常鐵++郭智威++趙亮亮++劉志強++何奎霖

摘 要：水潤滑尾軸承由于具有節(jié)能環(huán)保、材料資源豐富等特點，一直是各國爭相研究的熱點之一。該文聚焦于水潤滑尾軸承，分析了水潤滑尾軸承的摩擦特性，總結(jié)了尾軸承材料的改性與選擇、振動噪聲及結(jié)構(gòu)設計等問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了其中所存在的不足并在此基礎上展望其發(fā)展趨勢，旨在為船舶水潤滑尾軸承的進一步研究提供思路。

關(guān)鍵詞：水潤滑尾軸承 摩擦特性 材料改性 振動噪聲 結(jié)構(gòu)設計

中圖分類號：TB53 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0109-08

Present Research Status of Marine Water-lubricated Stern Bearings

Chang Tie1 Guo Zhiwei1，2 Zhao Liangliang3 Liu Zhiqiang1 He Kuilin1

（1.School of Energy and Power Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan Hubei， 430063， China；2.Reliability Engineering Institute， National Engineering Research Center for Water Transportation Safety， Wuhan Hubei， 430063， China；

3.Wuhu Maritime Safety Administration， Wuhu Anhui， 241000， China）

Abstract： Due to the characteristics of energy-saving， environment-friendly and resourceful，water-lubricated stern bearing has been one of the research hotspots in many countries. This paper focused on the water-lubricated stern bearing. The frictional properties of water-lubricated stern bearing were analyzed. The domestic and foreign current research status of water-lubricated stern bearing materials modification and selection， vibration noise and structural design were summarized. The shortages of these researches were pointed out， and on this basis， the development trends were prospected. It aimed toprovide the perspectives to the further study of the marine water lubricated stern bearings.

Key Words： Water-lubricated stern bearing； Friction characteristic； Material modification； Vibration and noise； Structural design

近年來，隨著環(huán)保意識逐漸深入人心及石油資源的日漸枯竭，以水代替?zhèn)鹘y(tǒng)潤滑油作為潤滑劑的水潤滑尾軸承逐漸走進了人們的視野。由于水潤滑尾軸承具有無污染、低成本及材料來源豐富等優(yōu)點，因此其一直是各國在船舶領域內(nèi)爭相研究的熱點。目前國內(nèi)外對于水潤滑尾軸承的研究主要集中在尾軸承材料選擇與改性、振鳴音分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化這3個方面。傳統(tǒng)的油潤滑尾軸承往往以金屬為襯套，以潤滑油為潤滑介質(zhì)，不僅消耗了潤滑油和金屬資源，而且由于尾軸密封技術(shù)的復雜性導致大量潤滑油泄露，嚴重污染了航行水域，隨著人們環(huán)保意識的增強，少數(shù)工業(yè)發(fā)達國家投入了巨額資金及大量精力投入其治理技術(shù)和裝備研究[1-3]。除此之外，油潤滑尾軸承具有的無功能消耗較大、可靠性不高及振動噪音等問題也難以解決[4-5]。相比以油作為潤滑介質(zhì)，以水作為潤滑介質(zhì)具有環(huán)境友好及來源豐富等優(yōu)點，因此具有廣闊應用前景的水潤滑逐漸受到人們的關(guān)注和青睞，成為國內(nèi)外相關(guān)領域競相研究的熱點。該文總結(jié)闡述了水潤滑尾軸承的研究進展，對于其在發(fā)展過程中存在的問題及解決方法進行了總結(jié)，并對接下來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 尾軸承材料的選擇與改性

水潤滑尾軸承材料的使用主要經(jīng)歷了3個階段[6]：第一階段：以鐵犁木為代表的木質(zhì)材料階段。鐵犁木性能優(yōu)異，但資源日漸稀少，價格昂貴。第二階段：天然、丁腈、氯丁等單體橡膠材料應用階段。但是因其一些無法克服的缺點限定了其使用范圍，催動了飛龍、尼龍復合性材料的研發(fā)和使用。第三階段：SPA、賽龍、BTG等以橡膠為基體，添加其他材料的復合材料使用階段。表1列出幾種水潤滑尾軸承材料優(yōu)缺點[7]，可以看出，復合材料SPA的性能優(yōu)于單一材料?？傮w來看，通過材料改性得到的復合材料由于綜合了各自的優(yōu)點使其性能更加優(yōu)異，作者認為未來的尾軸承材料發(fā)展趨勢將會以性能優(yōu)異的高分子及改性復合材料為主，而傳統(tǒng)的鐵梨木尾軸承材料將逐步被替代。

