摘要：水润滑尾轴承由于具有节能环保、材料资源丰富等特点，一直是各国争相研究的热点之一。该文聚焦于水润滑尾轴承，分析了水润滑尾轴承的摩擦特性，总结了尾轴承材料的改性与选择、振动噪声及结构设计等问题的国内外研究现状，指出了其中所存在的不足并在此基础上展望其发展的新趋势，旨在为船舶水润滑尾轴承的进一步研究提供思路。
近年来，随着环保意识逐渐深入人心及石油资源的日渐枯竭，以水代替传统润滑油作为润滑剂的水润滑尾轴承逐渐走进了人们的视野。由于水润滑尾轴承具有无污染、低成本及材料来源丰富等优点，因此其一直是各国在船舶领域内争相研究的热点。目前国内外对于水润滑尾轴承的研究大多分布在在尾轴承材料选择与改性、振鸣音分析及结构优化这3个方面。传统的油润滑尾轴承往往以金属为衬套，以润滑油为润滑介质，不仅消耗了润滑油与金属资源，而且由于尾轴密封技术的复杂性导致大量润滑油泄露，严重污染了航行水域，随着时下人们环保意识的增强，少数工业发达国家投入了巨额资金及大量精力投入其治理技术和装备研究。除此之外，油润滑尾轴承具有的无功能消耗较大、可靠性不高及振动噪音等问题也难以解决。相比以油作为润滑介质，以水作为润滑介质具有环境友好及来源丰富等优点，因此具有广阔应用前景的水润滑逐渐受到大家的关注和青睐，成为国内外相关领域竞相研究的热点。该文总结阐述了水润滑尾轴承的研究进展，对于其在发展过程中存在的问题及解决办法进行了总结，并对接下来的发展的新趋势进行了展望。
水润滑尾轴承材料的使用主要经历了3个阶段：第一阶段：以铁犁木为代表的木质材料阶段。铁犁木性能优异，但资源日渐稀少，价格昂贵。第二阶段：天然、丁腈、氯丁等单体橡胶材料应用阶段。但是因其一些无法克服的缺点限定了其使用范围，催动了飞龙、尼龙复合性材料的研发和使用。第三阶段：SPA、赛龙、BTG等以橡胶为基体，添加其他材料的复合材料使用阶段。表1列出几种水润滑尾轴承材料优缺点，能够准确的看出，复合材料SPA的性能优于单一材料。整体看来，通过材料改性得到的复合材料由于综合了各自的优点使其性能更优异，作者觉得未来的尾轴承材料发展的新趋势将会以性能优异的高分子及改性复合材料为主，而传统的铁梨木尾轴承材料将逐步被替代。
陶瓷材料相比其他材料更适合在高温、高转速及腐蚀性等特殊的海洋条件下工作，且具有强度高、耐磨性好的性能，因此也被作为水润滑轴承材料的选择对象。余歆尤[8]通过对sialon、Zro
三种陶瓷材料在水润滑条件下进行了轴承实验后，根据结果得出sialon轴承寿命最长，Al
轴承寿命最短，且sialon轴承的摩擦系数较小，摩擦性能更好，更适合作为轴承材料。张仁坤通过对几种陶瓷在水润滑条件下进行摩擦实验，结果显示，WC作轴套的SiC的系径向陶瓷滑动轴承摩擦系数较小，耐磨性较好，适合在无水启动和异物混入的污水中使用。Nastasi等通过在SiC、TiB
C陶瓷与其能形成“类氮化物键”，此种化学键的形成会降低摩擦系数与磨损率。袁英光等发现，将N+注入至SiC后可在水润滑条件下降低其表面摩擦系数及磨损率。N+注入SiC陶瓷前后碳化硅陶瓷的截面磨损形状都是一个抛物线槽，但注入N+后深度低于未注入的深度，证实在水润滑条件下注入N+能大大的提升陶瓷轴承的摩擦性能。Zhou将一层a-CNx薄膜沉积在SiC盘的表面，使沉积薄膜的SiC盘与SiC球在水润滑条件下对磨，发现沉积薄膜后的SiC盘摩擦系数得到了明显的降低，并且缩短了磨合时间，能够准确的看出，采取对陶瓷表面特定涂层的措施有效地降低了其在水润滑条件下的摩损。目前来看，由于陶瓷的脆性导致其承受冲击性能较差且对磨粒的嵌藏性较差等缺点也限制了其使用范围，所以单一的陶瓷材料一定要通过表面再处理或者与其他材料结合使用使其发挥各自优势，从而让陶瓷材料具备广阔的应用前景。
