溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑特性影響機(jī)制?

汪 驥 于鵬法 李 瑞 劉玉君 劉 曉 高 立 李晨龍

（大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院 遼寧大連 116024）

船舶水潤(rùn)滑軸承是一種節(jié)能環(huán)保的滑動(dòng)軸承，水泵、船尾管和水輪發(fā)動(dòng)機(jī)主軸等。與傳統(tǒng)滑動(dòng)軸承不同的是，為了使進(jìn)入開(kāi)式水潤(rùn)滑軸承的泥沙顆?？焖倥懦?，減少泥沙對(duì)于摩擦副間的磨損，同時(shí)為了更快地排出軸承在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，需要在軸承內(nèi)襯材料上開(kāi)出溝槽結(jié)構(gòu)。因此，溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)于水潤(rùn)滑軸承尤其是大型水潤(rùn)滑軸承來(lái)說(shuō)不可或缺。

水潤(rùn)滑軸承發(fā)展至今，已開(kāi)發(fā)了許多結(jié)構(gòu)的溝槽類(lèi)型。按照溝槽結(jié)構(gòu)相對(duì)于軸承的大小可分為深溝槽結(jié)構(gòu)和微溝槽結(jié)構(gòu)。研究表明，形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑后，深溝槽結(jié)構(gòu)的水潤(rùn)滑軸承其水膜壓力在溝槽處不連續(xù)，使得壓力在溝槽處降為表壓為0。微溝槽是指溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于深溝槽的溝槽，對(duì)于微溝槽來(lái)說(shuō)，其在微溝槽內(nèi)部會(huì)形成流體動(dòng)壓效應(yīng)。

在微溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑性能影響的研究方面，學(xué)者們已經(jīng)展開(kāi)了大量的研究。SHINKARENKO等［1］研究了物體表面紋理對(duì)軟彈流潤(rùn)滑性能的影響，指出微體之間的潤(rùn)滑劑會(huì)產(chǎn)生額外的擠壓效應(yīng)。GONG 等［2］建立了水潤(rùn)滑微槽軸承的彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑（EHL）模型，并對(duì)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究了偏心率和軸承材料對(duì)微槽軸承潤(rùn)滑性能的影響。XIE等［3］通過(guò)建立二維模型，詳細(xì)探討了操作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體特征的影響，研究了矩形微腔體內(nèi)的潤(rùn)滑機(jī)制及潤(rùn)滑性能隨腔體結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。SHI 等［4］建立了軸承彈流潤(rùn)滑的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)載荷增量法和有限差分法分析了水潤(rùn)滑橡膠軸承在小擾動(dòng)條件下的動(dòng)態(tài)特性。王家序等［5］對(duì)微溝槽形貌對(duì)水潤(rùn)滑軸承混合潤(rùn)滑特性的影響進(jìn)行了研究，指出由于不同溝槽內(nèi)水膜增壓能力以及抽吸作用的不同引起了水潤(rùn)滑軸承混合潤(rùn)滑性能的差異。GAO 等［6］利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析了不同軸承尺寸下、不同轉(zhuǎn)速下偏心率對(duì)水膜壓力分布的影響，為設(shè)計(jì)高效水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承的初始直徑尺寸的選擇提供了參考。TALA－ IGHIL 和FILLON［7］通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻婕y理幾何形狀和軸承表面上正確的紋理分布，發(fā)現(xiàn)軸承性能的提高主要通過(guò)最小的膜厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，在一定程度上也是通過(guò)增加微觀特征來(lái)實(shí)現(xiàn)提高潤(rùn)滑性能。解忠良、焦春曉等［8－9］從微觀層面探究粗糙峰與軸承潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系，進(jìn)而提出判斷潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變的微觀尺度標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于深溝槽軸承，多位學(xué)者也深入探討了溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響［10－15］。楊利濤［16］通過(guò)建立圓弧型溝槽模型，分析了不同工況及軸承結(jié)構(gòu)下的軸承潤(rùn)滑性能，發(fā)現(xiàn)溝槽處水壓會(huì)出現(xiàn)降低的情況。王楠等人［17］利用有限元軟件，研究了考慮軸瓦變形后的八溝槽水潤(rùn)滑橡膠軸承在不同偏心率和轉(zhuǎn)速下的水膜壓力分布，發(fā)現(xiàn)溝槽對(duì)水膜壓力影響較大。劉宇等人［18］對(duì)軸向開(kāi)槽水潤(rùn)滑徑向軸承的潤(rùn)滑性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，結(jié)果表明：軸向開(kāi)槽軸承壓力分布不連續(xù)，水槽處壓力降低為0；軸承開(kāi)槽后承載能力降低，槽的寬度越大，個(gè)數(shù)越多，軸承的承載能力越小。WANG 等［19］以實(shí)驗(yàn)的方式揭示了全尺寸WSB 的壓力偏差和雙向軸傾斜現(xiàn)象，系統(tǒng)地研究了偏心率、軸傾角和軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)潤(rùn)滑和動(dòng)態(tài)特性的影響，證實(shí)了溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)船用水潤(rùn)滑艉軸承的運(yùn)行性能有很大的影響。