1.1 陶瓷材料的應用與改性

陶瓷材料相比其他材料更適合在高溫、高轉(zhuǎn)速及腐蝕性等特殊的海洋條件下工作，且具有強度高、耐磨性好的性能，因此也被作為水潤滑軸承材料的選擇對象。余歆尤[8]通過對sialon、Zro2和Al2O3三種陶瓷材料在水潤滑條件下進行了軸承實驗后，結(jié)果表明sialon軸承壽命最長，Al2O3軸承壽命最短，且sialon軸承的摩擦系數(shù)較小，摩擦性能更好，更適合作為軸承材料。張仁坤[9]通過對幾種陶瓷在水潤滑條件下進行摩擦實驗，結(jié)果顯示，WC作軸套的SiC的系徑向陶瓷滑動軸承摩擦系數(shù)較小，耐磨性較好，適合在無水啟動和異物混入的污水中使用。Nastasi等[10]通過在SiC、TiB2、B4C及Al2O3陶瓷中注入N+，發(fā)現(xiàn)注入N+后可降低SiC、TiB2和B4C陶瓷的摩擦系數(shù)及磨損率，而提高了Al2O3陶瓷的摩擦系數(shù)及磨損率，原因是N+注入SiC、TiB2和B4C陶瓷與其能形成“類氮化物鍵”，此種化學鍵的形成會降低摩擦系數(shù)與磨損率。袁英光等[11]發(fā)現(xiàn)，將N+注入至SiC后可在水潤滑條件下降低其表面摩擦系數(shù)及磨損率。N+注入SiC陶瓷前后碳化硅陶瓷的截面磨損形狀都是一個拋物線槽，但注入N+后深度低于未注入的深度，證實在水潤滑條件下注入N+可以提高陶瓷軸承的摩擦性能。Zhou[12-13]將一層a-CNx薄膜沉積在SiC盤的表面，使沉積薄膜的SiC盤與SiC球在水潤滑條件下對磨，發(fā)現(xiàn)沉積薄膜后的SiC盤摩擦系數(shù)得到了明顯的降低，并且縮短了磨合時間，可以看出，采取對陶瓷表面特定涂層的措施有效地降低了其在水潤滑條件下的摩損。目前來看，由于陶瓷的脆性導致其承受沖擊性能較差且對磨粒的嵌藏性較差等缺點也限制了其使用范圍，所以單一的陶瓷材料必須通過表面再處理或者與其他材料結(jié)合使用使其發(fā)揮各自優(yōu)勢，從而讓陶瓷材料具有廣闊的應用前景。

1.2 橡膠材料的應用與改性

由于橡膠材料具有吸振降噪、抗沖擊性能優(yōu)異、不污染水域且來源豐富等優(yōu)點[14-15]，目前被廣泛用作尾軸承材料。但由于其承載能力低，設計比壓僅為油潤滑軸承的1/3[16]等缺點，使其在啟動、停機、低速運轉(zhuǎn)等工況下會產(chǎn)生振動噪聲，嚴重影響船舶乘坐的舒適性且易暴露水下航行器的隱蔽性，因此研究人員開展了材料研制及改性等一系列措施對橡膠材料進行優(yōu)化。Roy L. Omdorff Jr[17]通過將丁腈橡膠與UHMWPE共混研制出一種名為SPA的新型尾軸承材料，該種材料具有自潤滑性能好、低噪聲、低成本等優(yōu)點。Thordon Bearings Inc.[18-20]開發(fā)出一種稱為賽龍的水潤滑尾軸承材料，該產(chǎn)品是合成樹脂與合成橡膠的混合物，通過三次元交叉結(jié)晶熱凝性樹脂制造而成的聚合物，是一種強固的合成型聚合物，研究結(jié)果表明賽龍軸承材料相比于其他非金屬材料的干摩擦性能較好。肖科[21]等通過正交試驗優(yōu)化BTG的補強劑、軟化劑、硫化劑的配方，在最佳配方的基礎上加入ZnOw晶須改性。改性后的BTG軸承材料的承載能力得到了明顯的提升，其摩擦性能得到了提高，原因在于ZnOw獨特的結(jié)構(gòu)，很容易實現(xiàn)在基本材料中的三維分布均一化從而使其復合材料的各種物理性能得到各向同性改善。王海寶[22]通過利用丙烯酸酯（ACR）對丁腈橡膠（NBR）進行改性，結(jié)果表明丙烯酸酯對丁腈橡膠的力學性能有很好的增強效果，且質(zhì)量分數(shù)為1.5%～2.0%的丙烯酸酯可使丁腈橡膠的定伸應力、拉伸強度以及扯斷伸長率等增加10%以上。Bharat Bhushan[23-24]等通過在腈類橡膠添加石墨、二硫化鉬等固體潤滑劑，得到了摩擦性能更好的橡膠材料。M. I.Guseva[25]利用高能離子提高橡膠材料表面的親水性，使其邊界潤滑效果更好，更易形成流體動壓潤滑，大大提高了橡膠的耐磨性，通過橡膠材料的改性大大提升了其自身的摩擦性能。可以看出通過橡膠材料的改性可以顯著提高其摩擦性能，同時研究人員也應對以橡膠為基體的不同材料的潤滑機理進行深入探索，建立完整的潤滑理論體系，從而有助于改善橡膠尾軸承的摩擦噪聲問題。

