本文以船用大型重载艉轴承亟待解决的设计难点为需求牵引,围绕船用艉轴承设计所面临的润滑状态转变、粗糙峰接触、轴颈倾斜、轴瓦变形、润滑剂流态转变及界面滑移等问题,采用理论和试验的方法开展船用艉轴承润滑模型及结构优化的研究。论文研究的目的在于形成船用大型重载艉轴承的性能分析方法及新的结构方案,该工作对提高船用艉轴承等重载轴承的设计能力具有重要意义。研究工作主要包括以下几个方面:(1)建立了考虑轴颈倾斜、轴承弹性变形、表面形貌及微凸峰接触的轴承混合润滑分析模型,模型涵盖了动压轴承重载大变形、轴线倾斜和润滑状态转变等重要问题,在润滑介质方面涵盖了油和水,在轴瓦材料方面涵盖了金属和高分子材料,在润滑状态方面涵盖了混合润滑和纯流体动压润滑。模型精度得到了轴承试验的验证,相关工作对发展大型重载轴承的润滑理论具有一定推动作用。(2)在上述模型的基础上进一步考虑流态及界面滑移的影响,形成船用艉轴承综合分析模型。大型重载艉轴承液膜厚度变化大,以最小膜厚为中心的某一区域液膜极薄,可能处于混合润滑状态,而在其它区域膜厚较大,进而可能出现局部紊流,特别是水润滑艉轴承,水的粘度较之油约小两个数量级,低速下紊流仍易于发生;船用艉轴承承载面多采用高分子材料,而液膜在高分子材料表面具有极限剪应力。针对艉轴承的上述特点,推导并提出了综合考虑流态转变及界面滑移的广义平均雷诺方程,建立了相应的数值求解流程,利用该模型分析了局部紊流及界面滑移对混合润滑轴承性能的影响。相关研究弥补现有理论模型的不足,对实际大型重载轴承设计中流态问题及界面滑移问题的处理具有一定指导意义。(3)提出了轴颈倾斜下轴承等效支点位置的计算方法,并总结得到了等效支点位置及承载力的估算公式,通过典型算例验证了公式的有效性,该公式可提高轴颈倾斜下轴承等效支点位置及承载力的计算效率。相关工作弥补了实际大型重载轴承设计手段的不足,有效解决了轴承性能计算的精度与效率之间的矛盾。(4)研究了轴承结构参数对性能的影响规律,并提出了两种船用艉轴承的优化结构:其一是针对高分子轴承最小液膜厚度位于轴向两端面的特点,提出在轴承轴向两端面设计渐扩形开口结构,并分析了渐扩形开口的长度、直径、形状等结构参数对轴承性能的影响。分析结果表明,适宜的渐扩形开口可有效提高最小液膜厚度、减小摩擦,从而改善润滑性能。其二是针对轴颈倾斜下轴承沿轴向压力分布不均的现象,提出在轴瓦中加入斜橡胶层的改进措施,并分析了斜橡胶层厚度、长度等参数对轴承性能的影响。结果表明,加入斜橡胶层的轴承结构,其压力分布不均现象得到显著改善。斜橡胶层存在最优层厚使压力分布较为均匀,故通过大量计算总结得到最优橡胶层厚度的拟合公式,该公式形式简洁,便于应用于实际轴承的设计。相关研究为我国船用艉轴承的优化设计和承载能力提升提供了新思路。(5)轴颈倾斜下轴承压力分布沿轴向不均匀的现象将导致过长的长径比对承载能力提升作用较小,针对该现象定义了轴承有效长度和有效长径比的概念,并总结了有效长径比随关键结构及工况参数的变化规律。性能规律得到船用艉轴承润滑特性试验的验证,相关研究内容可为实际轴承设计中长径比的选取提供理论指导和数据支持。(6)利用船用艉轴承试验平台进行了轴承综合性能试验,获取了液膜压力、轴瓦温度、液膜厚度、摩擦力等实测数据,验证了本文的理论分析模型。测试了轴承结构参数及轴颈倾斜对轴承性能的影响。测试结果表明,导水槽在低速下可减小摩擦力,而在转速较高时破坏动压润滑膜的形成,因此在进行轴承设计时导水槽应尽可能远离主要承载区域。轴颈倾斜的轴承承载能力显著减小,摩擦力显著升高;同时衬层厚度适当增加有助于改善轴颈倾斜状态下轴承的摩擦特性;而轴颈倾斜时轴承长度增大对承载能力的提升作用远小于轴颈无倾斜的轴承。上述测试结果与理论分析结果吻合,表明本文研究工作具有工程可信度和借鉴价值。