基于以上研究?jī)?nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，相比于深溝槽結(jié)構(gòu)，水潤(rùn)滑軸承的微溝槽結(jié)構(gòu)可以提高軸承的承載能力和局部水壓，改善軸承的潤(rùn)滑性能。然而，不同溝槽尺寸對(duì)水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑特性的差異性影響，目前的研究還難以從原理上去解釋。因此，本文作者以簡(jiǎn)化后的橢圓形溝槽為研究對(duì)象，提出了采用深深比（軸承間隙與溝槽深度的比值）、寬深比（溝槽寬度與溝槽深度的比值）等參數(shù)來(lái)表征水潤(rùn)滑軸承的溝槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值仿真得到溝槽內(nèi)部的壓力輪廓，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水潤(rùn)滑軸承溝槽內(nèi)部流體流動(dòng)特征的影響，分析了溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水潤(rùn)滑軸承摩擦因數(shù)的影響和軸承的潤(rùn)滑機(jī)制。文中通過(guò)CFD 方法從微觀和宏觀層面揭示溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)船用水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑特性影響機(jī)制，為水潤(rùn)滑軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1 分析模型

1.1 流體動(dòng)力學(xué)的控制方程

1.1.1 連續(xù)性方程

在水潤(rùn)滑軸承中，軸承內(nèi)液體的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律，即在單位時(shí)間里流入微元的凈質(zhì)量，等于微元體內(nèi)質(zhì)量的增加率。對(duì)其內(nèi)部的流體作連續(xù)性假設(shè)，假定微溝槽內(nèi)的流體是不可壓縮的、等熱和等黏流體，滿足Navier－Stokes（N－S）方程的要求。由此可推導(dǎo)出連續(xù)性方程（即質(zhì)量守恒方程）的微分表達(dá)式為

式中：ρ是密度；t是時(shí)間；ux、uy、uz是速度矢量u的x、y、z分量。

式（3）即為水潤(rùn)滑軸承適用的連續(xù)性方程。

1.1.2 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒定律表現(xiàn)為在單位時(shí)間里，作用于微元體上的各外力之和，等于流體動(dòng)量的變化率。由此可導(dǎo)出動(dòng)量守恒方程，即運(yùn)動(dòng)方程，又稱(chēng)作N－S 方程，完整形式如下所示：

式中：Fi是微元體上的重力等體力；p是流體微元體上的壓力；τii、τij（i，j＝x、y、z）是微元體表面上黏性應(yīng)力的分量。

對(duì)牛頓流體，有如下關(guān)系式：

式中：λ為第二黏度，取λ＝－2／3；μ為動(dòng)力黏度。

將式（5）代入式（4），得到動(dòng)量守恒方程：

式中：Si（i＝x、y、z）為方程的廣義源項(xiàng)；grad（ui）＝?ui／?x＋?ui／?y＋?ui／?z（i＝1、2、3）。

1.2 流動(dòng)狀態(tài)

軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中尤其是在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其內(nèi)部液體很容易進(jìn)入湍流狀態(tài)。對(duì)于水潤(rùn)滑軸承，由于水的黏度較低，很容易使流體的流動(dòng)狀態(tài)由層流變?yōu)橥牧鳌Ｅ袛嗔黧w流動(dòng)狀態(tài)通常用特征量雷諾數(shù)Re表征。對(duì)于水潤(rùn)滑軸承，雷諾數(shù)定義為以下公式：

