嚴(yán)新平，袁成清，白秀琴，郭智威

國家水運安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，武漢 430063；武漢理工大學(xué)船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063

船舶摩擦學(xué)的發(fā)展展望*

嚴(yán)新平?，袁成清，白秀琴，郭智威

國家水運安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，武漢 430063；武漢理工大學(xué)船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063

首先闡述了船舶摩擦學(xué)的定義及其內(nèi)涵。船舶摩擦學(xué)涉及內(nèi)摩擦和外摩擦的問題，前者主要包括船舶主機(jī)、輔機(jī)與推進(jìn)軸系等機(jī)械裝置及系統(tǒng)內(nèi)各摩擦副之間產(chǎn)生的摩擦，而后者包括甲板上層建筑及貨物與空氣、艉軸外支架、船體殼板與水、船上作業(yè)人員與船舶甲板間的摩擦。其次，綜合分析了船舶主動力機(jī)械設(shè)備、輔助機(jī)械設(shè)備、船體界面中的各種摩擦學(xué)研究進(jìn)展，并提出了船舶摩擦學(xué)在船舶節(jié)能減排、延長船舶機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命、提高船舶運行效率等方面的作用。最后，結(jié)合船舶摩擦學(xué)的研究現(xiàn)狀和航運業(yè)的發(fā)展需求，對船舶摩擦學(xué)研究的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

船舶摩擦學(xué)；船舶機(jī)械；船體界面；表面紋理；節(jié)能減阻

航運業(yè)是綜合交通運輸體系的重要組成部分[1]，聯(lián)合國貿(mào)易和發(fā)展會議發(fā)表的《2013世界海運回顧》報告顯示，2012 年全球海上貿(mào)易總量約為92億t，全球貨物流動80%以上的市場份額是通過海上運輸進(jìn)行的。就我國而言，已發(fā)展成為世界重要的航運大國。目前，我國海運船隊總規(guī)模達(dá)到1.15億載重噸，列世界第四位。根據(jù)交通運輸部《2013中國航運發(fā)展報告》，2013年全國完成水路客運量2.35億人，旅客周轉(zhuǎn)量68.33億人千米；全國完成水路貨運量55.98億t、貨物周轉(zhuǎn)量79 435.65億噸千米，按可比口徑比上年分別增長10.4%和4.8%。與陸運和航空運輸相比，水路運輸在經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性方面擁有巨大的優(yōu)勢[2]。

船舶在水路運輸、海洋開發(fā)和國防建設(shè)等方面具有重要作用，船舶的安全、可靠運行為水路運輸、海洋開發(fā)和國防建設(shè)提供了保障。然而氣候變化、全球變暖給全球帶來了日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，對船舶及航運業(yè)的節(jié)能、減排、降耗等提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計，摩擦消耗了世界一次能源的1/3以上，磨損導(dǎo)致了約60%的機(jī)械材料損耗。綠色、高效、節(jié)能已成為船舶發(fā)展的目標(biāo)。研究表明，流體介質(zhì)中摩擦阻力分別與速度成平方關(guān)系，與推進(jìn)功率成立方關(guān)系，提高船舶航速的代價涉及高能耗與高排放。摩擦學(xué)涉及的問題與節(jié)約能源、節(jié)約材料、減少磨損、提高資源利用率和保護(hù)環(huán)境等密切相關(guān)。 2006 年，中國工程院啟動了“摩擦學(xué)科學(xué)與工程應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展戰(zhàn)略研究”咨詢項目[4]。根據(jù)對冶金、能源化工、鐵道機(jī)車、汽車、航空航天、船舶、軍事裝備、農(nóng)業(yè)裝備八個領(lǐng)域的調(diào)查，2006年我國摩擦磨損方面造成的損失約占國民經(jīng)濟(jì)總值的4.5%，其中船舶機(jī)械中70%左右的失效與其內(nèi)部摩擦磨損有關(guān)。因此，研究船舶摩擦學(xué)問題引起了極大關(guān)注[3]。

1 船舶摩擦學(xué)的定義及其內(nèi)涵

1.1 船舶摩擦學(xué)的定義

摩擦學(xué)是關(guān)于作相對運動的相互作用表面的科學(xué)與技術(shù)，摩擦學(xué)研究的內(nèi)容很廣泛，主要包括摩擦、磨損、潤滑以及表面減磨工程技術(shù)[5]。隨著能源與環(huán)境的進(jìn)一步惡化，摩擦學(xué)的作用更加突顯出來，其研究目標(biāo)也相應(yīng)地發(fā)生了變化，即從傳統(tǒng)的控制摩擦、減小磨損、改善潤滑發(fā)展到節(jié)能、節(jié)材、減排、減振、降噪等方面[6-7]。