由于橡胶材料具备吸振降噪、抗冲击性能优异、不污染水域且来源丰富等优点，目前被广泛用作尾轴承材料。但由于其承载能力低，设计比压仅为油润滑轴承的1/3等缺点，使其在启动、停机、低速运转等工况下会产生振动噪声，极度影响船舶乘坐的舒适性且易暴露水下航行器的隐蔽性，因此研究人员开展了材料研制及改性等一系列措施对橡胶材料来优化。Roy L. Omdorff Jr通过将丁腈橡胶与UHMWPE共混研制出一种名为SPA的新型尾轴承材料，该种材料具备自润滑性能好、低噪声、低成本等优点。Thordon Bearings Inc.开发出一种称为赛龙的水润滑尾轴承材料，该产品是合成树脂与合成橡胶的混合物，通过三次元交叉结晶热凝性树脂制造而成的聚合物，是一种强固的合成型聚合物，研究根据结果得出赛龙轴承材料相比于其他非金属材料的干摩擦性能较好。肖科等通过正交试验优化BTG的补强剂、软化剂、硫化剂的配方，在最佳配方的基础上加入ZnOw晶须改性。改性后的BTG轴承材料的承载能力得到了明显的提升，其摩擦性能得到了提高，原因主要在于ZnOw独特的结构，很容易实现在基本材料中的三维分布均一化从而使其复合材料的各种物理性能得到各向同性改善。王海宝[22]通过利用丙烯酸酯（ACR）对丁腈橡胶NBR）进行改性，根据结果得出丙烯酸酯对丁腈橡胶的力学性能有很好的增强效果，且质量分数为1.5%～2.0%的丙烯酸酯可使丁腈橡胶的定伸应力、拉伸强度以及扯断伸长率等增加10%以上。Bharat Bhushan等通过在腈类橡胶添加石墨、二硫化钼等固体润滑剂，得到了摩擦性能更好的橡胶材料。M. I.Guseva利用高能离子提高橡胶材料表面的亲水性，使其边界润滑效果更好，更易形成流体动压润滑，大幅度的提升了橡胶的耐磨性，通过橡胶材料的改性极大的提升了其自身的摩擦性能。能够准确的看出通过橡胶材料的改性可以明显提高其摩擦性能，同时研究人员也应对以橡胶为基体的不一样的材料的润滑机理进行深入探索，建立完整的润滑理论体系，从而有助于改善橡胶尾轴承的摩擦噪声问题。
近年来，高分子材料的水润滑轴承逐渐走进人们的视野，其中最为典型就是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由于其分子量在一百万以上，因其分子量高且具有其他塑料无可比擬的优异性能，逐渐发展成为尾轴承材料的新宠。超高分子量聚乙稀具备优秀能力的耐冲击、耐化学腐烛、耐磨损等优异性能，在欧美各国成为尾轴承材料选择的新宠，有资料显示美国军方已经将整体式超高分子量聚乙烯应用到水润滑轴承上。但是，一方面摩擦热量的积累使UHMWPE产生蠕变变形，另一方面UHMWPE的表面硬度较低，抗磨粒磨损能力差，在应力作用下易发生疲劳磨损并遭受磨粒犁切。上述性能特点直接限制了UHMWPE的应用限制范围及使用效果，因此国内外研究人员对UHMWPE材料来了改性措施，逐步优化其自身的性能。Meng通过以UHMWPE为基体加入UHMWPE纤维，由于基体和添加物纤维化学成分相同，因此化学相容性很好，界面结合力很强，与没加UHMWPE纤维前相比，其拉伸性能、抗蠕变性能、抗冲击性能都有明显改善。张绪平]等用不同含量的纳米CuO颗粒填充UHMWPE，通过在干摩擦实验条件下与45#钢对磨，结果发现加入纳米CuO的复合UHMWPE材料相比纯UHMWPE的耐磨性有明显提高，而且随着加入纳米CuO含量的增加，起主导作用的磨损机理将由最初的粘着磨损逐渐转化为最后的磨粒磨损。