式中：ρ是流體密度；v是表面線速度；A是過(guò)流斷面截面積；η是流體的動(dòng)力黏度；x是固體與流體在過(guò)流斷面上接觸的濕周長(zhǎng)。

通常認(rèn)為當(dāng)雷諾數(shù)超過(guò)臨界雷諾數(shù)時(shí)，流體流動(dòng)狀態(tài)便由層流狀態(tài)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。對(duì)于水潤(rùn)滑軸承，出現(xiàn)湍流的臨界雷諾數(shù)Rec為

式中：R為軸頸半徑；c為軸承間隙。

1.3 空化模型

由于水的汽化壓力很低，恒定溫度下，液體壓力降至低于飽和蒸汽壓時(shí)，液體破裂，或溶有的微小空氣泡、氣核，在降壓下長(zhǎng)大且形成氣穴，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是氣液兩相之間的傳質(zhì)相變。在水潤(rùn)滑系統(tǒng)中很容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象?？栈^(guò)程中液相與氣相的質(zhì)量傳遞由以下方程控制：

式中：αv為氣相體積分?jǐn)?shù)；ρv為氣體密度；Rg和Rc表示空化過(guò)程中液相和氣相之間的質(zhì)量傳遞。

1.4 軸承摩擦因數(shù)

依據(jù)以上方程可以求得軸承內(nèi)水膜的壓力分布，對(duì)壓力進(jìn)行積分可以得到軸承在x和y方向上的承載力Fe和Fθ為

水潤(rùn)滑軸承總的承載力為

假設(shè)橡膠軸瓦內(nèi)表面的摩擦力全部由流體內(nèi)部的黏性剪切流引起，對(duì)水潤(rùn)滑軸承進(jìn)行數(shù)值模擬。沿軸頸圓周方向，對(duì)流體的黏性剪切力求積分，得到摩擦力，其計(jì)算式如下：

摩擦因數(shù)計(jì)算式為

2 模型和邊界條件

2.1 模型簡(jiǎn)化

圖1 顯示了文中計(jì)算的模型簡(jiǎn)化過(guò)程。在最終構(gòu)建完成的簡(jiǎn)化模型中，壓力進(jìn)出口模擬軸承在溝槽部位的入水和出水，靜止壁面模擬軸承內(nèi)襯部分，采用滑移壁面來(lái)模擬軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。構(gòu)建局部溝槽有限元分析模型的目的是能更好地顯示溝槽內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)，分析其內(nèi)部流動(dòng)和潤(rùn)滑演變過(guò)程。

橢圓形溝槽是船舶水潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)中最為常見(jiàn)的類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工成型，且過(guò)渡均勻，可以改善溝槽的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，因此文中選擇橢圓形溝槽作為研究對(duì)象。簡(jiǎn)化后的分析模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2 所示，其中l(wèi)為所取模型的長(zhǎng)度，c為軸承間隙，它是軸承表面與軸頸表面之間的距離；a、d分別為溝槽的寬度和深度?；谏鲜龅哪Ｐ秃?jiǎn)化假設(shè)，為探討橢圓形溝槽的幾何參數(shù)對(duì)溝槽內(nèi)部流動(dòng)特征的影響，文中提出了采用如下參數(shù)來(lái)表征水潤(rùn)滑軸承的溝槽結(jié)構(gòu)：

式中：h1為深深比，指軸承間隙與溝槽的深度的比值；h2為寬深比，指溝槽寬度與溝槽深度的比值。

2.2 網(wǎng)格劃分及尺寸無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用有限元法進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，網(wǎng)格單元質(zhì)量和數(shù)量越高，其求解計(jì)算的精度也越高，但卻增加了求解計(jì)算的時(shí)間。為了減小網(wǎng)格數(shù)量和提高求解精度，文中分析計(jì)算的網(wǎng)格采用了高階單元和雙精度仿真。

圖1 展示了簡(jiǎn)化后模型的部分網(wǎng)格局部放大圖。其中所有單元均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元中無(wú)T 形邊和自由邊，在影響網(wǎng)格質(zhì)量的因素中主要為單元質(zhì)量和縱橫比，所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)網(wǎng)格質(zhì)量數(shù)值均為1。在文中對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為0.964、1.09，說(shuō)明該網(wǎng)格為高質(zhì)量的網(wǎng)格，這對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度是有益的。