船舶摩擦學(xué)是結(jié)合船舶運行環(huán)境的需要而發(fā)展起來的一個工業(yè)摩擦學(xué)的研究領(lǐng)域，是專門圍繞船舶這一對象在運營過程中相互作用的界面之間的科學(xué)與技術(shù)。船舶摩擦學(xué)可分為內(nèi)摩擦和外摩擦兩部分：內(nèi)摩擦主要指船舶主機(jī)(缸套-活塞環(huán)、曲軸-連桿、軸承-軸瓦等)、輔機(jī)、軸系和甲板機(jī)械等的關(guān)鍵運動部件的摩擦；外摩擦主要是指船舶甲板上的設(shè)備與空氣之間的摩擦，船體殼板、螺旋槳、舵等與水的摩擦，以及船舶上作業(yè)人員行走時與船舶甲板之間的摩擦。

1.2 船舶摩擦學(xué)的內(nèi)涵

航運業(yè)的發(fā)展以及高技術(shù)船舶裝備要求解決一系列的摩擦學(xué)問題，而復(fù)雜的船舶運行環(huán)境對船舶的動力設(shè)備、輔助設(shè)備、船體表面的性能影響非常大。當(dāng)今“綠色、節(jié)能、減排、降噪”等社會發(fā)展主題對船舶動力設(shè)備、船體表面等的摩擦與潤滑提出了更高的要求。船舶摩擦學(xué)旨在通過研究船舶內(nèi)部及表面所涉及的相關(guān)設(shè)備的摩擦磨損機(jī)理來服務(wù)于船舶的節(jié)能、減排等要求。主要包含以下四個方面的內(nèi)容：

第一，延長摩擦學(xué)部件以及摩擦學(xué)系統(tǒng)的使用壽命。通過研究船舶機(jī)械關(guān)鍵摩擦副的摩擦、磨損性能，利用現(xiàn)有的摩擦學(xué)理論與技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前船舶的運行環(huán)境對其進(jìn)行摩擦性能優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計，以達(dá)到船舶節(jié)能、減排和延長使用壽命的目標(biāo)。比如研制抗磨的摩擦副表面以及通過摩擦副表面紋理結(jié)構(gòu)的設(shè)計來達(dá)到減阻的效果。

第二，消除或減少船舶摩擦學(xué)部件和摩擦學(xué)系統(tǒng)在整個生命周期中對生態(tài)環(huán)境的不利影響。通過對船舶潤滑、船體表面仿生以及船舶降噪方面的研究來減少或消除船舶運行過程中不利于生態(tài)環(huán)境的廢氣排放量等。例如：通過生物仿生船體表面的設(shè)計達(dá)到船舶運行阻力降低，減少動力系統(tǒng)能源消耗，從而達(dá)到控制廢氣排放量等要求。

第三，海洋生態(tài)系統(tǒng)與船體表面形貌以及涂層相互作用中的摩擦學(xué)問題。通過對船體表面涂層在船舶運營過程中釋放的化學(xué)物質(zhì)對海洋生物的影響機(jī)理，以及海洋生物對不同表面結(jié)構(gòu)的船體附著作用機(jī)理的研究，達(dá)到維護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境以及船舶運行節(jié)能的目標(biāo)。

第四，可再生能源(風(fēng)能、太陽能等)應(yīng)用于船舶動力/輔助動力過程中的摩擦學(xué)問題[8]，主要涉及可再生能源設(shè)備在船舶運行的苛刻環(huán)境下的摩擦機(jī)理。例如太陽能電池板在船舶上的布置位置、方向以及玻璃蓋片在海水環(huán)境下的摩擦磨損等問題。

綜上所述，船舶摩擦學(xué)就是結(jié)合船舶運行環(huán)境中沙塵、鹽塵、鹽霧、油霧以及海洋生物的影響，通過對船舶機(jī)械關(guān)鍵摩擦部件、船體表面、船員作業(yè)行走等的摩擦磨損機(jī)理的研究，達(dá)到船舶節(jié)能、減阻、降噪、提高使用壽命和穩(wěn)定性，并維持綠色運營環(huán)境以及保障船員作業(yè)安全性的新興研究領(lǐng)域。

2 船舶摩擦學(xué)的研究進(jìn)展

世界范圍內(nèi)用于水路運輸、海洋開發(fā)等的各種性能的船舶設(shè)備正在蓬勃發(fā)展，這些船舶處在高鹽、高壓、低溫、腐蝕以及生物污損等多元苛刻環(huán)境中的摩擦學(xué)問題越來越突出，引起了廣大摩擦學(xué)科技工作者的廣泛關(guān)注，并展開了相應(yīng)領(lǐng)域系列的研究。

2.1 船舶主動力機(jī)械設(shè)備的摩擦學(xué)研究

船舶主動力設(shè)備是發(fā)生摩擦磨損問題最多的部位，主動力設(shè)備中的動力源主要有三種：柴油機(jī)、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。其中應(yīng)用最為廣泛的為柴油機(jī)。目前所有內(nèi)河及沿海的中小型船舶大多采用柴油主機(jī)，而且，在遠(yuǎn)洋民用船舶及2000 t以上的船舶上采用柴油主機(jī)的船舶占總數(shù)的98%以上，因此船舶內(nèi)摩擦的研究重點聚焦于船舶柴油機(jī)的摩擦磨損問題。按照工作循環(huán)特點的不同，船舶柴油機(jī)分為兩類，其各自運行條件下所遇的主要摩擦學(xué)問題如下。