1.3 高分子材料的應用與改性

近年來，高分子材料的水潤滑軸承逐漸走進人們的視野，其中最為典型就是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由于其分子量在一百萬以上，因其分子量高且具有其他塑料無可比擬的優(yōu)異性能[26]，逐漸發(fā)展成為尾軸承材料的新寵。超高分子量聚乙稀具有優(yōu)異的耐沖擊、耐化學腐燭、耐磨損等優(yōu)異性能，在歐美各國成為尾軸承材料選擇的新寵，有資料顯示美國軍方已經(jīng)將整體式超高分子量聚乙烯應用到水潤滑軸承上[27]。但是，一方面摩擦熱量的積累使UHMWPE產(chǎn)生蠕變變形，另一方面UHMWPE的表面硬度較低，抗磨粒磨損能力差，在應力作用下容易發(fā)生疲勞磨損并遭受磨粒犁切。上述性能特點直接限制了UHMWPE的使用范圍及使用效果，因此國內(nèi)外研究人員對UHMWPE材料進行了改性措施，進一步優(yōu)化其自身的性能。Meng[28]通過以UHMWPE為基體加入UHMWPE纖維，由于基體和添加物纖維化學成分相同，因此化學相容性很好，界面結(jié)合力很強，與沒加UHMWPE纖維前相比，其拉伸性能、抗蠕變性能、抗沖擊性能都有明顯改善。張緒平[29]等用不同含量的納米CuO顆粒填充UHMWPE，通過在干摩擦實驗條件下與45#鋼對磨，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入納米CuO的復合UHMWPE材料相比純UHMWPE的耐磨性有明顯提高，而且隨著加入納米CuO含量的增加，起主導作用的磨損機理將由最初的粘著磨損逐漸轉(zhuǎn)化為最后的磨粒磨損。陳戰(zhàn)、王家序[30-31]等對UHMWPE基體填充了碳纖維、玻璃纖維、石墨等材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加石墨后降低UHMWPE的摩擦系數(shù)效果最為明顯，而加入玻璃纖維后增大了UHMWPE的摩擦系數(shù)，因此石墨作為對UHMWPE的改性潤滑劑較纖維性能更加優(yōu)異；同時，在填充物比例不超過20%時，耐磨性都有明顯改善。潘炳力、李寧[32]等通過以密胺樹脂為囊壁材料，以石蠟為囊芯材料，并將制備的相變微膠囊作為填料添加入UHMWPE基體中，制得相變微膠囊改性UHMWPE復合材料，如圖1所示。研究人員通過分析其硬度和物相組成，并研究了該復合材料在室溫、低速和高速等工況下的摩擦磨損性能。結(jié)果顯示：微膠囊填料的加入可以起到較好的減摩降磨作用，填料的最適宜添加比例為20%，在低速試驗條件下經(jīng)改性的復合材料摩擦系數(shù)較UHMWPE降低60%以上，高速試驗條件下改性后的復合材料耐磨性較之純UHMWPE有明顯提高。

清華大學趙安赤等[33]采用過氧化二苯甲酰為交聯(lián)劑對UHMWPE進行化學交聯(lián)改性，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當氧化二苯甲酰質(zhì)量分數(shù)為0.25wt%時，交聯(lián)改性后的UHMWPE 沖擊強度約為純UHMWPE的1.5倍，同時交聯(lián)改性后的UHMWPE的熱變形溫度也得到增強，最大的氧化二苯甲酰填充量不超過1wt%。Lee[34]等通過輻射交聯(lián)增加了UHMWPE表面的光滑度和硬度而使得其耐磨性能提高，Ramanurti[35]認為輻射交聯(lián)能阻止分子的線性排列并使得交叉剪切力變?nèi)?，降低磨屑量的產(chǎn)生，最終提高UHMWPE的摩擦性能。熊黨生[36-38]通過等對UHMWPE表面進行N+、O+、C+、He+注入改性，研究結(jié)果表明，適當高能量和低劑量的離子注入的樣品表面形成了類石墨結(jié)構(gòu)并且與石墨有類似的磨損行為，因此可明顯提高材料表面硬度、提高其抗磨損性和抗粘性。Klapperich[39]利用低溫Ar/C3F6等離子輕微交聯(lián)UHMWPE并且接枝或沉積CFx基團到其表面。交聯(lián)的UHMWPE表面可以抑制結(jié)晶區(qū)域沿著磨損方向的排列，從而增強耐磨性能。同時低表面能的CFx基團也會降低表面粘附力。當前對于UHMWPE材料的改性主要集中在UHMWPE的填充改性、表面改性及UHMWPE摩擦對偶材料的改性，這些改性都取得了一定的進展，但是也存在一些問題，比如一些改性手段只是適合生物醫(yī)學領域，對于工業(yè)領域特別是應用在工況惡劣的船舶尾軸承上還存在一些亟待解決的問題，但隨著節(jié)能環(huán)保觀念的推廣UHMWPE作為水潤滑尾軸承材料將會倍受青睞，可以看出UHMWPE在未來將會在工業(yè)軸承領域內(nèi)扮演重要角色，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

2 尾軸承的摩擦振動

船舶尾軸承在低速重載等極端工況下，由于極難形成彈性流體動壓潤滑膜，使水潤滑尾軸承處于邊界潤滑甚至是干摩擦狀態(tài)，加劇了尾軸承的摩擦磨損，極易產(chǎn)生摩擦噪聲，嚴重影響了船舶乘坐的舒適性及軍事艦船的隱蔽性。近年來，國內(nèi)外研究人員針對船舶尾軸承的振鳴音問題進行了大量的研究，但是由于問題的復雜性，目前對于振動的產(chǎn)生機理及抑制措施還沒有形成完整系統(tǒng)的體系，該文針對船舶尾軸承振鳴音機理、影響因素及抑制措施目前國內(nèi)外所取得的研究成果進行總結(jié)，為研究人員相互借鑒提供參考，從而為優(yōu)化水潤滑尾軸承性能、改善其振動噪聲問題提供幫助。

