袁成清，白秀琴，郭智威，严新平

(武汉理工大学a.船舶动力工程技术交通行业重点实验室；b.国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所，武汉 430063)



基于摩擦学的船舶动力系统能效提升研究

袁成清，白秀琴，郭智威，严新平

(武汉理工大学a.船舶动力工程技术交通行业重点实验室；b.国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所，武汉 430063)

从船舶能效提升的角度分析船舶柴油机缸套-活塞环、艉轴承等船舶关键摩擦部件的磨损控制技术，以及船体表面仿生、新材料等的节能减阻技术，分析构建船舶动力能效、船体表面阻力和航速的协同与调控体系，为船舶动力系统的能效提升提供必要的理论依据和解决方法。

船舶动力系统；能效提升；摩擦学

2009年12联合国气候大会召开以后，降低大气中CO2的含量及有效开发利用CO2越发引起了各国、各行业的普遍重视。国际海事组织(IMO)于2011年7月15日的海上环境保护委员会(MEPC)第62届会议通过了MARPOL公约附则Ⅵ修正案，新增第四章“船舶能效规则”，要求新船和重大改建船应满足该附则关于“船舶能效设计指数(EEDI)”和“船舶能效管理计划(SEEMP)”的要求；对于现有船要求满足该附则关于SEEMP 的要求[1]。自2013 年1月1日起强制实施，对任何驶往其他缔约国管辖范围的港口或近海装卸站的总吨位400及以上的船舶，在按要求进行检验后，应在其开航前由主管机关或经其正式授权的任何组织为其签发《国际能效证书》(IEEC)。船舶在正常航行过程中，由于船舶主机、船舶轴系等船舶动力系统的摩擦损失，以及克服船体表面的空气阻力和船体与界面之间的摩擦阻力等所造成的损失等因素存在，导致用于驱动船舶正常运行的能量只占船用燃料所提供能量的21.5%[2]。在这样的大环境下，通过船舶减摩、减阻等的研究进而提升船舶能效，是当前的研究热点之一。本文在分析船舶能量消耗分布情况的基础上，从摩擦学的角度对各能耗部件进行分析，并将各摩擦部件的减摩、减阻技术与船舶航行环境等外界因素的影响综合考虑，具体说明基于摩擦学及航行环境协同作用的船舶能效提升方法。

1　船舶能量消耗分布及主要影响因素

2012年9月20日，中国船级社绿色船舶重点科研项目“船舶耗能设备及系统能耗分布与评价体系研究”在北京通过专家评审。其研究表明：从分析数据可以得出，三大主力船型船舶能量有效利用百分比约为32%，存在较大节能空间；从初级能量消耗端看，主机占全船化石能量消耗的75%左右，是主要耗能设备；从能量损失角度看，主副机排烟和冷却损失约占全船总能量损失的50%；从能量有效做功方面看，船舶推进做功约占总有效做功的50%[3]。因此，通过提高主机效率、提高推进效率、降低船体阻力等对船舶的节能、减排以及能效提升起到重大影响。

从摩擦学的角度讲，船舶在正常航行过程中，由于船舶主机、轴系等船舶动力系统的摩擦损失，以及克服船体表面的空气阻力和船体与界面之间的摩擦阻力等所造成的损失等因素存在，其各关键摩擦系统的摩擦性能均是影响船舶能效的重要因素。

另一方面，对于数量庞大的在航船舶，还会受到航速、航线等通航环境变化的影响，充分、合理地利用船舶营运节能手段，可以有效地提高营运能效。因此在船舶能效提升问题研究的过程中，不仅要考虑船舶摩擦部件的减摩、减阻等摩擦学问题，同时还应关注通航环境等因素对船舶能效的影响。

2　船舶内摩擦与能效提升

船舰的内摩擦主要体现在船舰动力机械的关键摩擦副上。船舶动力系统中的关键摩擦部件主要包括船舶柴油机、传动设备以及艉轴承等。船舶柴油机中最关键的摩擦部件为缸套-活塞环摩擦副。现以船舶动力系统中的关键摩擦副缸套-活塞环和艉轴承为例来研究其磨损控制方法与技术。