(1)二沖程低速柴油機(jī)，是船舶低速柴油機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品，其運行過程中主要的摩擦學(xué)問題有：十字頭滑塊和導(dǎo)板的摩擦磨損；十字頭銷頸和曲軸軸頸的摩擦磨損；活塞環(huán)在惡劣環(huán)境中的磨損與腐蝕；酸性腐蝕等。

(2)四沖程柴油機(jī)，主要用于中高速船舶，其運行過程中主要的摩擦學(xué)問題有：氣門桿與氣門桿襯套；缸套與活塞環(huán)；活塞銷與連桿小頭軸承孔、活塞銷孔；曲軸與連桿軸承孔；氣閥與閥座的摩擦磨損等。

船舶柴油機(jī)中缸套-活塞環(huán)以及缸套-活塞組件是最容易發(fā)生摩擦磨損的摩擦副之一。引起其磨損失效的主要原因有燃燒不充分、燃油雜質(zhì)、潤滑油雜質(zhì)、摩擦副表面設(shè)計不合理等。已有大量的對缸套-活塞環(huán)摩擦性能以及改性的研究[9-12]，并且大多集中于缸套表面微結(jié)構(gòu)對缸套活塞環(huán)潤滑性能的改善。已有的主要表面紋理結(jié)構(gòu)如圖1所示。船舶低速二沖程柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)的潤滑方式是注油潤滑，為了能夠?qū)崿F(xiàn)既滿足缸套-活塞環(huán)摩擦副的潤滑需求又不浪費潤滑油，目前也有聚焦于缸套-活塞環(huán)的潤滑監(jiān)測以及潤滑油油膜厚度的實時測量研究[14]。同時，還有采用新的配副材料[15]和利用涂層工藝[16]對缸套內(nèi)表面深入研究從而優(yōu)化其摩擦性能。

圖1 表面紋理結(jié)構(gòu)[13]

船舶主動力設(shè)備還包括聯(lián)軸器、齒輪箱、軸承(推力軸承、中間軸承和艉軸承)、推進(jìn)軸系等。其中艉軸承的研究一直是熱點問題，主要集中在水潤滑艉軸承性能試驗[17]和新型材料的艉軸承研究[18]。此外，對船舶推進(jìn)軸系的摩擦振動性能研究也是當(dāng)前的主要研究方向之一。從非線性摩擦和軸系整體動力學(xué)耦合的角度對螺旋槳推進(jìn)軸系摩擦誘導(dǎo)振動問題的研究表明，認(rèn)為相比于純扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)，彎-扭耦合系統(tǒng)更容易產(chǎn)生摩擦自激振動[19]。

2.2 船體界面的摩擦學(xué)研究

流體中運動物體受到的基本阻力由摩擦阻力、黏壓阻力和興波阻力組成。長期以來，人們一直在尋找減少流體阻力的有效方法，并通過對船體的線形、船體表面噴涂以及船體表面仿生等方面的研究來減小船體表面的摩擦阻力，以達(dá)到節(jié)能、降耗的目的。

一些學(xué)者在船體線形優(yōu)化方面進(jìn)行了大量的研究。李俊來等[21]利用CFD船型優(yōu)化技術(shù)對三用工作船進(jìn)行船體線型優(yōu)化并通過試驗驗證了其優(yōu)化后的減阻效果。陳霞萍等[22]通過對球鼻艏和直型艏兩種艏型進(jìn)行船舶線型優(yōu)化研究，結(jié)果表明：與常規(guī)球艏船型相比，直型艏船型靜水阻力可降低3%～9%，波浪中阻力增加可減小6%～44%；船舶的方形系數(shù)越大，直型艏的減阻效果越顯著。熊鰲魁等[23]通過數(shù)值模擬方法研究表明，在二維空腔模型中，利用機(jī)翼的升力原理，確能產(chǎn)生垂直于漩渦來流的負(fù)阻力，該負(fù)阻力在χ軸上的分量能達(dá)到減阻的目的。

在船體減阻研究方面，目前還有針對湍流邊界層開展的研究工作，但迄今為止還沒有一項減阻技術(shù)真正獲得應(yīng)用[3]?，F(xiàn)階段的研究主要聚焦于船體防污，通過防污的方式來達(dá)到減阻的目的。這方面的研究已經(jīng)取得了豐碩的成績。起初通過船體表面噴涂各種材料來達(dá)到防污的效果，但是由于噴涂層在水中的擴(kuò)散而造成環(huán)境的污染。隨著各國對海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的日益重視，危害環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的有毒防污劑最終將被全面淘汰。