如圖3 所示，經(jīng)對(duì)不同數(shù)量及不同尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行分析，當(dāng)流體域網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到39 360，網(wǎng)格尺寸為0.005 mm 時(shí)溝槽內(nèi)部最大壓力保持穩(wěn)定，滿足計(jì)算要求。

圖3 網(wǎng)格尺寸無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Mesh－independent size verification

2.3 CFD 前處理

求解過(guò)程中假設(shè)流體是理想流體，并考慮了液體空化問(wèn)題；求解使用簡(jiǎn)化的多相流模型，即Mixture模型，第一相是水相，第二相是水蒸汽相；空化模型為Zwart－Gerber－Belamri 模型，氣相與液相間無(wú)相對(duì)滑移速度，忽略黏度與表面張力，空化壓力為2 340 Pa（絕對(duì)壓力），蒸發(fā)系數(shù)50，冷凝系數(shù)0.01，氣泡直徑0.001 mm，成核部位體積分?jǐn)?shù)0.000 5。文中數(shù)值求解基于壓力求解器，假定潤(rùn)滑狀態(tài)為水浴潤(rùn)滑狀態(tài)。

求解方法選用了基于壓力－速度耦合的SIMPLEC算法，動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行離散，體積分?jǐn)?shù)方程采用QUICK 離散格式。添加y方向上的力監(jiān)測(cè)，當(dāng)殘差達(dá)到所允許的殘差或y方向上的升力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂狀態(tài)。

船舶艉軸表面的線速度主要為0～12.56 m／s，所以在進(jìn)行分析時(shí)將滑移壁面線速度數(shù)值確定在該范圍內(nèi)。

2.4 湍流模型的選擇

通過(guò)計(jì)算得到軸承的雷諾數(shù)與臨界雷諾數(shù)，得出軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中流體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流旋流狀態(tài)。為了更加精確地求解微溝槽內(nèi)部的流體運(yùn)動(dòng)情況，往往需要考慮渦旋黏度的各向異性［20］。Reynolds Stress Model（RSM）算法可以綜合考慮強(qiáng)迫渦和自由渦所形成的組合渦態(tài)，更能模擬出真實(shí)的渦旋及流場(chǎng)，因此選用雷諾應(yīng)力湍流計(jì)算模型。

2.5 模型尺寸無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型尺寸的改變對(duì)分析結(jié)果趨勢(shì)的影響，例如流體跡線和壓力分布等，是否具有相似性，文中采用相同的邊界條件，通過(guò)改變整體模型的大小，對(duì)寬深比為3，深深比為0.03，深度分別為0.5、1、2、4 和8 mm 的溝槽模型進(jìn)行分析。圖4 選取了深度為4 和8 mm 的結(jié)果進(jìn)行展示，對(duì)于其他深度的溝槽結(jié)構(gòu)具有相似的壓力和跡線分布。因此，在考慮實(shí)際的溝槽尺寸范圍內(nèi)，改變模型的大小，其結(jié)果具有相似性。

3 結(jié)果與討論

3.1 速度的影響

圖5 分別顯示了在不同的滑移速度（軸表面線速度）下溝槽內(nèi)部的流體流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)軸承的深深比h1為0.03，寬深比h2為3。依據(jù)水流跡線可以得知溝槽內(nèi)部潤(rùn)滑介質(zhì)的流動(dòng)特征。軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸承間隙內(nèi)的流體向前流動(dòng)，當(dāng)流體到達(dá)溝槽部分時(shí)，高速入流近似為射流狀態(tài)。水流速度在近軸面為軸速，高速前進(jìn)的水流在溝槽內(nèi)部由于無(wú)壁面約束，會(huì)通過(guò)其邊界上活躍的湍流混合將溝槽內(nèi)的流體卷吸進(jìn)來(lái)而不斷擴(kuò)大，并流向溝槽右端，此為進(jìn)入溝槽內(nèi)部水流的自由湍流作用。

圖5 不同速度下溝槽內(nèi)部水流跡線Fig.5 Flow traces inside the trench at different velocities：（a）1 m／s；（b）1.5 m／s；（c）2 m／s；（d）3 m／s；（e）4 m／s