2.1船舶柴油机缸套-活塞环

缸套-活塞环摩擦副的润滑性能对内燃机的排放与功耗起到至关重要的影响[4]。润滑性能好则缸套与活塞环之间的摩擦力小，对缸套与活塞环的磨损也较小，同时摩擦功耗也相应减小；当摩擦副之间的润滑性能较差时，摩擦副之间的摩擦力会变得很大，同时润滑不良也会导致内燃机运行状态不稳定，增大摩擦功耗。

目前对缸套-活塞环摩擦副的研究主要有以下几个方面：①摩擦副的选择，进行多种组合的摩擦副匹配研究，找到最优的选配方案；②基于润滑理论，研究缸套-活塞环之间的润滑状态，提升摩擦副的润滑性能；③对缸套内表面或者活塞环外表面进行表面工艺的处理，加工织构或者表面强化处理等；④摩擦磨损模型的研究，发现其磨损特性，为实际使用提供指导；⑤新型生物润滑剂的开发以及极压抗磨剂的研制[5-8]。

上述研究发现，缸套与活塞环接触面上设置不同形貌是改善摩擦润滑一个较好的途径，能够起到改善摩擦学特性的作用。但是大多研究存在表面纹理结构单一、加工手段以激光加工为主的情况，并且对于缸套和活塞环之间润滑油膜的监测技术与方法的研究还很少涉及。因此，进行基于不同表面纹理结构、不同加工方式并同时考虑润滑油膜特性的柴油机缸套-活塞环磨损控制试验研究，对该摩擦副的减摩，以及能效提升等具有重大的意义。下面用一个案例来阐述基于表面纹理结构来调控摩擦磨损。

选取利用化学刻蚀和精密机械加工的规则凹坑和V形槽缸套切片及未经后期处理的原始缸套切片作为试验对象，在MWF-10微机控制往复摩擦磨损试验机上进行试验，进而分析不同加工方式、不同表面纹理结构以及不同运行工况对柴油机缸套-活塞环摩擦副磨损性能的影响。以机械加工V形槽、200 r/min为例，在剔除磨合阶段后，摩擦系数变化的试验数据见图1。

图1　机械加工V形槽200 r/min时摩擦系数

由图1可见，不同载荷条件下，摩擦副进入稳定摩擦阶段的时间不同，200 N载荷时约3 600 s；400 N载荷时约4 900 s；600 N载荷时约5 300 s。同时，在一定转速的机械加工表面V型槽结构下，载荷对摩擦副的磨合时间有一定的影响，并且400 r/min时该摩擦副的摩擦系数变化最为稳定，平均摩擦系数最小，约为0.045。

表1　200 r/min，不同加工方式凹坑在不同载荷下的磨损表面形貌

在200 r/min条件下分析不同加工方式的凹坑对缸套的磨损性能的影响，表1为试验后缸套磨损表面形貌图片。通过分析可知，200和400 N时，化学刻蚀凹坑形貌的表面划痕多于机械加工的；600 N时，机械加工凹坑形貌的表面划痕多于化学刻蚀加工的。因此，表面纹理加工方式对缸套-活塞环的摩擦性能有一定的影响，并且载荷对其影响起一定的作用。

润滑油膜厚度的大小直接影响到摩擦副之间的润滑状态，进行润滑油膜的研究能够改善摩擦表面的工作状态，提高其耐磨性与使用寿命，同时通过润滑油膜厚度的测量也能够判断润滑状态的优劣，指导操作人员进行必要的维护和保养。目前，用于测量油膜厚度的方法主要有电阻法、电容法、光干涉法、超声波法等多种方法，各方法也都有其优缺点，然而由于应用的限制以及试验器材的制约，并没有一个应用于各种设备的万能测试方法。本文尝试在试验台架上搭建基于接触电阻技术的缸套-活塞环之间油膜厚度测量系统，其中以转速为200 r/min下不同表面加工方式凹坑的油膜测量为例，该工况下各油膜实时变化见图2。由图2可见，在该运行工况下，化学刻蚀加工表面的接触电阻阻值比机械加工表面的小，即该工况下，机械加工凹坑的摩擦性能更优越。影响柴油机缸套-活塞环的摩擦特性的因素有很多，因此在研究的过程中要针对特定的柴油机运行工况展开研究。同时，在缸套-活塞环的磨损控制研究方面，表面纹理结构的加工方式也是影响其性能的一个关键因素。