近年來，生物表面微結(jié)構(gòu)仿生的防污減阻方法成為了研究的熱點。周昊等[24]通過對鯊魚表皮溝槽式仿生非光滑表面的減阻機(jī)理以及仿生非光滑表面的制備工藝進(jìn)行了分析。在船舶上使用仿鯊魚皮涂層能夠明顯降低生物污損，提高航行速度，節(jié)省能源消耗[25]。白秀琴等[26-27]致力于貝殼仿生的抗海洋污損研究，選用日本鏡蛤、加夫蛤、華貴櫛孔扇貝、青蛤和錐形光殼蛤這5種防污能力不同的貝殼為仿生對象，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為陰模材料，環(huán)氧樹脂E44和PU膠分別為陽模材料，制備出具有貝殼表面微結(jié)構(gòu)的仿生表面，如圖2所示。通過對矩形、三角形、半圓形貝殼溝槽紋理表面的流場進(jìn)行仿真模擬，分析了三種具有相同幾何特征尺寸的不同溝槽紋理表面的流場特性。仿真結(jié)果表明三種溝槽表面均具有減阻效果，其研究結(jié)論可為最佳減阻溝槽設(shè)計提供理論依據(jù)。

圖2 5種貝殼及其仿生表面： (a1) 日本鏡蛤；(b1) 加夫蛤；(c1) 華貴櫛孔扇貝；(d1) 青蛤；(e1) 錐形光殼蛤；(a2) 日本鏡蛤(E44)；(b2) 加夫蛤(E44)；(c2) 華貴櫛孔扇貝(E44)；(d2) 青蛤(E44)；(e2) 錐形光殼蛤(E44)；(a3) 日本鏡蛤(PU)；(b3) 加夫蛤(PU)；(c3) 華貴櫛孔扇貝(PU)；(d3) 青蛤(PU)；(e3) 錐形光殼蛤(PU)

仿生表面形貌的船舶防污減阻技術(shù)完全從材料的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計上抑制海洋污損生物附著，不存在環(huán)境與生態(tài)問題，也不給船舶帶來附加設(shè)備或額外能量消耗及空間占用，僅依靠直接改變船體表面微觀形貌就可以有效地防止海洋污損生物對船體的附著，其優(yōu)良的物理性能將為探索船舶節(jié)能減阻技術(shù)提供一條新的途徑，已成為當(dāng)今船體節(jié)能減阻研究的重要前沿。

3 船舶摩擦學(xué)的作用

船舶摩擦學(xué)研究的重要作用是節(jié)能減排、延長船舶摩擦學(xué)部件的使用壽命、提高船舶運行的可靠性，并且三者之間相互影響、相互促進(jìn)。

第一，改善船舶柴油機(jī)燃油以及潤滑油經(jīng)濟(jì)性的節(jié)能、減摩技術(shù)。當(dāng)前，改善柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性是節(jié)能的一項主要內(nèi)容，而減摩則是改善柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)措施。主要有以下七項措施：采用低黏度油；采用低負(fù)荷設(shè)計；采用光滑表面；選用添加摩擦改進(jìn)劑的低摩擦油品；采用低摩擦材料；選用附著性低的油品；采用低阻力設(shè)計[7]。改善潤滑油的使用效率也是節(jié)能的一項主要內(nèi)容。針對船舶動力裝置，現(xiàn)階段的研究主要集中于通過合理的表面紋理結(jié)構(gòu)改善摩擦副的潤滑性能，以及對潤滑油油膜厚度的實時監(jiān)測來指導(dǎo)潤滑油的噴射量等方面。

第二，通過船體表面的減阻技術(shù)來達(dá)到節(jié)能減排的效果。近年來，清華大學(xué)的陳大融等提出了界面效應(yīng)減阻理論并開發(fā)出微凸體減阻技術(shù)，已成功地應(yīng)用于賽艇。在實驗室研究中大多集中在船體仿生防污減阻方面，通過仿生表面紋理的構(gòu)造來降低海洋生物的船體附著率，清潔的船體表面同時實現(xiàn)船舶的節(jié)能減阻，比如仿鯊魚表面、貝殼表面等技術(shù)。在仿生防污減阻的研究過程中，船體表面的仿生防污技術(shù)能夠降低船體表面的腐蝕磨損等，從而減少船體表面的維修。同時，清潔的船體界面也能不受附著生物的影響，提高了船舶航行的適應(yīng)性。

第三，通過對抗磨材料的研制及應(yīng)用來提高船舶零部件的使用壽命以及船舶的可靠性。新型水潤滑軸承材料(如陶瓷材料、以橡膠為基體的高分子材料、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等)的研制及應(yīng)用提高了水潤滑艉軸承的耐磨性、使用壽命以及船舶推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，同時良好的潤滑性能能夠很好地改善艉軸承的潤滑，達(dá)到節(jié)能減排的效果[28]。

