第１章绪论
　　1.1 船舶推进系统
　　船舶航行需要一个与阻力相等而方向相反的推力。在船舶的不同发展阶段，这种推力由不同形式的推进系统产生。推进系统经历了摇橹、风帆、明轮和近代的内燃机驱动螺旋桨的发展历程（图1-1）。创造高效、可靠的船舶推进装置一直是人们的不懈追求。目前，“原动机+传动+螺旋桨”的轴驱推进模式是军船和商船应用*广泛的推进模式，这种模式具有动力大、设计方法和制造工艺成熟等优点。随着电力电子、水动力和轴承等技术的发展，不断涌现出新型推进技术，主要表现出两个趋势：内燃机机械动力向电动力转变、分离式驱动向集成直驱转变。其中，吊舱电力推进器和轮缘驱动推进器是两个*有代表性的直驱电力推进器。
　　1.1.1 轴驱式推进系统
　　轴驱式推进系统一般由螺旋桨、传动轴系、主机等构成，如图1-2 所示，其中传动轴系是船舶对外传递功率的重要部分。在工作过程中螺旋桨受水的反作用力经传动轴系传递驱动船舶运动。
　　由图1-2 可知，传动轴承一般包括推力轴承、中间轴承和尾管轴承。其中，推力轴承用于承受螺旋桨所产生的推力或拉力，使船舶前进或倒航，同时承担推力轴的径向负荷。中间轴承用于承受中间轴的径向负荷和轴系的自重，以及减小轴系的挠度。尾管轴承用于承受螺旋桨在水中回转时的不均匀悬臂负荷，以及轴或螺旋桨偶然碰到障碍物时的动力负荷和运转过程中可能产生的附加振动力。
　　在传统轴驱式推进系统中，传动轴系长度可达几十米甚至一百米，占用部分船舱，导致空间利用率低下。此外，复杂的轴系结构使能量在传递过程中损耗增大，传递效率降低，同时也导致保养和维护难度增加，维修成本高。在船舶运行过程中，由传动轴系、齿轮箱等传动机构产生的振动占振动总量的60%～70%，严重影响军用舰艇的隐蔽性和游轮等的舒适性。
　　轴驱式全回转推进装置通过伞齿轮传动机构驱动螺旋桨，缩短了传动环节，而且回转装置可以实现螺旋桨绕竖轴做360°转动。它替代舵装置，常用于渡船等对操控性要求很高的船舶中。
　　1.1.2 轮缘驱动推进系统
　　在节能、绿色和舒适的技术发展趋势下，采用电力直驱模式来完成电能与机械能的无传动转化是能源与动力高端装备领域的未来战略性技术之一。轮缘驱动推进器（rim-driven thruster，RDT）是一种高度集成的电力直驱系统，其结构原理如图1-3 所示。轮缘驱动推进器将永磁电机、螺旋桨、水润滑轴承和舵集成一体，吊装在船体之外，取消了贯穿船体的机械轴，规避了轴系振动、密封泄漏和传递能耗等难题，是现代船舶推进技术的革命性创新，有望大幅提升军用舰艇的隐蔽性，其节能、无润滑油污染等优势对民用船舶也非常有吸引力[1]。据测算，与传统机械轴推进器相比，轮缘驱动推进器可节省船舱空间的15%～25%、节能6%～10%、降噪10～20 dB。但目前已有的轮缘驱动
　　推进器产品功率较低，一般不超过1 MW，单个轮缘驱动推进器难以满足大型舰艇和运输船舶的主推进需求，攻克这一关键难题，对实现节能、绿色航运和舰艇低噪推进，突破电力直驱高端装备共性技术有重大意义。
　　从结构上看，轮缘驱动推进器可分为有桨毂型、无桨毂型，也可分为单桨、对转桨或多级串联桨等形式。轮缘驱动推进器可以单独使用，也可以与其他机构组合使用，例如与全回转机构组合形成全回转式轮缘驱动推进器（图1-4）、与翘摆式机构组合形成翘摆式轮缘驱动推进器、与升降机构组合形成升降式轮缘驱动推进器、与舵轴组合形成摆舵式轮缘驱动推进器。从用途上看，轮缘驱动推进器可以做主推进也可以用于侧推或辅推。轮缘驱动推进器在鱼雷、无人潜航器、潜艇等军事装备制造领域发挥了巨大的作用，而且在邮轮、客轮、渡船、游船、工程船等各型船舶中也有广阔的应用前景。轮缘驱动技术也可用于轮缘驱动电力水轮机、轮缘驱动潮流能发电机、轮缘驱动风机等装置。
　　1.2 船舶水润滑轴承