图2　200 r/min，不同加工方式凹坑的接触电阻实时数据

2.2船舶艉轴承

水润滑艉轴承的工作条件十分恶劣，既要承受螺旋桨回转时的不均匀悬臂负荷及螺旋桨偶然碰到障碍物时的动力负荷，又要承受艉轴和螺旋桨重量及运转过程中可能发生的附加振动力。特别是低速重载下轴与轴承之间不能形成有效的水膜，往往处于混合润滑甚至干摩擦状态，在船舶启停状态下尤为严重[9]。因此，对水润滑艉轴承材料的自润滑结构的设计，以及其特殊工况下摩擦磨损规律和机理的研究，有助于缓解水润滑尾轴承的干摩擦状态，从而提高船舶整机的效率、寿命与安全性能。

水润滑艉轴承材料以及结构设计发展到今天，绝大多数都是进行水润滑橡胶轴承弹性流体动压润滑分析，并基于该原理阐述其润滑机理。但是，实验结果发现，橡胶材料对其润滑性能影响显著；同时，在水润滑艉轴承材料设计方面主要是在橡胶或高聚物中添加其他材料来提高艉轴承的整体性能。对于艉轴承材料内部自润滑结构及其摩擦润滑特性的研究还未提及[10-14]。但是其关键的问题是在低速工作状态下难以保证其良好的润滑性和平稳性。铁梨木是最早广泛应用船舶艉管轴承的材料，它含有26%的树脂、28%的树脂精汁、1%的硬树脂和0.8%的苦性精汗，精汗与水能形成乳状液体，具有较好的自润滑作用，由于乳状液体的形成增加了水膜的承载能力，因此艉轴承系统的运行比较平稳[9]。但铁梨木材料较软，耐磨性不高，抗泥沙冲击性差，在比压和使用温度上也有较大限制，更重要的是现铁梨木资源日见枯竭。因此，近些年来橡胶和高聚物的船舶尾轴承得到了很大发展，并取得了重要应用。橡胶和高聚物轴承虽然具有较好的耐磨性，在中、高速下可以形成较好的水膜，但不像铁梨木会有乳状液体形成，因此水膜的承载能力相对较弱，特别是在低速下，自润滑性能较差。仿生学的出现为这一问题的解决给出了新的希望。

微胶囊(microcapsule)结构是通过成膜材料包覆分散性的固体、液体或气体而形成具有核-壳结构微小容器的技术，广泛应用于医药、食品和工业自修复材料等领域[15]。国外的研究主要是借鉴其微观结构体系的完整性作为摩擦学系统的建模工具，如基于晶格的元胞自动机作为摩擦接触中建模工具以研究润滑连续动力学或摩擦边界层问题[16]。国内对微胶囊结构的研究大多集中在医学或人工关节制备方面[17]，但是随着仿生学的逐步发展，其应用也逐步向工程领域发展。潘建梅[18]利用环氧树脂和甘蔗渣复合制备了具有生物管状多胶囊结构的木制陶瓷，并对其烧结温度及甘蔗渣含量对摩擦系数和抗压强度的影响进行了研究。武汉理工大学刘佐民教授在自润滑材料制备、数值模拟，以及试验研究方面做了大量的工作，其中以硅油为基，包覆BN-C固体润滑剂制备出高温润滑复合胶体[19]；以TiAl合金为基，通过添加CaF2-BaF2共晶体制备出高温自润滑TiAl新型合金，并研究了其结构特征、物理性能和摩擦学特性[20]；基于高温扩散自润滑机理和人体汗腺特征，建立了汗腺式微孔结构特征模型，并制备出了具有均匀开口与表层且内部相互贯通的有序孔汗腺式高强度基体和高温发汗自润滑复合材料[21]。其研究成果主要集中于自润滑材料以及自润滑剂的制备、模拟计算和简单的试验验证方面，对于该研究成果的应用对象以及在应用过程中的性能等方面并没有文章进行详细的报道。

