水润滑橡胶尾轴承是水下航行器推进轴系的关键装置,在低速、重载特殊工况下,尾轴承易产生边界润滑或混合润滑状态,使得轴承与轴的接触面积增加,摩擦学性能变差,从而诱发摩擦自激振动,产生颤声和啸声,严重地影响水下航行器的隐蔽性、可靠性,以及乘员的舒适性。到现在为止,表面织构对摩擦、磨损、润滑及摩擦振动作用(促进还是抑制)尚未形成一致共识,尤其是高分子材料(如橡胶等)表面织构对摩擦振动的影响规律。因此,系统地开展水润滑尾轴承摩擦学性能和摩擦振动机理研究,采用表面织构优化轴承内衬摩擦面,提高润滑性能和承载能力,减小摩擦和抑制摩擦振动,对于提高水下航行器水润滑尾轴承的使用性能、生命力和安全性具有重要的理论意义和工程应用价值。以水润滑尾轴承的丁腈橡胶试样(包括环块和板条)为研究对象,将不同结构、尺寸的表面织构构建在橡胶试样的摩擦面上,在低速、重载及边界润滑和混合润滑环境下进行试验,探索表面织构的摩擦学特性和摩擦振动抑制机理及其影响因素,为轴承摩擦表面改形设计提供理论支撑。(1)应用Fluent软件,分别建立无织构和有织构(圆柱凹坑、斜圆柱凹坑和球冠凹坑)的二维流场有限体积元模型,进行流场流速分布、水膜压力分布,以及流体黏性摩擦阻力等参数的仿真计算,分析表面织构的几何形状、直径、深度等参数对无织构和有织构摩擦学特性的影响状况。结果表明,三种表面织构的流体黏滞阻力比较接近,但均小于无织构。(2)根据摩擦表面的形貌,将摩擦表面划分为表面织构区域、接触区域和凹谷区域,分析了表面织构及其他区域所承受的法向载荷与总法向载荷的比例,给出了总摩擦力和表面织构区域、接触区域、凹谷区域的摩擦力及其相应的载荷比例的表征方法,并选择圆柱凹坑表面织构进行了不同润滑状态(流体动压润滑、混合润滑等)下的摩擦学特性和振动试验,测量摩擦因数和振动频率与振幅来评价表面织构的摩擦学特性及抑制摩擦振动的效果。结果表明,在边界润滑或混合润滑条件下,摩擦力主要来自于接触区域,接触区域的承载比例与摩擦表面有、无织构有关,有织构试样的摩擦力矩和摩擦因数均小于无织构。(3)以水润滑轴承-尾轴摩擦系统为例,根据摩擦因数与相对速度曲线的临界速度,将曲线分成上升和下降特性区域,重点探讨了摩擦系统在下降特性区域的润滑状态,建立了摩擦系统的动力学模型和特征方程,并应用Matlab求根函数Root()求得方程特征根,探讨了特征根与载荷、摩擦因数、载荷系数的关系,以及表面织构及正、负阻尼对系统不稳定性的影响。结果表明,为了抑制摩擦振动和保持摩擦系统稳定,应将摩擦系统的载荷、摩擦因数差值、载荷系数及负阻尼等参数控制在一定范围内,使得摩擦因数和负阻尼特征根实部为负数和系统等效阻尼系数比为正值。(4)基于表面织构橡胶环块试样的摩擦学特性及摩擦振动试验结果,在不同的比压和转速等工况条件下,讨论了丁腈橡胶硬度及织构的形状、尺寸、深径比等参数对摩擦力矩和振动的影响状况,分析对比了各参数的贡献水平和多参数综合作用结果。在一定的凹坑深度条件下,斜圆柱凹坑的摩擦力矩小于圆柱凹坑;凹坑深度受橡胶硬度影响明显,使得凹坑储水容积及膜厚发生改变,影响表面织构的“二次润滑”效应及摩擦振动抑制效果。(5)开展了水润滑轴承橡胶板条的摩擦振动抑制机理试验,研究了不同表面织构的布置方式和及试验工况(转速、载荷、水温等)对板条摩擦学性能的影响规律,评价了有织构橡胶板条对摩擦因数、润滑状况的影响水平并与无织构进行对比,验证了摩擦系统稳定性的理论计算模型的合理性。研究结果揭示了织构能提高摩擦表面的润滑效果、增强织构水动力效应、降低摩擦因数及减少或消除摩擦振动激励源的振动抑制机理。