2.1 尾軸承振動噪聲的產(chǎn)生機理

近年來，研究人員基于不同的摩擦特性，分析了多自由度系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，從而對尾軸承的振鳴音產(chǎn)生機理進行解釋。針對其產(chǎn)生機理，目前認為主要包括：粘著-滑動、摩擦-速度負斜率、自鎖-滑動、模態(tài)耦合和錘擊理論[40-41]。Simpson[42]等提出了水潤滑軸承非線性二自由度系統(tǒng)動力學模型，對耦合系統(tǒng)的摩擦力隨時間變化的非線性響應進行數(shù)值模擬計算，研究結(jié)果表明振動在頻域上的高頻重疊產(chǎn)生了摩擦噪聲，而這種摩擦噪聲主要取決于摩擦-速度曲線的斜率。田宇忠[43]等通過實驗發(fā)現(xiàn)軸承的潤滑狀態(tài)對于噪聲的產(chǎn)生影響最大，而潤滑狀態(tài)則取決于軸頸與軸承的直接接觸面積和摩擦系數(shù)-速度曲線負斜率，A.I. Krauter[44]的研究也得到了同樣的結(jié)論。Bharat Bhushan[45]針對橡膠尾軸承的振鳴音進行了研究，結(jié)果表明尖叫是橡膠軸承表面粘-滑運動導致的一種噪聲現(xiàn)象，并且這種粘-滑現(xiàn)象是橡膠材料的本質(zhì)屬性。彭恩高[46]通過水潤滑尾軸承振動實驗發(fā)現(xiàn)自激振動的摩擦噪聲出現(xiàn)在低速工況下，研究還表明振動信號具有很強的非線性且振動強度與轉(zhuǎn)軸頻率無關(guān)。姚世衛(wèi)[47]對于不同工況對振鳴音的影響進行了實驗研究，結(jié)果表明低速重載的工況下最容易產(chǎn)生噪聲，冷水的流量在一定范圍內(nèi)對軸承的噪聲無太大影響，但當?shù)陀谀骋惶囟〝?shù)值時潤滑狀態(tài)急劇下降。盡管以上學者針對尾軸承的振動噪聲問題進行了大量的數(shù)值仿真及實驗研究，但仍有一些實際問題沒有得到很好的解釋，比如通過實船測試發(fā)現(xiàn)即便不是在低速重載的情況下也會產(chǎn)生一定的噪聲，對于船舶尾軸承的噪聲問題還有待進一步研究。

2.2 水潤滑尾軸承振鳴音的影響因素

深入研究尾軸承振動噪聲的影響因素，對于深刻揭示尾軸承的振鳴音機理，有效抑制摩擦噪聲，提高艦船的乘坐舒適性、安全隱蔽性具有重要意義。系統(tǒng)的摩擦振動和噪聲與多種因素有關(guān)，最主要的是比壓、溫度、線速度及軸承的結(jié)構(gòu)等因素。武漢理工大學金勇[48]通過Pulse實驗測試的方法對橡膠尾軸承臺架進行了數(shù)據(jù)采集與分析，實驗結(jié)果表明在低速下由自身特性導致的水平和垂直方向上的振動主要集中在2 000 Hz以下。重慶大學的周廣武[49]研究了在低速重載條件下的水潤滑橡膠合金噪聲問題，應用了有限元軟件對尾軸承在不同摩擦系數(shù)、載荷和速度條件下進行了復模態(tài)分析，實驗結(jié)果表明摩擦系數(shù)越大，模態(tài)耦合程度越高，導致軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，越易產(chǎn)生摩擦噪聲。Bharat Bhushan[45]以玻璃滑塊與橡膠試塊配副摩擦對載荷、速度、橡膠板條的厚度、硬度及相互運動表面之間的潤滑劑、粗糙度等多個因素對于噪聲產(chǎn)生的影響進行了研究，結(jié)果表明噪聲的頻率與橡膠的彈性模量、切變模量和厚度都有關(guān)，噪聲的產(chǎn)生與橡膠表面的摩擦系數(shù)有關(guān)，摩擦系數(shù)越大，表面越干凈，產(chǎn)生噪聲的可能性越大。陳明[50]在軸系平臺上對不同硬度橡膠軸承材料開展了振動噪聲的實驗研究，實驗結(jié)果表明硬度大的橡膠材料對于降低軸承振動效果明顯，原因是當橡膠材料的硬度提高后其彈性剛度增加，阻尼降低，從而與負載對軸系的剛性固定作用一起，加強了對軸系的振動抑制效果。王家序團隊[51]研究了尾軸承結(jié)構(gòu)對于摩擦噪聲的影響，包括水潤滑軸承過渡圓弧半徑大小、水道槽半徑大小及水槽數(shù)量等因素，研究發(fā)現(xiàn)這些因素對于尾軸承噪聲的產(chǎn)生具有一定影響，因此，合理設計、優(yōu)化尾軸承結(jié)構(gòu)對于降低噪聲具有一定作用。