4 船舶摩擦學(xué)的發(fā)展趨勢

4.1 綠色船舶摩擦學(xué)問題

綠色船舶的概念最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期[29]。2012年中國船級社在《綠色船舶規(guī)范》中給出的定義為：綠色船舶系采用相對先進(jìn)技術(shù)(綠色技術(shù))在其生命周期內(nèi)能經(jīng)濟(jì)地滿足其預(yù)定功能和性能，同時實現(xiàn)提高能源使用效率、減少或消除環(huán)境污染，并對操作和使用人員具有良好保護(hù)的船舶[30]。目前，綠色船舶的涉及面從基本的高效節(jié)能船型到低排放高效動力推進(jìn)裝置，到環(huán)保無污染涂料以及輕質(zhì)材料等方面。未來綠色船舶的發(fā)展方向?qū)⑹蔷C合了所有綠色因素的新概念船舶[29]。

船舶推進(jìn)系統(tǒng)對船舶營運的可靠性和經(jīng)濟(jì)性起著決定性的作用。在船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計與選用時考慮的最重要的因素是投資費用、空間要求、推進(jìn)效率或相應(yīng)的燃油消耗率、可靠性和在船舶營運期間推進(jìn)系統(tǒng)的有效利用率。某些船用柴油機(jī)或柴-電聯(lián)合的推進(jìn)系統(tǒng)會在使用過程中排放出氮氧化物(NOχ)和硫氧化物(SOχ)，而NOχ和SOχ是污染大氣環(huán)境的成分，屬于國際海事組織(IMO)和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)有強(qiáng)制限制規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求的物質(zhì)，特別是在船用柴油機(jī)提高燃燒溫度時，NOχ和SOχ的生成量會增加，這就對船舶推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計與制造提出了挑戰(zhàn)。

船舶推進(jìn)系統(tǒng)的摩擦學(xué)問題主要集中在推進(jìn)系統(tǒng)中滑動軸承的摩擦鳴音和螺旋槳推進(jìn)時產(chǎn)生的噪聲。國內(nèi)外許多學(xué)者對此開展研究并取得了一些進(jìn)展。其中包括：基于非線性摩擦和軸系動力學(xué)耦合的螺旋槳推進(jìn)軸系摩擦誘導(dǎo)振動分析；船舶尾軸承的轉(zhuǎn)速、潤滑狀態(tài)與螺旋槳軸振動的關(guān)系；基于載荷、速度及表面粗糙度參數(shù)的軸承潤滑狀態(tài)評估等。船舶推進(jìn)系統(tǒng)的摩擦學(xué)發(fā)展趨勢是以船舶推進(jìn)系統(tǒng)降噪、減震為目的的軸承的摩擦潤滑性能(摩擦材料、摩擦表面結(jié)構(gòu))以及船舶艉軸承的水潤滑機(jī)理研究。其研究將為船舶推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝等提供理論與技術(shù)支撐。

綠色船舶摩擦學(xué)是以資源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的理念作指導(dǎo)，以節(jié)能、節(jié)材、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和提高生命質(zhì)量為目標(biāo)。其主要任務(wù)是研究和開發(fā)實現(xiàn)此目標(biāo)的各種綠色船舶摩擦學(xué)理論、方法與技術(shù)，使船舶各摩擦學(xué)部件和摩擦學(xué)系統(tǒng)在其整個生命周期中成為具有可持續(xù)發(fā)展能力的人工生態(tài)系統(tǒng)[29]，達(dá)到船舶的節(jié)能、減排、降噪等各項“綠色”指標(biāo)。綠色船舶摩擦學(xué)是船舶摩擦學(xué)今后的主要發(fā)展方向之一。

綠色船舶摩擦學(xué)主要是研究摩擦在綠色船舶運行與發(fā)展過程中的作用機(jī)制和影響，為可再生能源和清潔能源(太陽能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能、核能等)發(fā)電裝備提供技術(shù)支撐的摩擦學(xué)理論、方法與技術(shù)。綠色船舶摩擦學(xué)的出現(xiàn)標(biāo)志著船舶摩擦學(xué)已從傳統(tǒng)摩擦學(xué)發(fā)展到一個新的階段。它對發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和應(yīng)對全球能源危機(jī)和氣候變化以及推動社會可持續(xù)發(fā)展具有獨特的作用。

4.2 深遠(yuǎn)海和極地船舶的摩擦學(xué)問題

深海環(huán)境的壓力(每下降100 m壓力會增加1 MPa)、溫度(在500 m深處海水溫度不到10 ℃，在2000 m深處海水溫度約2 ℃，在5000 m深處海水溫度約1 ℃)、光照(在500 m以下環(huán)境是一片漆黑的)、溶解氧(隨著深度的增加氧含量呈現(xiàn)先減小，后增大的趨勢)、pH值、含鹽量、海水流速以及深海微生物等因素與表層海水環(huán)境不同[31]。深海的超高壓、腐蝕以及低溫等苛刻環(huán)境對運行其中的航行器的摩擦、磨損、潤滑和密封等性能有非常大的影響，因此，深海作業(yè)的水下航行器的耐壓性、密封性和潤滑性能是摩擦學(xué)研究的主要內(nèi)容。

