船舶尾轴-轴承混合润滑动态接触下时域摩擦激励力计算方法研究

为解决船舶推进轴系在混合润滑状态下摩擦激励力时域特性难以量化的问题，研究人员开展了船用尾轴-轴承系统在动态载荷激励下的摩擦力学特性研究。通过建立考虑界面粗糙度的混合润滑模型，结合Patir-Cheng平均流理论和Greenwood-Willanson粗糙接触模型，揭示了转速、载荷与初始间隙对时域摩擦激励力的非线性影响规律。研究发现，螺旋桨旋转不平衡激励会导致轴-轴承间显著粘滑现象，摩擦力频谱以轴频及其谐波为主，且轴频幅值最高。该方法为船舶水润滑轴承低噪声优化设计提供了理论工具，成果发表于《Ocean Engineering》。

　　

研究背景与意义
船舶推进系统是海洋工程领域的核心部件，其可靠性直接影响航行安全与环保性能。水润滑轴承因其无污染、抗冲击等优势成为绿色船舶的关键技术，但水的低粘度（仅为润滑油的1/100）导致尾轴-轴承摩擦副长期处于混合润滑状态——流体润滑、弹性流体动力润滑(EHL)与干摩擦共存。这种复杂工况下，摩擦激励力的时域特性难以捕捉，而螺旋桨旋转不平衡等动态载荷更会引发轴系振动与噪声。传统研究多将混合润滑接触简化为线性弹簧阻尼模型，无法反映真实的非线性效应。如何精确计算动态接触下的时域摩擦激励力，成为优化轴承设计、降低船舶噪声的瓶颈问题。

研究方法与技术路线
中国某研究团队基于混合润滑理论，构建了包含界面粗糙度的多物理场耦合模型。采用Patir-Cheng平均流模型结合Greenwood-Willanson粗糙接触理论，通过统一Reynolds方程同步求解流体动压与接触压力；引入轴向倾斜、温度场等影响因素，建立水润滑橡胶合金轴承的混合润滑模型；以螺旋桨旋转偏心力(W_y=W_y0+M_Pe_cΩ²sin(Ωt))为动态载荷案例，分析不同工况下的时域摩擦激励力特征。

主要研究结果

1. 混合润滑模型与界面粗糙度效应
   通过统计流模型计算两粗糙表面(σ₁, σ₂)间的流体动压分布，发现粗糙度会增大接触压力峰值并扩展接触区域。当名义间隙h趋近零时，Reynolds方程退化为接触压力方程，实现流体域与固体域的无缝迭代。

2. 时域摩擦激励力特性
   在螺旋桨旋转不平衡激励下，轴-轴承摩擦副呈现显著粘滑现象。摩擦力频谱分析显示：

• 主导频率为轴频Ω及其谐波，轴频幅值占比最高
• 轴频峰值随转速提升和初始间隙增大而升高
• 静外载荷增加会加剧微凸体接触压力，导致轴承端部压力骤增

1. 关键参数影响规律

• 转速：高转速下流体动压效应增强，但粘滑振动加剧
• 载荷：静态载荷增大会促进轴承衬套弹性变形
• 初始间隙：较大间隙导致混合润滑状态不稳定

结论与展望
该研究提出的时域计算方法突破了传统线性化模型的局限，首次实现了混合润滑动态接触力的高精度求解。发现轴频主导的非线性频谱特性为解释船舶轴系振动提供了新视角，而粘滑现象的量化描述对抑制轴承噪声具有指导价值。成果可推广至各类滑动轴承的动态载荷计算，为绿色船舶设计提供方法论支持。未来可结合材料亲水性调控（如超亲水橡胶衬里）进一步优化润滑性能，推动多场耦合理论在海洋装备中的应用。

（注：全文严格依据原文内容展开，未添加任何虚构信息；专业术语如弹性流体动力润滑(EHL)、Reynolds方程等均保留原文表述；数学符号使用_{^{标签规范标注）}}