2.3 船舶水潤滑尾軸承噪聲的控制方法

目前抑制尾軸承振動噪聲的措施主要集中在尾軸承結(jié)構(gòu)設計及摩擦材料選擇這兩方面。周憶[52]通過復模態(tài)分析方法建立水潤滑橡膠合金軸承系統(tǒng)仿真模型，研究了尾軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對其在低速重載條件下出現(xiàn)摩擦噪聲可能性的影響，研究表明，水潤滑橡膠軸承的水槽半徑大小、摩擦面形狀對尾軸承出現(xiàn)噪聲有較大影響，而對水槽的形狀影響不大，對一定結(jié)構(gòu)尺寸的水潤滑橡膠合金軸承，水槽半徑為4 mm、平面型摩擦面的結(jié)構(gòu)可大大減少尾軸承出現(xiàn)噪聲的可能性。美國B.F. Goodrich company[15]公司研究了平面型和凹面型兩種板條形狀的尾軸承，發(fā)現(xiàn)平面型的滑動摩擦系數(shù)明顯小于凹面型，更能降低尾軸承的摩擦噪聲，武漢理工大學戴明城[53]通過實驗分析與仿真研究表明，平面型相比凸面型更易形成彈-塑流體動壓潤滑，從而減小振動噪聲。周新聰[54]通過以丁腈橡膠為基體，加入UHWMPE和石墨物質(zhì)進行混煉，得到一種名為SPB-N的復合橡膠材料，通過在尾軸承臺架上進行試塊與軸承實驗，結(jié)果表明其機械物理性能達到了中國船標CB/T 769-2008的要求，該種材料在動壓潤滑區(qū)不發(fā)生粘-滑現(xiàn)象，在混合邊界潤滑區(qū)會發(fā)生粘-滑現(xiàn)象，只有在干摩擦狀態(tài)下才會產(chǎn)生瞬間噪聲，相比傳統(tǒng)材料性能有較大的提高。清華大學黃學文[55]認為TiNi合金是一種低噪聲、高效率的摩擦材料，通過與軸承鋼進行干摩擦實驗發(fā)現(xiàn)相比45#鋼，TiNi可以明顯降低噪聲，TiNi合金綜合性能較好，因此可在尾軸承上進行一定的應用。除了以上研究人員提出的對尾軸承的降噪措施外，秦紅玲[56]提出要加強質(zhì)量控制，通過對尾軸承的噪聲標準進行嚴格的規(guī)定，降低噪聲。李忠杰[57]認為在船舶設計及建造過程中通過提高軸系校中精度能夠有效減小軸系噪聲。當前船舶尾軸承振鳴音研究仍是以實驗臺架研究為主要手段，對實船的測試很少。因此，通過仿真計算與實驗研究相結(jié)合，利用先進測試設備是當前研究尾軸承振動噪聲的主要手段，在此基礎上，綜合考慮各種因素，準確分析尾軸承振動噪聲產(chǎn)生機理，為尾軸承結(jié)構(gòu)設計、材料選擇上提供借鑒，從而更利于企業(yè)生產(chǎn)低噪聲、長壽命的尾軸承。

3 尾軸承的結(jié)構(gòu)設計

合理設計尾軸承結(jié)構(gòu)對于提高其承載能力，降低噪聲及改善其潤滑性能至關(guān)重要。水潤滑尾軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括摩擦面形狀、水槽形式，此外材料的理化性能也會對其性能產(chǎn)生一定的影響，如橡膠尾軸承的橡膠層厚度及硬度，如圖2所示為常見的橡膠尾軸承結(jié)構(gòu)，該文通過闡述近年來廣大研究人員對尾軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)所取得的成果，為工程實際應用提供借鑒。

重慶大學周憶[59]等通過研究平板型和圓弧型狀結(jié)構(gòu)的水潤滑橡膠合金軸承摩擦噪聲的對比試驗，研究結(jié)果表明圓弧型摩擦面的不穩(wěn)定模態(tài)及耦合模態(tài)實部最大值出現(xiàn)的頻率都大于平面型摩擦面，原因是圓弧型摩擦面的有效接觸面積要大于平面型接觸面，從而增加噪聲出現(xiàn)的可能性。武漢理工大學劉正林團隊[53]通過實驗與仿真表明，平面型相比凹面型和凸面型更易于形成彈-塑流體動壓潤滑，因此具有良好的啟動性及低速運轉(zhuǎn)性，所以從降低尾軸承振鳴音的臨界速度及摩擦因數(shù)的角度考慮，平面型結(jié)構(gòu)更好。青島理工大學律輝、王優(yōu)強[58]等通過對平板型板條、凸弧型板條、凹弧型板條3種結(jié)構(gòu)進行有限元分析，結(jié)果表明平板型力學性能為最優(yōu)，因為其在最大位移量、最大應力值、最大應變值等方面都要優(yōu)于其他兩種形狀。為了提高尾軸承冷卻潤滑及排除泥沙介質(zhì)的效果，通常在尾軸承內(nèi)表面開有不同的溝槽結(jié)構(gòu)，目前在實際應用中主要有螺旋式溝槽結(jié)構(gòu)及縱向式溝槽結(jié)構(gòu)兩種。T.K.H.R. Tanamal[60]通過對縱向水槽結(jié)構(gòu)尾軸承進行數(shù)學建模分析，在不同軸承偏心率及不同潤滑劑的條件下進行仿真分析，得到的結(jié)果顯示當開有縱向水槽時，降低了水膜壓力及軸承承載力。王優(yōu)強[61]針對圓弧型、矩形、燕尾型3種結(jié)構(gòu)的螺旋槽尾軸承結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化問題進行了靜力分析和模態(tài)分析，結(jié)果表明通過優(yōu)化矩形槽和燕尾槽的外形結(jié)構(gòu)可以得到理想的尺寸參數(shù)，而通過優(yōu)化圓弧型螺旋槽半徑外形尺寸結(jié)構(gòu)，雖然可以提高尾軸承的力學性能和動態(tài)特性，但卻使尾軸承的總質(zhì)量有明顯降低。