全球氣候變暖導(dǎo)致極地海域冰層的逐漸消失，但在無冰時代來臨之前，不得不依賴于采用特殊設(shè)計的冰區(qū)加強(qiáng)型船舶以在極地環(huán)境作業(yè)。除了惡劣天氣，在極地作業(yè)還將面臨其他潛在問題，包括最常見的海冰的阻撓，以及環(huán)境保護(hù)等。極地環(huán)境下船舶摩擦學(xué)研究的主要問題包括：極地低溫環(huán)境下船舶甲板機(jī)械及其關(guān)鍵摩擦副的摩擦特性(冷脆性、低溫摩擦材料等)；針對極地低溫環(huán)境的液壓傳動系統(tǒng)的潤滑油特性；船體線形設(shè)計以及船體界面的極地低溫適應(yīng)性等問題。

4.3 超大型船舶減阻的摩擦學(xué)問題

船舶阻力來自兩部分，即甲板上層設(shè)備、上層建筑與空氣接觸而產(chǎn)生的風(fēng)阻和包括船體殼板、螺旋槳、舵與艉軸外支架等水面以下船體與水接觸而產(chǎn)生的水阻。其阻力作用在超大型的遠(yuǎn)洋船舶(50萬t油輪、2萬箱集裝箱船等)上表現(xiàn)的更加明顯。船舶減阻的一項很重要的研究任務(wù)就是船舶營運過程中與空氣和水接觸導(dǎo)致的船體界面摩擦學(xué)問題。

4.3.1 船體與空氣的阻力

當(dāng)空氣沿船體表面流動時，由于空氣的黏性，在船體壁面會形成一層速度梯度很大的薄層，稱之為附面層。附面層厚度在頭部駐點處為零，然后逐漸向下游增加。附面層內(nèi)的氣流，沿船體表面法向向外，流速由零迅速升高到與來流速度基本一致。沿附面層厚度方向各不同速度層間將產(chǎn)生切向力，從而形成船體表面的黏性切應(yīng)力。船體摩擦阻力是上述黏性切應(yīng)力沿船體運行反方向形成的合力，也是阻擋船體運行的阻力。

船舶風(fēng)阻是指由氣流撞擊船體正面所產(chǎn)生的阻力、空氣與流過的船身產(chǎn)生的摩擦阻力以及與船舶型體相關(guān)的外型阻力所組成。風(fēng)阻力大小正比于風(fēng)速，且受受風(fēng)面積、航向風(fēng)向夾角影響。船舶上層建筑越多，受風(fēng)面積越大，引起的附加阻力也就越大。在不同的風(fēng)向航向夾角情況下，風(fēng)阻力也會對航速有明顯的影響。風(fēng)阻在船舶阻力中占有一定的比例，通過合理的設(shè)計可以有效減小風(fēng)阻[32]。

就目前的技術(shù)發(fā)展態(tài)勢而言，以風(fēng)能、太陽能等為代表的清潔能源技術(shù)已在各型船舶上得以試驗應(yīng)用，風(fēng)帆在船舶上的應(yīng)用非常廣泛。風(fēng)帆裝在船上能夠產(chǎn)生比較大的助航推力，但是同時由于其橫向力的作用，船在實際航行中會產(chǎn)生橫傾角和偏航角，船體阻力增加。此外，為了克服偏航操舵的舵角，也使船體阻力增加。這兩部分阻力的增值會使翼帆的助推力減弱，因此風(fēng)帆實際上產(chǎn)生的推力不同于理論推力[33]。同時，風(fēng)帆在利用的過程中存在的摩擦學(xué)問題如下：風(fēng)帆船在航行的過程中，惡劣的海上環(huán)境會加劇風(fēng)帆與骨架之間的接觸摩擦，最終可能導(dǎo)致傳動失效，因而在帆架的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及材料選擇上提出了新的要求。研制具有風(fēng)阻小的風(fēng)帆結(jié)構(gòu)以及抗腐蝕效果的表面材料來降低船舶風(fēng)阻、提高風(fēng)帆部件的耐磨性，從而實現(xiàn)船舶減阻的效果，該方向的研究也是當(dāng)前船舶減阻研究的熱點之一。

4.3.2 船體與水的阻力

船舶航速難以提高的原因在于流體介質(zhì)中，摩擦阻力與速度成平方關(guān)系，與推進(jìn)功率成立方關(guān)系，提高航速的代價是高能耗與高排放。此外，海洋生物的附著會導(dǎo)致船舶的船體表面及線型發(fā)生改變，使得幾乎所有減阻技術(shù)都無法在實際工程中應(yīng)用，因此，減阻與防污問題已成為多年來阻礙船舶航行效率提高的瓶頸技術(shù)問題，目前為止還沒有形成船舶減阻的有效技術(shù)。就船舶摩擦學(xué)的應(yīng)用而言，外摩擦涉及的關(guān)鍵問題就是船舶防污與減阻。在船舶減阻方面，按照目前的減阻理論還無法獲得實際應(yīng)用的技術(shù)，開展船舶摩擦學(xué)的研究應(yīng)綜合考慮防污、減阻的協(xié)同作用，通過防污的方式達(dá)到減阻的效果?，F(xiàn)階段對船舶防污方面的研究工作比較多，前期主要是使用涂層的方法達(dá)到抑制海洋生物的附著，但是涂層材料在船舶運行過程中隨著海水的作用而慢慢釋放，抑制生物附著的同時也對海洋環(huán)境進(jìn)行了污染。因此，在當(dāng)今對環(huán)境要求比較嚴(yán)格的條件下，含污染物的表面涂層技術(shù)已經(jīng)失去應(yīng)用的價值。