利用生物仿生技术研究生物体不同结构层次(微观、细观、宏观)的形态以获得灵感，进而对材料、结构、系统进行仿生模拟来提高工程结构效率。铁梨木由于其内部含有精汗与水结合形成乳状液体而具有较好的自润滑作用的性能。因此，铁梨木自润滑液的分泌，以及微胶囊材料结构的发展为新型自润滑尾轴承的结构设计提供了思路。

3　船舶外摩擦与能效提升

船舶外摩擦主要研究对象是船舶与空气和水接触的界面部分，主要目标是实现船体表面的防污减阻，其中防止表面污损与生物附着最为关键。针对海洋污损生物群落的形成过程及附着机理，人们采取了各种各样的防除方法。主要有表面结构仿生、金属材料低表面能结构以及融合沟槽与表面能调控的防污减阻方法。

3.1仿生贝壳防污减阻

海洋污损生物的附着对任何海洋设施都有着重要的影响。研究发现，表面微观结构的存在可以改变表面润湿性，表面润湿性与生物粘附存在相关性[22]。贝壳表层是硬化蛋白质，无粘液分泌，贝壳大多数时候都是静止的状态，即使移动也很缓慢，这完全符合船舶表面主要在静态过程中发生污损的实际情况。选取贝壳作为仿生原型对海洋建筑的表面污损情况进行研究具有重要的指导意义。

海洋中生活着种类极多的贝类，不同的贝壳表面抗污损生物附着的能力不一样。通过收集大量贝壳进行对比分析，发现有的贝类如华贵栉孔扇贝表面极易被污损生物附着，有的贝类如日本镜蛤表面光洁干净，无污损生物附着，见图3。选取防污贝壳作为仿生原型，观察日本镜蛤表面的微观形貌。日本镜蛤的贝壳近圆形、米白色，表面沟槽为规则的波纹状结构，呈同心圆状生长，无放射性纹理。在扫描电子显微镜和原子力显微镜下观察如图4和图5，贝壳表面沟槽尺度极小，为300～800 nm，不到1 μm[23-24]。Scardino[25]提出的附着点理论认为，污损生物更容易附着在表面纹理尺度比其身体尺度大的地方，当表面纹理尺度比身体尺度小的时候，附着不易发生。

图3　贝壳表面污损情况[23]

图4　扫描电子显微镜下的微观表面

图5　原子力显微镜下的微观表面

以具有防污功能的日本镜蛤表面为仿生原型，采用流体力学软件分析其表面纹理结构的流体阻力特性，提取具有防污减阻协同效应的沟槽尺寸[24]。从工程实际应用出发，简化日本镜蛤表面纹理为简单的V形沟槽结构，见图6。设定沟槽宽度S=0.26 mm, 深度H=0.2 mm，改变沟槽间隔W分别为0.04、0.14、0.24、0.34 mm，得到不同流速下沟槽结构的减阻效果。

图6　仿防污尺度的贝壳表面沟槽

图7　沟槽间隔W对减阻效果的影响曲线

由图7可见，一定大小的沟槽间隔对沟槽的减阻效果影响并不大，沟槽表面在流速为3.0～3.5 m/s时，减阻效果最好；随着流速增大，减阻效果呈下降趋势，计算显示在速度达到6～7 m/s时减阻效果几乎减小为零，速度再增大反而会增阻。