此外，橡膠尾軸承的橡膠層硬度和厚度也對其性能具有一定影響Daugherty[1]等認為橡膠層應該以薄為好，美國B F Goodrich公司[15]指出當橡膠層厚度最小為2.39～7.95 mm時，軸承的摩擦因數(shù)最低。周廣武[62]通過建立水潤滑橡膠軸承系統(tǒng)有限元接觸模型，著重研究了不同橡膠硬度和厚度對水潤滑橡膠軸承系統(tǒng)跳動量的影響，研究結(jié)果表明水潤滑橡膠系統(tǒng)跳動量隨橡膠硬度增大而顯著減小，當硬度在85～95 Shore A時，主軸的跳動量較小，水潤滑橡膠系統(tǒng)跳動量隨橡膠厚度的增加而逐漸增大，當橡膠硬度較低時，系統(tǒng)的跳動量隨橡膠厚度變化越顯著，當硬度較高時，軸承跳動量變大的趨勢逐漸變緩慢，說明橡膠的厚度與硬度對跳動量的影響存在協(xié)同作用。尾軸承結(jié)構(gòu)中一些其他參數(shù)也會影響其性能，王家序[51]研究了水潤滑尾軸承的過度圓弧半徑、水道槽半徑、水道槽數(shù)量對摩擦噪聲的影響，研究結(jié)果表明過渡圓弧半徑越大，軸承產(chǎn)生噪聲的可能性越大，隨著水道槽的半徑及數(shù)量的增加，軸承發(fā)生噪聲的可能性變小。從以上研究工作可以看出，合理設計尾軸承結(jié)構(gòu)將會對提高其摩擦性能，降低噪聲產(chǎn)生重要意義，從生產(chǎn)的角度考慮，能夠合理優(yōu)化設計尾軸承結(jié)構(gòu)將會有效地節(jié)約材料，降低生產(chǎn)成本，從而為企業(yè)創(chuàng)造出經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

從國內(nèi)外研究人員圍繞水潤滑尾軸承的大量實驗及理論分析可以看出：（1）水潤滑尾軸承具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，將具有廣闊的應用前景，同時尾軸承材料的選擇也將以低摩擦、低噪聲、良好的可靠性為發(fā)展方向，而高分子材料及復合材料將會成為水潤滑尾軸承材料的重要研究方向；（2）船舶尾軸承的振鳴因問題一直亟待解決，由于問題的復雜性，只有加強實驗分析與理論探究，深入了解振鳴音機理及影響因素，才能在不同的運轉(zhuǎn)工況下采取有效的抑制措施；（3）尾軸承的結(jié)構(gòu)設計將會對其摩擦性能及振動噪聲產(chǎn)生一定影響，因此，應該合理優(yōu)化尾軸承摩擦面形狀、水槽形式、橡膠層厚度和硬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)；（4）尾軸承的材料選擇、振動噪聲及結(jié)構(gòu)設計三者之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)，應通過三者的協(xié)同調(diào)控達到性能最優(yōu)化的目標。

水潤滑尾軸承目前的研究手段主要為試驗臺架及理論數(shù)值分析，針對實船測試的報道很少，為了使尾軸承的測試更加具有說服力，可以考慮在實際工況下進行必要的實驗。由于目前尾軸承材料選擇及改性的多樣性、振動噪聲問題的復雜性及尾軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)的多樣性，導致研究人員的相互借鑒存在一定的困難，作者設想通過對研究條件及研究結(jié)果進行一定的科學分類及對已有的數(shù)據(jù)和研究成果進行規(guī)范化，建立共享的數(shù)據(jù)庫，旨在加快水潤滑尾軸承的研究進程。

尾軸承的摩擦學問題作為多學科交織問題，也應廣泛借鑒其他領域?qū)W科的思想和方法。近年來仿生學的出現(xiàn)同樣為尾軸承的研究提供了一定的借鑒之處，重慶大學李婷婷[63]以硅藻圓篩藻的多孔層結(jié)構(gòu)為仿生對象，設計并優(yōu)化出一種新型的復合微造型結(jié)構(gòu)，并將其設計應用到水潤滑軸承內(nèi)表面，通過數(shù)值仿真的方法研究顯示復合微造型結(jié)構(gòu)有效地改善了尾軸承的表面摩擦性能。袁成清[64]提出通過將傳統(tǒng)尾軸承材料鐵梨木中樹脂制作出微膠囊結(jié)構(gòu)，將其填充到綜合性能優(yōu)異的高分子材料作為自潤滑結(jié)構(gòu)來增強尾軸承材料潤滑性能。通過利用生物仿生技術(shù)研究生物體不同結(jié)構(gòu)層次（微觀、細觀、宏觀）的形態(tài)以獲得靈感，進而為尾軸承結(jié)構(gòu)設計及材料選擇提供新思路，最終優(yōu)化尾軸承的摩擦性能。

隨著“綠色船舶”及“綠色摩擦”的觀念深入人心，針對船舶尾軸承污染問題各國及海事組織都制定了一定的規(guī)范標準[65-66]，我國不僅是一個海洋大國，而且含有眾多內(nèi)河及三峽水庫等船舶航行水域，以水代替油作為尾軸承潤滑介質(zhì)，以非金屬材料代替金屬作為尾軸承材料將會對保護我國水域無污染具有重要意義。相信在廣大研究人員的努力下，對尾軸承材料選擇、摩擦振動及結(jié)構(gòu)設計等各個環(huán)節(jié)進行積極探索，水潤滑尾軸承的研究進程及應用將會得到長足發(fā)展。

參考文獻

[1] Qu Liang，Wang Juan，Xin Shuai，et al.A system for detecting sea oil leak based on video surveillance[A].2011 3rd Pacific-Asia Conference on Circuits， Communications and System[C].2011.

[2] Fivos Andritsos，Hans Cozijin.An innovative oil pollution containment method for ship wrecks proposed for offshore well blow-outs[A].ASME 2011 30th International Conference on Ocean[C].2011.