陈战、王家序等对UHMWPE基体填充了碳纤维、玻璃纤维、石墨等材料，结果发现添加石墨后降低UHMWPE的摩擦系数效果最明显，而加入玻璃纤维后增大了UHMWPE的摩擦系数，因此石墨作为对UHMWPE的改性润滑剂较纤维性能更优异；同时，在填充物比例不超过20%时，耐磨性都有明显改善。潘炳力、李宁等通过以密胺树脂为囊壁材料，以石蜡为囊芯材料，并将制备的相变微胶囊作为填料添加入UHMWPE基体中，制得相变微胶囊改性UHMWPE复合材料，如图1所示。研究人员通过一系列分析其硬度和物相组成，并研究了该复合材料在室温、低速和高速等工况下的摩擦磨损性能。结果显示：微胶囊填料的加入能够更好的起到较好的减摩降磨作用，填料的最适宜添加比例为20%，在低速试验条件下经改性的复合材料摩擦系数较UHMWPE降低60%以上，高速试验条件下改性后的复合材料耐磨性较之纯UHMWPE有明显提高。
清华大学赵安赤等采用过氧化二苯甲酰为交联剂对UHMWPE进行化学交联改性，经研究之后发现，当氧化二苯甲酰质量分数为0.25wt%时，交联改性后的UHMWPE 冲击强度约为纯UHMWPE的1.5倍，同时交联改性后的UHMWPE的热变形温度也得到增强，最大的氧化二苯甲酰填充量不超过1wt%。Lee等通过辐射交联增加了UHMWPE表面的光滑度和硬度而使得其耐磨性能提高，Ramanurti认为辐射交联能阻止分子的线性排列并使得交叉剪切力变弱，降低磨屑量的产生，最终提高UHMWPE的摩擦性能。熊党生通过等对UHMWPE表明上进行N+、O+、C+、He+注入改性，研究根据结果得出，适当高能量和低剂量的离子注入的样品表明产生了类石墨结构并且与石墨有类似的磨损行为，因此可显著提升材料表面硬度、提高其抗磨损性和抗粘性。Klapperich利用低温Ar/C
等离子轻微交联UHMWPE并且接枝或沉积CFx基团到其表面。交联的UHMWPE表面能抑制结晶区域沿着磨损方向的排列，从而增强耐磨性能。同时低表面能的CFx基团也会降低表面粘附力。当前对于UHMWPE材料的改性大多分布在在UHMWPE的填充改性、表面改性及UHMWPE摩擦对偶材料的改性，这些改性都取得了一定的进展，但是也存在一些问题，比如一些改性手段只是适合生物医学领域，对于工业领域特别是应用在工况恶劣的船舶尾轴承上还存在一些亟待解决的问题，但随着节能环保观念的推广UHMWPE作为水润滑尾轴承材料将会倍受青睐，能够准确的看出UHMWPE在未来将会在工业轴承领域内扮演重要角色，由此产生巨大的经济效益。
船舶尾轴承在低速重载等极端工况下，由于极难形成弹性流体动压润滑膜，使水润滑尾轴承处于边界润滑甚至是干摩擦状态，加剧了尾轴承的摩擦磨损，极易产生摩擦噪声，严重影响了船舶乘坐的舒适性及军事舰船的隐蔽性。近年来，国内外研究人员针对船舶尾轴承的振鸣音问题进行了大量的研究，但是由于问题的复杂性，目前对于振动的产生机理及抑制措施还没形成完整系统的体系，该文针对船舶尾轴承振鸣音机理、影响因素及抑制措施目前国内外所取得的研究成果进行总结，为研究人员相互借鉴提供参考，从而为优化水润滑尾轴承性能、改善其振动噪声问题提供帮助。