目前船舶減阻研究主要從以下三個方面進(jìn)行：探索物體的流線型，包括由于形體改變對保持層流邊界層的影響，希望通過型線的選擇，“自動”保持邊界層層流流態(tài)；使用高分子稀溶液以實現(xiàn)黏性減阻，即將高分子稀溶液注入物體壁面附近形成類似于魚鱗表面的黏性液體；根據(jù)仿生學(xué)的啟示，研制具有防污效果的生物表面形貌結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)船舶防污減阻的效果，該方向的研究也是當(dāng)前船舶減阻研究的熱點。

船舶減阻技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了嶄新的階段，隨著各國對海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的日益重視，危害環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品最終將被全面淘汰，研制開發(fā)新型綠色減阻方法已經(jīng)成為時代的需要。仿生技術(shù)的應(yīng)用是未來低表面能防污減阻涂料的發(fā)展方向，與有機(jī)硅和有機(jī)氟系列低表面能防污涂料相比，仿生涂料以及仿生表面形貌具有更強(qiáng)的海洋環(huán)境適應(yīng)性，性價比更高。在船舶減阻的摩擦學(xué)研究過程中，主要的摩擦學(xué)問題是仿生材料的制備以及仿生微結(jié)構(gòu)形貌的摩擦磨損性能測試等。

5 結(jié)語

船舶摩擦學(xué)的研究對船舶的節(jié)能、減排、降噪、提高壽命等具有獨特的作用。船舶摩擦學(xué)是一個具有自身特點的工業(yè)摩擦學(xué)研究領(lǐng)域，是建立在船舶運行環(huán)境條件上的摩擦學(xué)研究。船舶摩擦學(xué)的研究還需要不斷的完善和拓展，需要研究和解決與不同運行環(huán)境相適應(yīng)的船舶摩擦學(xué)問題。在船舶設(shè)計、制造、營運和管理等各個環(huán)節(jié)中積極運用船舶摩擦學(xué)知識可實現(xiàn)節(jié)能降耗的直接目標(biāo)，并進(jìn)一步為實現(xiàn)綠色、健康、節(jié)能、環(huán)保的世界造船強(qiáng)國和航運強(qiáng)國做出貢獻(xiàn)。

(2015年3月11日收稿)■

[1] 嚴(yán)新平, 袁成清, 白秀琴, 等. 綠色船舶的摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].摩擦學(xué)學(xué)報, 2012, 32(4): 410-420.

[2] 中華人民共和國交通運輸部. 2013中國航運發(fā)展報告[M]. 北京: 人民交通出版社, 2014.

[3] 嚴(yán)新平, 白秀琴, 袁成清. 試論海洋摩擦學(xué)的內(nèi)涵、研究范疇及其研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2013, 49(19): 95-103.

[4] 謝友柏, 張嗣偉. 摩擦學(xué)科學(xué)及工程應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究[M].北京: 高等教育出版社, 2009.

[5] 劉正林. 摩擦學(xué)原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009.

[6] 溫詩鑄. 摩擦學(xué)原理[M]. 2版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002.

[7] 張嗣偉. 綠色摩擦學(xué)的科學(xué)與技術(shù)內(nèi)涵及展望[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 2011, 31(4): 417-423.

[8] WOOD R J, BAHAJ A S, TURNOCK S R, et al. Tribological design constraints of marine renewable energy systems [J]. Philos Trans A Math Phys Eng Sci, 2010, 368: 4807-4827.

[9] GUO Z W, YUAN C Q, LIU P, et al. Study on influence of cylinder liner surface texture on lubrication performance for cylinder linerpiston ring components [J]. Tribology Letters, 2013, 51(1): 9-23.

[10] YU H, WANG X, ZHOU F. Geometric shape effects of surface texture on the generation of hydrodynamic pressure between conformal contacting surfaces [J]. Tribology Letters, 2010, 37(2): 123-130.

[11] 趙文杰, 王立平, 薛群基. 織構(gòu)化提高表面摩擦學(xué)性能的研究進(jìn)展[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 2011, 31(6): 622-630.

[12] YU H, DENG H, HUANG W, et al. The effect of dimple shapes on friction of parallel surfaces [J]. Proc I Mech E Part J: J Engineering Tribology, 2011, 225(8): 693-703.

[13] 于海武. 基于流體動壓潤滑效應(yīng)的表面織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2011.

[14] 郭智威, 袁成清, 劉鵬, 等. 基于激光傳感的缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測[J]. 潤滑與密封, 2012, 37(8): 11-14.

