1、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 Elastohydrodyna
2、mic 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.
3、，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 s
4、peed 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 b
5、ushing 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 th
6、e 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，t
7、he 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 s
8、urface 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）03-0001-0944
9、0027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，
10、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
11、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
12、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
13、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，
14、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
15、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
16、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（
