程次数）来分，船用柴油机主要分为二冲程及四冲程两种。二冲程与四冲程柴油机主轴承在工作条件与材料选型等方面存在一定差异。二冲程柴油机一般以低速机为主，其主轴承尺寸较大，比压相对较小，主轴承材料（合金层）多选用巴氏合金；四冲程柴油机一般以中高速机为主，主轴承尺寸较小，比压相对较大，主轴承合金层材料多选用铜合金或铝合金。本章主要聚焦主轴承润滑分析方法，探讨船用柴油机主轴承润滑共性技术，旨在为不同类型船用柴油机主轴承润滑设计提供技术支撑。 1.1 船用柴油机主轴承工作特点 柴油机动力装置凭借其优异性能，被广泛应用于商船、渔船和军用舰船等现代船舶中，具有以下优势[1-3]。 （1）经济性高。柴油机的耗油率［kg/(kW？h)］远低于蒸汽和燃气动力装置，较低的耗油率能够显著提高柴油机船舶续航力，减少燃油储备量，增加运营排水量，提升经济性。 （2）单位重量轻。使用柴油机的船舶无须配备主锅炉、燃烧器及工质运输管道等辅助设备，简化了机舱布置，减少了非营运排水量。 （3）良好的机动性和操作性。柴油机启动方便，能在短时间内实现正倒车，停车过程也非常迅速。 *轴是柴油机关键部件之一，其作用是将燃烧室内燃油燃烧所做的功以扭矩形式输出，从而驱动船舶航行。*轴与主轴承是船舶重要摩擦副之一，其润滑性能直接影响设备的经济性、可靠性和安全性等关键指标[4，5]。例如，当船舶在风浪较大的水域航行时，*轴会产生轴颈倾斜等不规则运动，导致主轴承内表面与*轴发生接触，从而主轴承发生润滑失效的风险增加，而主轴承润滑失效会严重影响船舶柴油机安全性[6]。 柴油机主轴承有以下工作特点[7，8]。 （1）载荷动态变化。柴油机主轴承所受载荷随着*柄转角周期性变化，交变载荷在轴承表面产生交变应力，容易导致主轴承出现疲劳失效故障。 （2）相对运动速度变化大。轴颈摩擦副运转过程中，相对运动速度变化较大，可能出现瞬时有效角速度为零的时刻，此时轴承表面油膜厚度较小，可能导致轴颈与轴承表面瞬时接触，易出现磨损故障。 （3）工作温度较高。柴油机主轴承受燃烧室高温和摩擦热的共同作用，表面温度较高，而较高的温度会降低润滑油黏度，降低轴承材料的机械性能，增加黏着磨损发生概率。 （4）润滑油污染变质。润滑系统中润滑油受燃烧产物和冷却系统的影响，易受到水分、杂质的污染或发生添加剂分解，导致润滑油稀释、老化、变质，进而导致主轴承表面腐蚀磨损。 1.2 船用柴油机主轴承主要结构参数 在船用柴油机主轴承润滑分析及设计中，涉及的主要结构参数如下[9，10]。 （1）主轴承直径和宽度。确定主轴承直径和宽度主要依据柴油机外形尺寸要求、*轴刚度、润滑油膜的承载能力和轴承的疲劳强度等。 （2）径向间隙。径向间隙的确定主要依据以下因素：①油膜润滑状态。在一定范围内，减小相对间隙可获得更厚的润滑油膜，但相对间隙过小会导致润滑油流量减小、温度升高、黏度下降。因此，应根据不同柴油机主轴承选择合适的相对间隙。②装配及工作条件。如果轴承孔和轴颈的装配条件及工作条件能严格控制并保证定位精度，可选用下限值；反之，则需放大间隙。③加工条件。综合考虑加工水平和经济性，确定合理的间隙公差范围。④轴承合金材料。巴氏合金顺应性好，可选用较小间隙值；铅合金及铅青铜合金顺应性差，应取较大值；铝基合金膨胀系数较大，也应选用较大值以减少启动咬黏现象。 （3）轴承不同组成部分厚度。