近年来，研究人员基于不同的摩擦特性，分析了多自由度系统的不稳定性，从而对尾轴承的振鸣音产生机理进行解释。针对其产生机理，目前认为最重要的包含：粘着-滑动、摩擦-速度负斜率、自锁-滑动、模态耦合和锤击理论。Simpson等提出了水润滑轴承非线性二自由度系统动力学模型，对耦合系统的摩擦力随时间变化的非线性响应进行数值模拟计算，研究根据结果得出振动在频域上的高频重叠产生了摩擦噪声，而这种摩擦噪声主要根据摩擦-速度曲线的斜率。田宇忠等通过实验发现轴承的润滑状态对于噪声的产生影响最大，而润滑状态则取决于轴颈与轴承的直接接触面积和摩擦系数-速度曲线负斜率，A.I. Krauter的研究也得到了同样的结论。Bharat Bhushan针对橡胶尾轴承的振鸣音进行了研究，根据结果得出尖叫是橡胶轴承表面粘-滑运动导致的一种噪声现象，并且这种粘-滑现象是橡胶材料的本质属性。彭恩高通过水润滑尾轴承振动实验发现自激振动的摩擦噪声出现在低速工况下，研究还表明振动信号具有很强的非线性且振动强度与转轴频率无关。姚世卫对于不同工况对振鸣音的影响进行了实验研究，根据结果得出低速重载的工况下最容易产生噪声，冷水的流量在一些范围内对轴承的噪声无太大影响，但当低于某一特定数值时润滑状态急剧下降。尽管以上学者针对尾轴承的振动噪声问题进行了大量的数值仿真及实验研究，但仍有一些实际问题没有正真获得很好的解释，比如通过实船测试发现即便不是在低速重载的情况下也会产生一定的噪声，对于船舶尾轴承的噪声问题还有待进一步研究。
深入研究尾轴承振动噪声的影响因素，對于深刻揭示尾轴承的振鸣音机理，有效抑制摩擦噪声，提高舰船的乘坐舒适性、安全隐蔽性具备极其重大意义。系统的摩擦振动和噪声与多种因素相关，最主要的是比压、温度、线速度及轴承的结构等因素。武汉理工大学金勇通过Pulse实验测试的方法对橡胶尾轴承台架进行了数据采集与分析，实验根据结果得出在低速下由自身特性导致的水平和垂直方向上的振动大多分布在在2 000 Hz以下。重庆大学的周广武研究了在低速重载条件下的水润滑橡胶合金噪声问题，应用了有限元软件对尾轴承在不同摩擦系数、载荷和速度条件下进行了复模态分析，实验根据结果得出摩擦系数越大，模态耦合程度越高，导致轴承系统稳定性越差，越易产生摩擦噪声。Bharat Bhushan以玻璃滑块与橡胶试块配副摩擦对载荷、速度、橡胶板条的厚度、硬度及相互运动表面之间的润滑剂、粗糙度等多个因素对于噪声产生的影响进行了研究，根据结果得出噪声的频率与橡胶的弹性模量、切变模量和厚度都有关，噪声的产生与橡胶表面的摩擦系数有关，摩擦系数越大，表面越干净，产生噪声的可能性越大。陈明[50]在轴系平台上对不同硬度橡胶轴承材料开展了振动噪声的实验研究，实验根据结果得出硬度大的橡胶材料对于降低轴承振动效果明显，原因是当橡胶材料的硬度提高后其弹性刚度增加，阻尼降低，从而与负载对轴系的刚性固定作用一起，加强了对轴系的振动压制效果。王家序团队研究了尾轴承结构对于摩擦噪声的影响，包括水润滑轴承过渡圆弧半径大小、水道槽半径大小及水槽数量等因素，研究之后发现这一些因素对于尾轴承噪声的产生具有一定影响，因此，合理设计、优化尾轴承结构对于降低噪声具有一定作用。
目前抑制尾轴承振动噪声的措施大多分布在在尾轴承结构设计及摩擦材料选择这两方面。周忆通过复模态分析方法建立水润滑橡胶合金轴承系统仿真模型，研究了尾轴承结构参数对其在低速重载条件下出现摩擦噪声可能性的影响，研究表明，水润滑橡胶轴承的水槽半径大小、摩擦面形状对尾轴承出现噪声有较大影响，而对水槽的形状影响不大，对一定结构尺寸的水润滑橡胶合金轴承，水槽半径为4 mm、平面型摩擦面的结构可大幅度减少尾轴承出现噪声的可能性。美国B.F. Goodrich company公司研究了平面型和凹面型两种板条形状的尾轴承，发现平面型的滑动摩擦系数明显小于凹面型，更能降低尾轴承的摩擦噪声，武汉理工大学戴明城通过实验分析与仿真研究表明，平面型相比凸面型更易形成弹-塑流体动压润滑，从而减小振动噪声。