3.2材料表面能调控

为了降低海洋污损生物带来的危害，预防污损生物对船舶及海洋结构物所造成的危害，国内外很多的学者对船舶的防污减阻展开了研究[26]。结果表明：表面能的大小是影响船舶防污效果的重要因素[27]。表面能低的材料可以阻止底栖生物的最初附着，由于表面能低，因此，即使被污损生物粘附，也会因为污损生物自身的重力及海水的冲刷而脱离船体表面，大大降低了污损生物的腐蚀和损耗[28-30]。因此，研究低表面能的船体材料或涂料具有重要的现实意义。

目前，有学者利用噬菌体展示方法发现很多可以和金属有强烈亲和性的多肽或蛋白质。研究发现部分肽可以与金属发生反应。本课题组利用一种合成的含有12个氨基酸的多肽BioP(NLNPNTASAMHV)(见图8)与304不锈钢反应，得到一种生物有机金属材料，分别用蒸馏水和丙三醇作为滴定液测量该材料的表面接触角，将接触角的值和滴定液的参数带入Owens-Wendt-Rabel-Kaelble公式，可以发现不锈钢与多肽反应后，明显降低了表面能的值，从41.3 m·N/m降至25.0 m·N/m[31]。

图8　BioP的分子结构式

LiquidγLγLWLγ+Lγ-LWater71.821.825.525.5Glycerol64.034.03.9257.4

利用合成多肽与不锈钢反应，成本高且提纯效率低。应用生物基因蛋白工程，将指导可以与不锈钢反应的基因片段插入到大肠杆菌质粒中(图9)，并将该质粒倒入到大肠杆菌中，指导合成多肽，将从微生物中获得的多肽溶液直接与304不锈钢反应，获得生物有机金属材料。这种生物有机金属材料的接触角与304不锈钢相比，有了很大的提高，见图10[32]。

图9　重组PhoA-RBD-MrpF- L11质粒

图10　不锈钢反应前后的接触角

合成的生物有机金属虽然很大程度上提高了接触角，但是距离达到良好的防污减阻效果还有很大的距离。因此，需要改进多肽以调控材料的表面能。自然界中很多生物为了适应生存环境会分泌一些抗菌肽，比如：欧洲红蛙分泌颗粒腺体分泌的Temporin B (TB-KK)，蜜蜂上颚和下咽体分泌的RJI-C类似物，及M.蝶海胆中的萃取物都是天然的疏水性抗菌多肽[33-35]。很多植物叶子的表面和颈部有很好的疏水效果，采用基因工程技术结合将指导疏水基团合成的基因插入图9所示的质粒中，将合成质粒转化至大肠杆菌中，利用大肠杆菌的增殖获得大量的可以与不锈钢反应的疏水性蛋白。这种蛋白与不锈钢反应后的样本具有强疏水性、低表面能的特性。

3.3融合沟槽与表面能调控

防污和减阻是船舶实际运行过程中遇到的两个基本问题，同时这两个问题也相互制约，互相影响，理想的船舶表面应该同时具有防污和减阻的能力[36]。生物仿生技术促进了许多领域的发展，对船体防污减阻也有很大的启发[37]。鲨鱼具有较高的移动速度，并且表面清洁，不受海洋污损物的附着，一直以来是人们研究的重点，见图11。鲨鱼表皮由一层盾形鳞片组成，层层重叠，每一片鳞片上还布满了条纹状沟槽，同时鲨鱼表皮分泌黏液，形成低表面能表面[38]。固体表面自由能越低，附着力越小。有研究表明，藤壶等分泌的粘胶无法对鲨鱼皮的沟槽结构渗入的太深，这样污损生物只能有很小的吸附面可以落脚，鲨鱼在水中前进时，就可以把那些刚刚附着上的污损生物清除掉[39]。同时大量研究表明，沟槽具有显著的减阻效果，能让鲨鱼在海里以较高的速度游动。对于船舶减阻来说，沟槽减阻技术是一种可行的办法，但一直以来船体表面都受海洋污损物的影响，所以要将沟槽运用于船体表面减阻，必须使沟槽表面同时具有防污效果。低表面能材料具有较好的防污效果，如果将沟槽与具有低表面能的材料相结合，则可以实现防污减阻协同效应。防污减阻协同效应可以增强彼此的作用，防污使船体表面能够保持清洁，减阻微沟槽就能充分发挥减阻作用，使船舶能够保持较高的移动速度。反过来较高的移动速度又使船舶在前进过程中产生的水流冲击作用冲刷除去可能已附着的污损物，形成一个良性的循环[40]。