由于入流的自由湍流作用和平行剪切流間的不穩(wěn)定性，水流截面積不斷增大，使得水流在溝槽內(nèi)部沖擊溝槽內(nèi)壁而折返，受到?jīng)_擊的溝槽內(nèi)壁面形成高壓區(qū)。水流在溝槽底部沿著與轉(zhuǎn)速相反的方向流動(dòng)，形成低速回流，并出現(xiàn)了第一個(gè)強(qiáng)迫渦旋1。在該渦內(nèi)，渦核部分水流流速最低，沿渦核向外直到溝槽內(nèi)壁水流速度逐漸增加。流體流動(dòng)的曲率半徑小于溝槽內(nèi)壁面的曲率半徑，小彎的存在使溝槽底部的水流不參與低速回流中，而是受低速回流的影響形成了漩渦3。

水流反向流動(dòng)的過(guò)程中，依據(jù)伯努利定律，溝槽中的水流不斷匯入軸表面的高速水流中，形成循環(huán)，在此期間溝槽內(nèi)部形成了多個(gè)渦旋且會(huì)促進(jìn)溝槽上部的射流。渦旋2 和渦旋3 隨著速度的升高而不斷加強(qiáng)，渦旋2 最終穩(wěn)定在溝槽中上位置，渦3 在生長(zhǎng)的過(guò)程中不斷擠壓渦1 和渦2 使得渦1 逐漸減小，在此期間在渦2 附近形成了流體動(dòng)壓效應(yīng)，產(chǎn)生了承載力。

依據(jù)上述的溝槽內(nèi)部流體流動(dòng)變化過(guò)程，整理得到水潤(rùn)滑軸承深溝槽潤(rùn)滑機(jī)制示意圖如圖6 所示，其中靠近出口的溝槽內(nèi)壁面高壓區(qū)是由于自由湍流的沖擊作用形成的，而非流體動(dòng)壓效應(yīng)。

圖6 水潤(rùn)滑軸承深溝槽潤(rùn)滑機(jī)制Fig.6 Water－lubricated bearing groove lubrication mechanism

低轉(zhuǎn)速下，溝槽內(nèi)部的介質(zhì)水流動(dòng)所形成的渦流較少，水流跡線沒(méi)有太大的彎曲。渦1 的回流使得在溝槽底部和靠近軸的地方再次生長(zhǎng)出小的渦旋。流體速度越大，溝槽底部的渦旋3 的擠壓作用越強(qiáng)。不同寬深比下摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化如圖7 所示，可以得出不同寬深比下摩擦因數(shù)均與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)。

圖7 不同寬深比下摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.7 Variation of friction coefficient with rotational speed at different width－to－depth ratio

3.2 深深比的影響

圖8 顯示了在相對(duì)滑移速度為2 m／s，溝槽的寬深比為2 時(shí)，隨著溝槽深深比的改變，溝槽內(nèi)部的水流跡線。當(dāng)深深比很小時(shí)，強(qiáng)迫渦旋1 的低速回流很容易匯入從軸承間隙出現(xiàn)的射流中。渦旋2 近似為點(diǎn)渦，是一種理想的自由渦。

圖8 不同溝槽深深比下溝槽內(nèi)部水流跡線Fig.8 Flow traces inside the trench for different trench depth ratios：（a） h1＝0.02；（b） h1＝0.1；（c） h1＝0.6；（d） h1＝1

隨著溝槽深深比的增大，軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)軸承間隙內(nèi)水流的文氏效應(yīng)減弱，更少的水流碰撞到溝槽出口端的內(nèi)壁上。在溝槽底部水流反向流動(dòng)的過(guò)程中，不會(huì)生長(zhǎng)出額外的渦旋，此時(shí)渦旋1 變?yōu)樽杂蓽u旋。溝槽深深比越大，來(lái)自軸承間隙的水流沖擊溝槽內(nèi)壁越少，直至深深比超過(guò)某一數(shù)值（見(jiàn)圖8（c））；溝槽內(nèi)水流受間隙內(nèi)水流的影響，渦旋2 脫落，渦旋1 逐漸生長(zhǎng)和擴(kuò)大，直至該渦旋的尺寸大于溝槽的尺寸。自由渦旋1 會(huì)隨著深深比的增大而不斷生長(zhǎng)（見(jiàn)圖8（c）（d）），且其循環(huán)區(qū)域的中心會(huì)先向溝槽出水口再向中心移動(dòng)。