周新聪通过以丁腈橡胶为基体，加入UHWMPE和石墨物质进行混炼，得到一种名为SPB-N的复合橡胶材料，通过在尾轴承台架上进行试块与轴承实验，根据结果得出其机械物理性能达到了中国船标CB/T 769-2008的要求，该种材料在动压润滑区不发生粘-滑现象，在混合边界润滑区会发生粘-滑现象，只有在干摩擦状态下才会产生瞬间噪声，相比传统材料性能有较大的提高。清华大学黄学文认为TiNi合金是一种低噪声、高效率的摩擦材料，通过与轴承钢进行干摩擦实验发现相比45#钢，TiNi可以明显降低噪声，TiNi合金综合性能较好，因此可在尾轴承上进行一定的应用。除了以上研究人员提出的对尾轴承的降噪措施外，秦红玲提出要加强质量控制，通过对尾轴承的噪声标准做严格的规定，降低噪声。李忠杰认为在船舶设计及建造过程中通过提高轴系校中精度能够有效减小轴系噪声。当前船舶尾轴承振鸣音研究仍是以实验台架研究为主要手段，对实船的测试很少。因此，通过仿真计算与实验研究相结合，利用先进测试设备是当前研究尾轴承振动噪声的主要手段，在此基础上，考虑各种各样的因素，准确分析尾轴承振动噪声产生机理，为尾轴承结构设计、材料选择上提供借鉴，从而更利于企业生产低噪声、长寿命的尾轴承。
合理设计尾轴承结构对于提高其承载能力，降低噪声及改善其润滑性能至关重要。水润滑尾轴承的结构参数最重要的包含摩擦面形状、水槽形式，此外材料的理化性能也會对其性能产生一定的影响，如橡胶尾轴承的橡胶层厚度及硬度，如图2所示为常见的橡胶尾轴承结构，该文通过阐述近年来广大研究人员对尾轴承结构参数所取得的成果，为工程实际应用提供借鉴。
重庆大学周忆等通过研究平板型和圆弧型状结构的水润滑橡胶合金轴承摩擦噪声的对比试验，研究根据结果得出圆弧型摩擦面的不稳定模态及耦合模态实部最大值出现的频率都大于平面型摩擦面，原因是圆弧型摩擦面的有效接触面积要大于平面型接触面，从而增加噪声出现的可能性。武汉理工大学刘正林团队通过实验与仿真表明，平面型相比凹面型和凸面型更易于形成弹-塑流体动压润滑，因此拥有非常良好的启动性及低速运转性，所以从降低尾轴承振鸣音的临界速度及摩擦因数的角度考虑，平面型结构更好。青岛理工大学律辉、王优强等通过对平板型板条、凸弧型板条、凹弧型板条3种结构可以进行有限元分析，根据结果得出平板型力学性能为最优，因为其在最大位移量、最大应力值、最大应变值等方面都要优于其他两种形状。为了更好的提高尾轴承冷却润滑及排除泥沙介质的效果，通常在尾轴承内表面开有不同的沟槽结构，目前在实际应用中主要有螺旋式沟槽结构及纵向式沟槽结构两种。T.K.H.R. Tanamal通过对纵向水槽结构尾轴承进行数学建模分析，在不同轴承偏心率及不同润滑剂的条件下进行仿真分析，得到的结果为当开有纵向水槽时，降低了水膜压力及轴承承载力。王优强针对圆弧型、矩形、燕尾型3种结构的螺旋槽尾轴承结构尺寸优化问题进行了静力分析和模态分析，根据结果得出通过优化矩形槽和燕尾槽的外形结构能够获得理想的尺寸参数，而通过优化圆弧型螺旋槽半径外观尺寸结构，虽能提高尾轴承的力学性能和动态特性，但却使尾轴承的总质量有明显降低。