图11　鲨鱼光滑的皮肤及沟槽纹理[36]

根据微结构表面的浸润性研究结果，将低表面能与表面微沟槽相结合，可以得到超疏水表面(即与水的接触角大于150°)，主要可以通过两种方法来制备：一种是利用低表面能聚合物来构建表面微沟槽；另一种方法是在微沟槽表面上修饰低表面能的物质。本研究采用后一种方式，具体技术路线见图12。

首先结合前面已做的具有减阻功能的仿生沟槽纹理加工技术，以及定向设计具有金属亲和性和疏水性的生物肽技术，获得基于肽与加工好的金属沟槽表面的反应获得生物有机金属材料；然后调控以期获得具有低表面能的微沟槽表面；最后分析测试其防污减阻协同，得到满足实际工业使用要求的具有防污减阻协同效应的低表面能微沟槽表面。

4　船舶能效协同调控

船舶动力系统的关键摩擦副以及船体表面摩擦等是船舶的主要能耗部分，其能耗状态也与船舶的航行环境息息相关。充分、合理地利用船舶营运节能手段，可以有效地提高营运能效。然而，通航环境与船舶动力系统、船体表面等的有机的结合缺乏系统的理论支撑。因此研究船舶能效提升问题，要通过对船舶动力能效、船体表面阻力和航速等航行环境因素的协同与调控，其研究思路如图13所示。首先，利用摩擦学的基本理论与试验方法，分别研究船舶动力能效提升机理以及船体表面减阻机理，获取船舶动力能效、船体阻力与船舶航速之间的对应关系；其次，建立船舶动力能效、船体表面阻力与船舶航速之间的优化模型，通过该模型进一步研究不同航行工况下船舶动力系统和船体的减摩、减阻机理；最后获得基于摩擦学的船舶动力能效提升、船体减阻与船舶航行环境的协同机理与控制方法，通过多因素的协同调控达到船舶能效提升的预期目标。

图12　融合沟槽与表面能调控的研究思路

图13　船舶能效提升研究思路

5　结论

1)引入摩擦学的基本理论与技术，可以有效的实现船舶动力系统关键摩擦部件的减摩以及船体表面的减阻；将二者综合考虑，进而达到船舶动力系统的能效提升。

2)结合通航环境，建立基于摩擦学的船舶动力能效、船体表面阻力和通航环境的协同与调控体系，通过多因素的协同调控达到船舶能效提升的预期目标。

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Study on Energy Efficiency Improvement in Marine Power System Based on Tribology

YUAN Cheng-qing, BAI Xiu-qin, GUO Zhi-wei, YAN Xin-ping

(a. Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology, Ministry of Communications, b. Reliability Engineering Institute, National Engineering Research Center for Water Transportation Safety; Wuhan University of Technology, Wuhan, 430063, China)

From the perspective of energy efficiency improvement of ships, the wear control technologies of frictions within the key parts of the marine such as the cylinder liner-piston rings and the stern bearings are analyzed, and the energy conservation and drag reduction technology of marine surface bionic and the new materials are discussed. The synergy and regulation system during the marine power efficiency, marine surface resistance and navigational speed is constructed. The research work will provide the necessary theoretical basis and some solutions for the energy efficiency improvement in the marine system.

marine power system; energy efficiency improvement; tribology

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.018

2015-11-19

2015-11-25

国家自然科学基金优秀青年基金

袁成清(1976-)，男，博士，教授

U661.31

A

1671-7953(2016)01-0091-09

(51422507)；湖北省自然科学基金创新群体项目(2013CFA007)；湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA127)

研究方向:船舶动力系统可靠性与绿色技术

E-mail:ycq@whut.edu.cn