　　无论是轴驱式推进装置还是轮缘驱动推进装置，水润滑轴承都是其中关键的功能保障部件。水润滑轴承及相关标准、法规的发展如图1-5 所示。随着材料科学、设计技术的发展及相关法规标准的日益规范，船舶水润滑轴承得到了长足发展和大范围推广应用，继而促进了材料及设计的进步。无轴推进技术的发展应用，使水润滑轴承在船舶上的应用从径向轴承扩展到推力轴承领域。
　　油润滑轴承这种需要消耗大量矿物油和贵金属资源的尾轴承形式与环境保护和资源节约的发展趋势相悖，且其结构复杂，摩擦、磨损、振动、冲击、噪声和无功能耗难以降低。水润滑轴承作为一种环境友好、资源节约和噪声较低的解决方案，符合节能、环保和绿色航运的发展需求，同时，其结构更加简单，采用橡胶等高分子轴承材料，在减振降噪方面有着显著优势，因此有着广阔的应用前景，在船舶领域可用于取代油润滑轴承。随着船舶设计要求的提高，对影响水润滑轴承运行性能的振动噪声指标和影响服役寿命的减摩耐磨指标的要求日益严苛，需要对水润滑轴承的材料和结构进行更加深入的研究[2] 。
　　1.2.1 类型及功能
　　水润滑轴承按结构可分为水润滑径向轴承、水润滑推力轴承和水润滑径-推联合轴承，如图1-6所示。其中，水润滑径向轴承主要承受径向载荷，水润滑推力轴承主要承受轴向载荷，水润滑径-推联合轴承则可以同时承受轴向载荷和径向载荷。在船舶推进轴系中，尾轴及螺旋桨重力引起的载荷由水润滑尾轴承承载，该轴承的结构形式是径向轴

目录
第1章　绪论　1　
1.1　船舶推进系统　3　
1.1.1　轴驱式推进系统　3　
1.1.2　轮缘驱动推进系统　4　
1.2　船舶水润滑轴承　5　
1.2.1　类型及功能　6　
1.2.2　影响因素　7　
1.2.3　润滑系统　9　
1.3　水润滑尾轴承结构　9　
1.3.1　长径比　10　
1.3.2　摩擦面及水槽方案　10　
1.3.3　间隙　11　
1.3.4　内衬厚度　12　
1.4　水润滑推力轴承结构　12　
1.4.1　固定瓦推力轴承　13　
1.4.2　可倾瓦推力轴承　13　
1.4.3　磁液双浮推力轴承　15　
1.5　典型水润滑轴承材料及特性　16　
1.5.1　橡胶　16　
1.5.2　树脂基复合材料　17　
1.5.3　梯度材料　18　
1.6　水润滑轴承研究进展及发展趋势　19　
1.6.1　研究进展　19　
1.6.2　发展趋势　23　
参考文献　24　
第2章　水润滑轴承摩擦学性能参数介入式识别技术及试验　27　
2.1　水润滑轴承试验台　29　
2.1.1　试块试验台　29　
2.1.2　径向轴承试验台　33　
2.1.3　推力轴承试验台　34　
2.1.4　轴系试验台　36　
2.2　水润滑轴承温度识别技术　39　
2.2.1　基于热电阻和热电偶的温度识别技术　39　
2.2.2　其他温度识别技术　40　
2.3　水润滑轴承水膜压力识别技术　41　
2.3.1　轴承体嵌入式识别技术　41　
2.3.2　转轴嵌入式识别技术　43　
2.4　水润滑轴承磨损识别技术　43　
2.4.1　传统磨损识别技术　43　
2.4.2　超声磨损识别技术　44　
2.5　偏载对水润滑尾轴承润滑特性影响试验　45　
2.5.1　测试方法　45　
2.5.2　润滑特性　46　
2.6　流量对水润滑尾轴承润滑特性影响试验　47　
2.6.1　水膜压力　47　
2.6.2　水膜厚度　49　
2.7　标高对水润滑尾轴承润滑特性影响试验　50　
2.7.1　水膜压力　51　
2.7.2　轴心轨迹　52　
2.8　水润滑推力轴承摩擦与磨损试验　53　
2.8.1　摩擦特性测试　53　
2.8.2　磨损特性测试　55　
参考文献　57　
第3章　水润滑轴承水膜分布非介入式识别技术及试验　59　
3.1　基于荧光成像的水润滑轴承水膜分布识别技术　61　