轴承不同组成部分厚度具体包括：①主轴承壁厚。当前船用柴油机趋向于使用较小壁厚的主轴承，以减小尺寸、减轻重量、增大轴颈刚度。主轴承壁厚应综合考虑轴承配合要求及油孔、油槽布置等因素。②合金层厚度。减小合金层厚度能提升其抗疲劳能力。③镀层厚度。镀层能提升轴承表面的抗磨损性，但镀层过薄无法满足需求，过厚则易脱落。 （4）油孔、油槽设计。润滑油通过油孔和油槽流至工作表面或下一润滑部位。油槽确保润滑油在间隙空间连续流动，布满轴承表面，但油槽会破坏油膜压力，一定程度上降低轴承承载能力。因此，油孔油槽尺寸及位置应慎重确定，以确保供油的连续性和充分性。油槽通常开在非承载区，如主轴承的上轴瓦和连杆大端轴承的下轴瓦。*柄销上的油孔一般应开在*小油膜厚度位置之前，以确保油膜的连续性与稳定性，并在*轴边缘进行光滑过渡或倒角处理，以避免中断油流。 1.3 船用柴油机轴承润滑特性参数及影响因素 1.3.1 船用柴油机轴承润滑特性参数 1.油膜厚度 *小油膜厚度是评价主轴承润滑性能的关键指标，其会随不同*柄转角而发生变化，如图1-1所示（c为半径间隙），它反映了主轴承的润滑状况，而相关润滑特性会极大地影响船舶柴油机的输出效率和安全运行。在工作过程中，如果*小油膜厚度过小，低于轴颈和主轴承表面粗糙度之和，将导致主轴承和轴颈部分区域直接接触，此时整体润滑状态较差，易发生润滑失效。 图1-1 某低速机主轴承*小油膜厚度与*柄转角的关系 2.油膜压力 油膜压力是主轴承正常工作中的主要承载来源，对于柴油机主轴承而言，最大油膜压力决定了轴承的承载能力，直接影响其可靠性。通过分析油膜压力分布，可以确定主轴承的主要承载区，这对于主轴承油槽和油孔位置的设计具有重要指导意义。某机型主轴承最大油膜压力随*柄转角变化如图1-2所示。 3.轴心轨迹 轴心轨迹用于描述轴承工作周期内任意时刻的轴颈位置，并反映油膜形态，是确定润滑状态的重要指标，如图1-3所示。在轴承设计、柴油机性能及故障分析中，轴心轨迹具有重要的研究意义。通过分析轴心轨迹和*小油膜厚度，可以识别润滑不良的区域。此外，轴心轨迹还可用于判断是否存在穴蚀风险。总之，轴心轨迹是研究柴油机主轴承润滑性能的一个重要参数。 1.3.2 影响轴承润滑状态的主要因素 （1）轴承载荷。载荷计算是主轴承润滑分析的基础。柴油机正常工作时，在同一时刻，*轴上各*拐转角不同，因此各轴承受载情况也不同。载荷按其作用方向可分为水平载荷和垂直载荷，如图1-4所示。 （2）有效角速度。*轴的角速度变化会影响润滑油膜的形成和稳定性。 （3）轴承间隙。轴承间隙大小直接影响油膜厚度和润滑效果。过小的间隙可能导致油膜破裂，而过大的间隙则会降低油膜的承载能力。 （4）润滑油黏度。润滑油黏度影响润滑油膜的承载能力和流动性，黏度过低会导致润滑效果不佳，而黏度过高则会增加摩擦阻力。 （5）油流量。充足的油流量能够确保润滑油膜的持续供应和冷却效果，油流量不足会导致润滑不良和温度升高。 （6）主轴承结构形式。不同的主轴承结构设计会影响润滑油分布和流动，进而影响润滑效果。 在设计和分析柴油机主轴承时，应综合考虑轴承载荷、有效角速度、轴承间隙、润滑油黏度、油流量以及主轴承结构等多方面因素，才能更准确地评估轴承的工作状态和可靠性，确保轴承的安全可靠运行。 1.4 船用柴油机主轴承常见失效形式 轴承常见的失效形式包括磨损、疲劳剥落和气蚀等。 （1）磨损：磨损是轴承失效*常见的形式之一。磨损不仅是一个结果，也是一个动态变化的过程。通过研究磨损机理和磨损过程，找出导致磨损的原因，可以制订减少磨损、延长轴承寿命的措施。从图1-1中可以清楚地看到油膜*薄的部位，即*可能发生*轴-主轴承接触的部位，这些部位可能处于混合摩擦状态，通常发生在主轴承下半瓦。在设计主轴承时，需要特别注意这些部位。如果实际磨损部位与轴心轨迹图的判断一致，说明轴承设计参数选择不当，需要修改设计参数。如果不一致，则可能是润滑油变质、滤清器失效、加工精度不足或操作不当等原因导致的。 （2）疲劳剥落：疲劳剥落是另一种常见的轴承失效形式。通过计算柴油机一个工作循环中的油膜压力，可以给出油膜压力分布以及油膜压力峰值随*柄转角的变化规律。轴承表面发生疲劳剥落的原因是油膜压力峰值超过了材料疲劳强度，导致合金表面层产生疲劳裂纹。峰值油膜压力及其作用部位就是容易发生轴承疲劳剥落的部位。 （3）气蚀。气蚀是一种特殊的损坏过程，是指空气气泡爆破冲击侵蚀固体表面的过程。流体中的微气泡在低于汽化压力时集聚变大，在高压恢复的瞬时剧烈爆破，形成高频微喷射冲击波，冲蚀工作表面，导致材料变形、疲劳，最终剥落，形成气蚀凹坑或麻点。气蚀可分为流动气蚀和波动气蚀，这两种气蚀在柴油机轴承中都有出现。①流动气蚀：发生在润滑油在油道中流动时遇到油道截面突然变化处。油膜瞬时被切断，局部瞬时低压导致微气泡集聚，受到高压作用爆破，形成气蚀。常发生在轴承油孔口附近或油槽边缘区，预防方法是油孔口及油槽边缘用光滑圆弧或倒角过渡。②波动气蚀：轴颈在高速旋转中某瞬时突然高速向心运动，由于润滑油来不及立刻补充油隙空间，呈现瞬时低压状态，形成空气气泡，高压恢复后气泡爆破，冲蚀轴承表面。通过轴心轨迹图，可以分析轴颈的运动轨迹，找出气蚀可能发生的部位，并改变相应的运动参数，改善轴心轨迹图的走向，消除气蚀现象。 1.5 船用柴油机轴承常用材料及其特点 1.5.1 材料性能要求 柴油机滑动轴承的工作条件十分苛刻，柴油机输出功率要求不断提高，对轴承材料性能的要求也在逐步提高[11，12]。理想的滑动轴承材料应满足以下主要性能要求：①高疲劳强度，指轴承材料在无限多次交变载荷作用下不会产生疲劳破坏。为避免疲劳剥落，要求主轴承材料具有较高的疲劳强度；②良好摩擦相容性，材料在摩擦过程中表现出低黏着倾向，减少磨损，延长设备寿命；③良好顺应性，材料能通过弹性或塑性变形缓解*轴挠*或轻微不对中的影响；④良好嵌入性，材料能嵌入硬质微粒，减轻轴颈和轴承表面之间的擦伤与磨损；⑤良好耐蚀性，材料能抵抗润滑油及添加剂在高温下氧化生成的有机酸和氧化物等；⑥高承载能力，材料能在不发生过度摩擦、磨损和疲劳损伤情况下承受较大载荷；⑦低线膨胀系数，确保轴承间隙在工作中具有一定稳定性，避免在高温下轴承间隙减小至危险程度；⑧良好工艺性能，材料与钢背能形成牢固黏结，具有良好的流动性和切削性。 上述性能中，*重要的是疲劳强度、摩擦相容性、顺应性、嵌入性和耐蚀性，统称为“表面特性”。由于单一材料无法完全满足所有要求，现代轴承往往采用多层结构：薄表面镀层提供所需表面性能；中间的减摩合金提供高疲劳强度和承载能力；高强度瓦背增强刚度和强度，并减少轴承与轴承座间的热膨胀差异。
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