[3] Desheng Zhou，Andrew K Wojtanowicz. Analysis of leak-off tests in shallow marine sediments[J].Journal of Energy Resources Technology，2002，124（4）：231-238.

[4] Peng Engao，Liu Zhenglin，Tian Yuzhong，et al.Experimental study on friction-induced vibration of water-lubricated rubber stern bearing at low speed[J].Applied Mechanics & Materials，2010（44-47）：409-413.

[5] Peng Engao，Liu Zhenglin，Lan Fang，et al.Research on noise generation mechanism of rubber material for water-lubricated bearings[J].Applied Mechanics and Materials，2011（84-85）：539-543.

[6] 秦紅玲.水潤滑復合橡膠尾軸承摩擦學問題研究[D].武漢理工大學，2012.

[7] 張樂天，蔣淦清.對船用橡膠軸承若干問題的探討[J].武漢水運工程學院學報，1979（2）：55-79.

[8] 余歆尤，張啟浩，羅松承.水潤滑陶瓷軸承的試驗研究[J].潤滑與密封，1997（3）：49-51.

[9] 張仁坤.排灌泵用水潤滑軸承[J].湖南農(nóng)機，2001（3）：13-14.

[10] Guo Hun，Zuo Dunwen，Wang Shuhong，et al.Effect of tool-path on milling accuracy under clamping[J].Transactions of Nanjing University Aeronauties & Astronautics，2005，22（3）：234-239.

[11] 袁英光.N+注入SiC陶瓷的表面結(jié)構(gòu)及水潤滑摩擦學特性研究[D].南京航空航天大學，2008.

[12] FZhou，KAdachi，KKato.Comparisons of tribological property of a-C，a-CNx and BCN coatings sliding against SiC balls in water[J].Surface & Coatings Technology，2006，200（14-15）：4471-4478.

[13] F Zhou，K Adachi，K Kato.Friction and wear properties of CNx/SiC in water lubrication[J]. Tribology Letters，2005，18（2）：153-163.

[14] Harish Hirani，Manish Verma.Tribological study of elastomeric bearings for marine propeller shaft system[J].Tribology International，2009，42（2）：378-390.

[15] Roy L，Orndorff Jr.Water-lubricated rubber bearings，history and new developments[J]. Naval Engineers Journal，1985（7）：39-52.

[16] 彭晉民，王家序.提高水潤滑軸承承載能力關(guān)鍵技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2005，36（6）：149-151.

[17] RL Daugherty，NT Sides.Frictional Characteristics of Water-lubricated Compliant-Surface Stave Bearings[J].ASLE Transactions，1981（24）：293-301.

[18] 孫文麗，王優(yōu)強，時高偉.海水潤滑賽龍?zhí)沾奢S承的摩擦學性能研究[J].潤滑與密封，2010，35（4）：65-67.

[19] 孫文麗，王優(yōu)強，時高偉.海水潤滑賽龍材料磨損機制分析[J].潤滑與密封，2011（7）：48-51.

[20] 孫文麗，王優(yōu)強，時高偉.賽龍軸承材料摩擦學性能的試驗研究[J].潤滑與密封，2011，36（5）：36-39.

[21] 肖科，王家序，張榆，等.納米級氧化鋅晶須對水潤滑軸承材料的改性研究[J].潤滑與密封，2004（2）：38-39.

[22] 王海寶，王家序，彭晉民，等.丙烯酸酯對丁腈橡膠力學性能的影響[J].潤滑與密封，2003（2）：64-65.

[23] Bharat Bhushan，F(xiàn)rank Dashnaw.Material Study For Advanced Stern-tube Bearings And Face Seals[J].ASLE Transactions，1981（24）：398-409.

[24] Bharat Bhushan，Stanley Gray，Richard W Graham.Development of low-friction elastomers for bearings and seals[J].LUBR END，1982（38）：626-634.

[25] MI Guseva，PM Lysenkov，EV Sokov，et al. Surface modification of rubber inserts in stern bearings by ion implantation technique[J].Trenie i Iznos，1993，14（4）：742-747.

[26] 王浩.新型水潤滑橡膠尾軸承試驗研究[D].武漢理工大學，2012.

[27] 郭力.水潤滑軸承研究的進展[J].精密制造與自動化，2007（1）：6-10.

[28] Meng D，Shalaby W.Properties of self-reinforced ultra-high-molecular-weight polyethylene composites. Biomaterials，1997，18（9）；645-655.

[29] 張緒平，周華茂，康學勤.納米CuO填充UHMWPE基復合材料摩擦學性能的研究[J].塑料，2003，32（5）：15-17.

[30] 陳戰(zhàn)，王家序，秦大同.超高分子量聚乙烯工程塑料的摩擦磨損性能研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2002，33（1）：103-105.

[31] 陳戰(zhàn)，王家序，秦大同，等.填料對超高分子量聚乙烯摩擦磨損性能的影響研究[J].潤滑與密封，2001（4）：34-35.

[32] 潘炳力，李寧，杜三明，等.相變微膠囊改性UHMWPE復合材料的摩擦學性能[J].摩擦學學報，2014，34（6）：631-640.

[33] 趙安赤，陳民，王映強.超高分子量聚乙烯加工的高新技術(shù)[J].塑料科技，1997（6）：13-15.

[34] Lee EH，Lewis MB，Blau PJ，etal.Improved surface properties of polymer materials by multiple ion beam treatment[J].Journal of Materials Research，1991（6）：610-628.