3.1.1　识别原理　61　
3.1.2　测试系统　62　
3.1.3　荧光光强-水膜厚度关系标定　63　
3.2　基于超声的水润滑轴承水膜分布识别技术　65　
3.2.1　识别模型　65　
3.2.2　测试系统　67　
3.2.3　验证试验　69　
3.3　推力轴承膜厚分布识别试验　73　
3.4　径向轴承膜厚分布识别试验　75　
3.4.1　轴承试验台　75　
3.4.2　试验结果及分析　77　
参考文献　79　
第4章　水润滑尾轴承动特性参数识别技术及试验　81　
4.1　偏载下水润滑尾轴承动特性　83　
4.1.1　径向多层刚度叠加特性　83　
4.1.2　轴向刚度分布特性　83　
4.2　偏载下水润滑尾轴承分布式动特性参数识别技术　84　
4.2.1　试验台及轴倾斜模拟方法　84　
4.2.2　激振方案及算法　86　
4.2.3　试验结果及分析　92　
4.3　轴承动特性参数识别仿真试验　96　
4.3.1　正反融合算法　96　
4.3.2　仿真试验　99　
4.4　轴承动特性参数识别测试系统标定技术　101　
4.4.1　动态标定技术　101　
4.4.2　动态标定试验　104　
参考文献　106　
第5章　推进轴系轴承服役载荷识别技术及试验　107　
5.1　典型的轴承载荷识别方法　109　
5.1.1　直接测量法　109　
5.1.2　顶举法　110　
5.1.3　压力反演法　111　
5.1.4　应变反演法　112　
5.2　基于轴应变的轴承载荷识别及验证　113　
5.2.1　单一轴承动载荷识别模型　113　
5.2.2　多轴承动载荷识别模型　114　
5.2.3　推进轴系转轴截面弯矩测量方法　116　
5.2.4　轴承载荷识别精度仿真验证　116　
5.3　基于轴应变的轴承载荷识别方法仿真试验　117　
5.3.1　截面弯矩测量误差　117　
5.3.2　识别模型误差　118　
5.4　基于轴应变的轴承载荷识别系统标定试验　119　
5.4.1　标定试验方案　119　
5.4.2　识别系统精度分析及提升　121　
5.5　基于轴应变的轴承载荷识别试验　122　
5.5.1　试验台装置与仪器　123　
5.5.2　与仿真结果对比　126　
5.5.3　与顶举法对比127　
5.5.4　轴承载荷识别精度分析及提升　128　
参考文献　130　
第6章　考虑轴系状态的水润滑尾轴承流固耦合建模及仿真　131
6.1　考虑轴弯曲的水润滑尾轴承流固耦合模型及仿真　134　
6.1.1　推进轴系轴颈轴心线仿真方法　134　
6.1.2　数值模型　135　
6.1.3　轴承润滑性能分布的影响因素分析　137　
6.2　考虑轴倾斜的水润滑尾轴承动特性建模及仿真　145　
6.2.1　计入轴颈双向倾斜及内衬变形的轴承几何模型　145　
6.2.2　32参数模型轴承动特性模型　146　
6.2.3　轴承动特性求解方法及模型验证　147　
6.2.4　轴承动特性影响因素分析　150　
6.3　水润滑尾轴承等效支点位置建模及校中迭代算法　156　
6.3.1　尾轴承接触模型建立及仿真　156　
6.3.2　尾轴承等效支点位置计算式　160　
6.3.3　计入轴承实时支点位置的轴系校中迭代计算方法　161　
参考文献　163　
第7章　水润滑尾轴承性能评估及承载性能优化　165　
7.1　水润滑尾轴承性能综合评估方法　167　
7.1.1　水润滑轴承综合性能评估参数分析167　
7.1.2　基于熵权模糊综合评价法的水润滑轴承性能评估模型　168　
7.2　面向偏载的水润滑尾轴承变形补偿设计　172　
7.2.1　轴承非等厚内衬设计方法　172　
7.2.2　水润滑波纹尾轴承设计　174　
7.3　基于织构的水润滑尾轴承承载性能优化　179　
7.3.1　水润滑微凹槽织构轴承流固耦合模型　179　