由圖8 所示的水流跡線圖可知，隨著溝槽深深比的增大，即溝槽結(jié)構(gòu)的減小，渦旋1 會(huì)逐漸生長(zhǎng)，直至漩渦尺寸大于溝槽的尺寸，進(jìn)而使得軸承間隙內(nèi)的流體在流經(jīng)溝槽區(qū)域時(shí)由較大的流通面積變?yōu)檩^小的流通面積，在名義上形成了一個(gè)小的楔形區(qū)域，進(jìn)而滿足了流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的條件，在溝槽上部形成了局部的高壓區(qū)，提高了軸承的潤(rùn)滑性能。其潤(rùn)滑機(jī)制如圖9 所示。

圖9 微溝槽提高水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑性能機(jī)制Fig.9 Mechanism of micro－grooves improving the lubrication performance of water－lubricated bearing

圖10 顯示了溝槽深深比對(duì)溝槽內(nèi)部水流壓力的影響，圖中壓力均為表壓?？芍荷钌畋容^小時(shí)，高壓區(qū)域出現(xiàn)在溝槽出水端邊緣位置（見(jiàn)圖10（a）（b）），在渦流的中心區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)域；隨著溝槽深深比的增大，溝槽內(nèi)部流體壓力逐漸升高，直至形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，整個(gè)溝槽內(nèi)部壓差變小且均為正壓（見(jiàn)圖10（c）（d））。

圖10 不同溝槽深深比下溝槽內(nèi)部壓力分布Fig.10 Pressure distribution inside the trench for different trench depth ratios：（a） h1＝0.02；（b） h1＝0.1；（c） h1＝0.6；（d） h1＝1

由圖10 可得，當(dāng)溝槽深深比為0.6 時(shí)，溝槽內(nèi)的水壓達(dá)到最大值；隨著深深比再度增大，溝槽內(nèi)水壓反而會(huì)減小。因?yàn)闇u旋1 的生長(zhǎng)速度會(huì)變得越來(lái)越慢，故而在該部分所形成的流體動(dòng)壓作用會(huì)先增大后減小。因此，溝槽深度與軸承間隙之間存在一個(gè)最佳的深深比。

圖11 顯示了不同溝槽深深比下溝槽內(nèi)部的渦流黏度?？芍S著深深比的增加，渦流黏度減小，即溝槽內(nèi)部湍流強(qiáng)度逐漸減弱。圖12 顯示了不同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨深深比變化的曲線?？梢?jiàn)，隨著深深比的增加，即溝槽結(jié)構(gòu)的減小，摩擦因數(shù)先減小而后增大；深深比為20～50 時(shí)摩擦因數(shù)增加較緩慢，深深比超過(guò)50 后摩擦因數(shù)增加變快；在深深比為2～5 時(shí)摩擦因數(shù)具有最小值。

3.3 寬深比的影響

圖13 顯示的為滑移壁面相對(duì)滑移速度2 m／s 時(shí)，隨著溝槽寬深比的改變溝槽內(nèi)部的水流跡線。當(dāng)寬深比很小時(shí)，只存在一個(gè)準(zhǔn)強(qiáng)迫渦旋1（見(jiàn)圖13（a））；由于文氏效應(yīng)的存在，渦旋1 的回流不斷匯入高速水流中（見(jiàn)圖13（b）—（d））。當(dāng)溝槽深度增大時(shí)（即寬深比減?。?，軸表面高速水流對(duì)溝槽內(nèi)流體的文氏效應(yīng)減弱的同時(shí)，流體流動(dòng)的曲率半徑小于溝槽內(nèi)壁面的曲率半徑，形成小彎，使位于槽底的自由渦旋2 和溝槽回流區(qū)域負(fù)壓區(qū)的增大（見(jiàn)圖13（b）—（d））。