此外，橡胶尾轴承的橡胶层硬度和厚度也对其性能具有一定影响Daugherty等认为橡胶层应该以薄为好，美国B F Goodrich公司指出当橡胶层厚度最小为2.39～7.95 mm时，轴承的摩擦因数最低。周广武通过建立水润滑橡胶轴承系统有限元接触模型，着重研究了不同橡胶硬度和厚度对水润滑橡胶轴承系统跳动量的影响，研究根据结果得出水润滑橡胶系统跳动量随橡胶硬度增大而显著减小，当硬度在85～95 Shore A时，主轴的跳动量较小，水润滑橡胶系统跳动量随橡胶厚度的增加而逐渐增大，当橡胶硬度较低时，系统的跳动量随橡胶厚度变化越显著，当硬度较高时，轴承跳动量变大的趋势逐渐变缓慢，说明橡胶的厚度与硬度对跳动量的影响存在协同作用。尾轴承结构中一些其他参数也会影响其性能，王家序研究了水润滑尾轴承的过度圆弧半径、水道槽半径、水道槽数量对摩擦噪声的影响，研究根据结果得出过渡圆弧半径越大，轴承产生噪声的可能性越大，随着水道槽的半径及数量的增加，轴承发生噪声的可能性变小。从以上研究工作能够准确的看出，合理设计尾轴承结构将会对提高其摩擦性能，降低噪声产生重要意义，从生产的角度考虑，能够合理优化设计尾轴承结构将会有效地节约材料，降低生产所带来的成本，从而为企业创造出经济效益。
从国内外研究人员围绕水润滑尾轴承的大量实验及理论分析能够准确的看出：（1）水润滑尾轴承具有节能环保的优点，将具有广阔的应用前景，同时尾轴承材料的选择也将以低摩擦、低噪声、良好的可靠性为发展趋势，而高分子材料及复合材料将会成为水润滑尾轴承材料的重要研究方向；（2）船舶尾轴承的振鸣因问题一直亟待解决，由于问题的复杂性，只有加强实验分析与理论探究，进一步探索振鸣音机理及影响因素，才能在不同的运转工况下采取比较有效的抑制措施；（3）尾轴承的结构设计将会对其摩擦性能及振动噪声产生一定影响，因此，应该合理优化尾轴承摩擦面形状、水槽形式、橡胶层厚度和硬度等结构参数；（4）尾轴承的材料选择、振动噪声及结构设计三者之间相互影响、相互关联，应通过三者的协同调控达到性能最优化的目标。
水润滑尾轴承目前的研究手段主要为试验台架及理论数值分析，针对实船测试的报道很少，为了使尾轴承的测试更具有说服力，可优先考虑在实际工况下做必要的实验。由于目前尾轴承材料选择及改性的多样性、振动噪声问题的复杂性及尾轴承结构参数的多样性，导致研究人员的相互借鉴存在一定的困难，作者设想通过对研究条件及研究结果进行一定的科学分类及对已有的数据和研究成果进行规范化，建立共享的数据库，旨在加快水润滑尾轴承的研究进程。
尾轴承的摩擦学问题作为多学科交织问题，也应广泛借鉴其他领域学科的思想和方法。近年来仿生学的出现同样为尾轴承的研究提供了一定的借鉴之处，重庆大学李婷婷以硅藻圆筛藻的多孔层结构为仿生对象，设计并优化出一种新型的复合微造型结构，并将其设计应用到水润滑轴承内表面，通过数值仿真的方法研究显示复合微造型结构有效地改善了尾轴承的表面摩擦性能。袁成清提出通过将传统尾轴承材料铁梨木中树脂制作出微胶囊结构，将其填充到综合性能优异的高分子材料作为自润滑结构来增强尾轴承材料润滑性能。通过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，进而为尾轴承结构设计及材料选择提供新思路，最终优化尾轴承的摩擦性能。
随着“绿色船舶”及“绿色摩擦”的观念深入人心，针对船舶尾轴承污染问题各国及海事组织都制定了一定的规范标准，我国不仅是一个海洋大国，而且含有众多内河及三峡水库等船舶航行水域，以水代替油作为尾轴承润滑介质，以非金属材料代替金属作为尾轴承材料将会对保护我国水域无污染具备极其重大意义。相信在广大研究人员的努力下，对尾轴承材料选择、摩擦振动及结构设计等所有的环节进行积极探索，水润滑尾轴承的研究进程及应用将会得到长足发展。
船舶水润滑尾轴承研究进展 _ 密封无忧网（）（部分专业相关知识来源互联网）