[35] Ramamuri B S.Loci of movement of selected points on the femoral head during normal gait[J].Journal of Arthroplasty，1996，11（7）：845-852.

[36] 熊黨生.氧離子注入增強人工關(guān)節(jié)軟骨材料——UHMWPE的耐磨性[J].生物醫(yī)學工程學雜志，2003（4）：583-585.

[37] 熊黨生，張彥華，徐嘉東.氮離子注入超高分子量聚乙烯的生物摩擦學性能[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2001，20（4）：380-383.

[38] 熊黨生.離子注入超高分子量聚乙烯的摩擦磨損性能研究[J].摩擦學學報，2004（3）：244-248.

[39] Klapperich CM，Komvopoulos K，Pruitt L.Plasmasurfacemodificationofmedical-gradeUHMWPE for improved tribologicalproperties[J].materialsResearch Society Symposia Proeedings，1999，550（33）：1-336.

[40] 呂紅明，張立軍，余卓平.汽車盤式制動器尖叫研究進展[J].振動與沖擊，2011（4）：1-7.

[41] 陳光雄，周仲榮，謝友柏.摩擦噪聲研究的現(xiàn)狀和進展[J].摩擦學學報，2000（6）：478-481.

[42] TA Simpson，RA Ibrahim.Nonlinear friction-induced vibration in water-lubricated bearings[J].Journal of Vibration and control，1996（2）：87-113.

[43] 田宇忠，劉正林，金勇，等.水潤滑橡膠尾軸承鳴音試驗研究[J].武漢理工大學學報，2011（1）：130-133.

[44] AI Krauter.Generation of Squeal/chatter in water-lubricated Elastomeric Bearings[J].Journal of lubrication technology，1981（103）：406-413.

[45] Bharat Bhushan.Stick-slip induced noise generation in water-lubricated compliant rubber bearings[J].Journal of lubrication technology，1980（102）：201-212.

[46] 彭恩高.船舶水潤滑橡膠尾軸承摩擦振動研究[D].武漢理工大學，2013.

[47] 姚世衛(wèi)，楊俊，張雪冰，等.水潤滑橡膠軸承振動噪聲機理分析與試驗研究[J].振動與沖擊，2011，30（2）：214-216.

[48] 金勇，劉正林.水潤滑橡膠艉軸承動態(tài)性能的試驗與分析[J].噪聲與振動控制，2011，31（4）：64-68.

[49] 周廣武，王家序，李俊陽，等.低速重載條件下水潤滑橡膠合金軸承摩擦噪聲研究[J].振動與沖擊，2013，32（20）：14-17.

[50] 陳明，陳澤智，彭旭，等.橡膠軸承材料硬度對軸系振動影響的試驗研究[J].武漢造船，2000（3）：8-10.

[51] 王家序，劉靜，肖科，等.水潤滑橡膠軸承不同結(jié)構(gòu)的摩擦噪聲分析[J].機械傳動，2011，35（9）：12-14.

[52] 周憶，廖靜，李劍波，等.結(jié)構(gòu)參數(shù)對水潤滑橡膠合金軸承摩擦噪聲的影響分析[J].重慶大學學報，2015（3）：15-20.

[53] 戴明城.水潤滑尾軸承流固耦合仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].武漢理工大學，2010.

[54] 周新聰，閆志敏，唐育民，等.低噪聲艦船尾管水潤滑橡膠軸承材料的研究[J].中國造船，2013（2）：77-84.

[55] 黃學文，董光能，周仲榮，等.TiNi合金的耐磨機制及其摩擦學應用研究[J].材料工程，2004（6）：41-44，48.

[56] 秦紅玲，周新聰，閆志敏，等.水潤滑尾軸承振鳴音研究進展[J].噪聲與振動控制，2013（1）：123-126.

[57] 李忠杰，葛孚寧.船舶軸系異常噪聲的分析與控制[J].艦船科學技術(shù)，2010，32（10）：38-40.

[58] Yan Zhimin，Zhou Xingcong，Qin Hongling，et al.Study on tribological and vibration performance of a new UHMWPE/graphit-e/NBR water lubricated bearing material[J].Wear，2015（332-333）：872-878.

[59] 律輝.海水潤滑船舶艉軸承溝槽結(jié)構(gòu)的有限元分析[D].青島理工大學，2014.

[60] Tan Kong Hong Rgan Tanamal.Modelling of Fluid Flow in Multiple Axial Groove Water Lubricated Bearings Using Computationsl Fluid Dynamics[D].Queendlsnd University of Technology，2007.

[61] 王優(yōu)強，律輝，劉前.基于有限元法螺旋槽船舶尾軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].艦船科學技術(shù)，2015（12）：42-47.

[62] 周廣武，李俊陽，裴欣，等.橡膠襯層硬度和厚度對水潤滑軸承系統(tǒng)跳動量的影響[J].重慶大學學報，2016，39（3）：37-42.

[63] 李婷婷.仿生硅藻結(jié)構(gòu)的水潤滑軸承摩擦學性能研究[D].重慶大學，2015.

[64] 袁成清，白秀琴，郭智威，等.基于摩擦學的船舶動力系統(tǒng)能效提升研究[J].船海工程，2016（1）：91-98.

[65] 俞士將.綠色船舶發(fā)展現(xiàn)狀及方向分析[J].船舶，2010，21（4）：1-5.

[66] 嚴新平，袁成清，白秀琴，等.綠色船舶的摩擦學研究現(xiàn)狀與進展[J].摩擦學學報，2012，32（4）：410-420.