7.3.2　织构布置对轴承性能的影响　182　
7.3.3　织构结构对轴承性能的影响　185　
7.4　水润滑尾轴承进水流量预测方法　193　
7.4.1　仿真对象　194　
7.4.2　螺旋桨抽吸对尾轴承流量的影响　196　
7.4.3　水润滑尾轴承进水流量计算　200　
参考文献　201　
第8章　基于挤压油膜的水润滑尾轴承流固耦合减振技术及试验　203　
8.1　水润滑尾轴承承载与减振解耦设计新思想　205　
8.1.1　减振与承载的耦合问题　205　
8.1.2　减振与承载的独立设计方法　206　
8.2　基于挤压油膜的水润滑阻尼尾轴承结构方案　208　
8.2.1　水润滑阻尼尾轴承结构　208　
8.2.2　水润滑阻尼尾轴承减振原理　209　
8.3　水润滑阻尼尾轴承模态与谐响应分析　210　
8.3.1　静刚度分析　210　
8.3.2　谐响应分析　212　
8.4　阻尼水润滑尾轴承系统动特性仿真　215　
8.4.1　挤压油膜阻尼减振结构的动力学模型　215　
8.4.2　挤压油膜阻尼尾轴承综合动特性计算式　218　
8.4.3　挤压油膜阻尼尾轴承刚度和阻尼特性仿真分析　219　
8.5　阻尼水润滑尾轴承试验　221　
8.5.1　试验方案和流程　221　
8.5.2　试验结果分析　222　
参考文献　226　
第9章　水润滑推力轴承热流固耦合建模及仿真　227　
9.1　可倾瓦推力轴承受力分析　229　
9.1.1　点支撑推力瓦受力分析　229　
9.1.2　橡胶垫支撑推力瓦受力分析　229　
9.2　轴承热流固耦合模型及算法　231　
9.2.1　控制模型　231　
9.2.2　算法　239　
9.3　TEHD性能及其与THD性能的对比　243　
9.3.1　轴承TEHD性能　243　
9.3.2　与THD性能对比　245　
9.4　瓦面变形对轴承TEHD性能的影响　247　
9.4.1　瓦面层厚度对瓦面变形的影响　247　
9.4.2　瓦面变形对轴承润滑特性的影响　248　
9.5　推力盘-水膜界面滑移对轴承润滑性能的影响　250　
9.5.1　界面滑移模型　250　
9.5.2　界面滑移对轴承润滑性能的影响　252　
9.6　橡胶垫偏心率对轴承润滑性能的影响　254　
9.6.1　偏心率对轴承润滑性能的影响　254　
9.6.2　橡胶垫*佳偏心率的影响分析　255　
9.7　轴承区域性流态特性及其调控方法　261　
9.7.1　瓦面区域性流体特性　261　
9.7.2　瓦面形貌对流态的调整　266　
9.8　推力盘倾斜对轴承润滑性能影响及均载方法　269　
9.8.1　推力盘倾斜对轴承润滑性能的影响　269　
9.8.2　典型均载方法　272　
参考文献　274　
第10章　水润滑轴承混合润滑建模、仿真及试验　277　
10.1　弹性接触模型　279　
10.1.1　表面粗糙度模型　279　
10.1.2　微凸体弹性接触模型　281　
10.2　混合润滑模型　286　
10.2.1　扇形瓦面膜厚分布　286　
10.2.2　扇形离散网格上的等效球冠状微凸体　287　
10.3　水润滑轴承混合润滑特性　288　
10.3.1　静止状态瓦块接触分析　288　
10.3.2　加速阶段润滑性能的变化规律　290　
10.3.3　粗糙度均方根对混合润滑性能的影响　292　
10.3.4　表面粗糙度自相关长度比对混合润滑性能的影响　294
10.4　水润滑轴承起飞转速概念及试验　296　
10.4.1　起飞转速概念　296　
10.4.2　起飞转速试验207　
10.5　混合润滑仿真结果与测试结果对比　298　
10.5.1　不同仿真模型计算结果对比　298　
10.5.2　测量值与仿真结果对比　301　
参考文献　303