圖14 顯示了寬深比對(duì)溝槽內(nèi)部水流壓力的影響，圖中壓力均為表壓。由于文中分析時(shí)所采用的深深比較小，所以高壓區(qū)域出現(xiàn)在溝槽右上位置，漩渦的中心區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)域。隨著寬深比的減小，溝槽內(nèi)部最低水壓數(shù)值變化不大，低壓區(qū)所占的比例范圍會(huì)擴(kuò)大。因此，溝槽深度越大，溝槽內(nèi)部水壓越小，軸承的潤(rùn)滑性能越差。

圖14 不同寬深比下溝槽內(nèi)部壓力分布Fig.14 Pressure distribution inside the trench for different widthto－depth ratios：（a） h2＝7.5；（b） h2＝5；（c） h2＝3；（d） h2＝2.5

圖15 顯示了不同溝槽寬深比下溝槽內(nèi)部的渦流黏度。溝槽內(nèi)流體黏度隨溝槽寬深比的減小而減小，表征了湍流效應(yīng)的減弱，即流體對(duì)流動(dòng)所表現(xiàn)的阻力越來(lái)越小。

圖15 不同寬深比下溝槽內(nèi)部渦流黏度Fig.15 Vortex viscosity inside the trench with different width－todepth ratios：（a） h2＝7.5；（b） h2＝5；（c） h2＝3；（d） h2＝2.5

3.4 水潤(rùn)滑軸承溝槽內(nèi)部壓力分布

通過(guò)創(chuàng)建具有溝槽結(jié)構(gòu)的水潤(rùn)滑軸承分析模型，探究溝槽內(nèi)部的壓力分布。所采用的溝槽結(jié)構(gòu)為橢圓形溝槽，軸承和溝槽的具體參數(shù)如表1 所示，設(shè)定軸承的偏心率為0.5。圖16 展示了當(dāng)轉(zhuǎn)速250 r／min時(shí)，水潤(rùn)滑軸承內(nèi)部水域壓力分布云圖。

表1 軸承和溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of bearings and grooves

圖16 軸承內(nèi)部水域水膜壓力分布Fig.16 Water film pressure distribution in the internal waters of the bearing

通過(guò)對(duì)溝槽內(nèi)流體流動(dòng)得出的結(jié)論，如圖6 所示，溝槽內(nèi)部高壓區(qū)會(huì)出現(xiàn)在靠近溝槽出口的位置。圖17 展示的分別為某高壓和某低壓區(qū)溝槽內(nèi)壁面的水壓分布情況，顏色所代表的壓力范圍與圖17 相同。圖17 中軸的轉(zhuǎn)速方向?yàn)閺较蚍较蛳蛳?。?jīng)驗(yàn)證溝槽內(nèi)壁高壓區(qū)域出現(xiàn)在溝槽出口端，溝槽底部大部分為低壓區(qū)域，與文中潤(rùn)滑理論相吻合，從而驗(yàn)證了文中潤(rùn)滑理論的準(zhǔn)確性。

圖17 某高壓區(qū)溝槽（a）和某低壓區(qū)溝槽（b）內(nèi)壁面壓力分布Fig.17 Pressure distribution on the inner wall surface of a trench in the high－pressure area（a）and a trench in the low－pressure area（b）

4 結(jié)論

建立簡(jiǎn)化后的船舶水潤(rùn)滑軸承溝槽模型，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水潤(rùn)滑軸承溝槽內(nèi)部流動(dòng)特征的影響，揭示溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)船用水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑特性的影響機(jī)制。主要結(jié)論如下：

（1）軸轉(zhuǎn)速越高，溝槽內(nèi)位于溝槽底部的渦旋會(huì)逐漸生長(zhǎng)，其擠壓溝槽內(nèi)部其余渦旋和水域的能力越強(qiáng)。

（2）當(dāng)溝槽結(jié)構(gòu)很小時(shí)，溝槽內(nèi)部的水流形成一個(gè)單獨(dú)的大渦旋，該渦旋的尺寸大于溝槽尺寸。來(lái)自軸承間隙的水流在流經(jīng)溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)形成楔形收斂區(qū)，形成微動(dòng)效應(yīng)，提高了該部分的水膜壓力和軸承承載能力。

（3）溝槽寬深比越小，即溝槽深度越大，溝槽內(nèi)部水流更容易形成多個(gè)渦旋，在降低流體黏度的同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步增加溝槽內(nèi)的負(fù)壓區(qū)范圍，使軸承水膜的壓力不連續(xù)。