[15] WAKAUMI H, KOMAOKA T, HANKUI E. Grooved bar-code recognition system with tape-automated-bonding head detection scanner [J]. IEEE T Magn, 2000, 36: 366-370.

[16] PEI S, MA S, XU H, et al. A multiscale method of modeling surface texture in hydrodynamic regime [J]. Tribology International, 2011, 44: 1810-1818.

[17] 張圣東, 劉正林. 船用水潤滑橡膠尾軸承靜剛度計算模型[J]. 交通運輸工程學(xué)報, 2013, 13(5): 61-66.

[18] 秦紅玲, 周新聰, 閆志敏, 等. 尾軸承橡膠層厚度和硬度及其交互作用對摩擦性能的影響[J]. 兵工學(xué)報, 2013, 34(3): 318-323.

[19] 張振果, 張志誼, 陳鋒, 等. 摩擦激勵下螺旋槳推進(jìn)軸系彎扭耦合振動研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2013, 49(6): 74-80.

[20] 孫衛(wèi)平, 李兵, 馮彥華, 等. 艦船用泵技術(shù)研究[J]. 上海造船, 2011 (2): 47-49.

[21] 李俊來, 謝永和, 吳衛(wèi)國, 等. 基于快速性的船型優(yōu)化及其在三用工作船中的應(yīng)用[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報: 交通科學(xué)與工程版, 2014, 38(1):139-142.

[22] 陳霞萍, 陳偉民, 陳兵, 等. 直型艏與常規(guī)球艏靜水阻力與波浪增阻比較研究[J]. 中國造船, 2014, 55(1): 113-120.

[23] 熊鰲魁, 仲夏, 包勝平, 等. 二維潛艇流水孔空腔減阻數(shù)值研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報: 交通科學(xué)與工程版, 2014, 38(2): 280-284.

[24] 周昊, 徐嘯, 趙會軍, 等. 仿生非光滑表面減阻技術(shù)在油氣管道中的應(yīng)用[J]. 管理技術(shù)與設(shè)備, 2014(2): 8-11.

[25] 程宇鋒, 蔡文俊, 孫國亮. 船舶低表面能防污涂料研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)工程師, 2010, 180(9): 36-38.

[26] 張璇, 白秀琴, 袁成清等. 防污貝殼表面紋理特征減阻效應(yīng)仿真分析[J]. 中國造船, 2013, 54(3): 146-154.

[27] BAI X Q, XIE G T, FAN H. et al. Study on biomimetic preparation of shell surface microstructure for ship antifouling [J]. Wear, 2013, 306: 285-295.

[28] HIRANI H, VERMA M. Tribological study of elastomeric bearings for marine propeller shaft system [J]. Tribology International, 2009, 42(2): 378-390.

[29] 俞士將. 綠色船舶的最新發(fā)展[J]. 中國船檢, 2010 (11): 44-47.

[30] 中國船級社. 綠色船舶規(guī)范[EB/OL]. (2012-07-10)[2015-03-10] http://www.moc.gov.cn/zizhan/zhishuJG/chuanjishe/ guifanzhinan/201207/t20120711_1269322.html.

[31] 曹攀, 白秀琴, 王瑞剛, 等. 水下航行器中的摩擦學(xué)問題分析及研究進(jìn)展[J]. 潤滑與密封, 2013, 38(11): 96-104.

[32] 張金鵬. 大型集裝箱船風(fēng)載荷理論分析及計算[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

[33] 郭帥. 風(fēng)帆優(yōu)化及助航節(jié)能應(yīng)用研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2012.

(編輯：段艷芳)

中國植物園聯(lián)盟植物分類與鑒定培訓(xùn)班簡介

我國是植物資源大國。雖然我們已完成兩個版本的《中國植物志》(中文版和英文版)，但總體上植物標(biāo)本采集還不充分，資源家底尚未摸清，標(biāo)本和文獻(xiàn)資源獲取困難，許多類群還有大量問題需要解決。與此同時，在社會服務(wù)、人才培養(yǎng)、學(xué)科發(fā)展等方面存在諸多挑戰(zhàn)。植物分類學(xué)工作可謂任重而道遠(yuǎn)。

植物分類學(xué)是生物多樣性保護(hù)和研究的基礎(chǔ)，開展植物資源的調(diào)查、保護(hù)、管理和利用等工作時都離不開分類學(xué)知識。為提高植物工作者的植物分類學(xué)基礎(chǔ)和植物的識別鑒定

自然信息能力，由中國植物園聯(lián)盟(CUBG)主辦，上海辰山植物園(中國科學(xué)院上海辰山植物科學(xué)研究中心)承辦的植物分類與鑒定培訓(xùn)班已經(jīng)分別于2014年和2015年上半年連續(xù)舉辦兩屆。在全球氣候變化、城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)、資源與環(huán)境壓力日益加劇的大背景下，野生植物資源保護(hù)面臨的形勢越來越嚴(yán)峻，而經(jīng)典分類學(xué)又面臨諸多困難的今天，這樣為培養(yǎng)植物分類學(xué)、生物多樣性保護(hù)方面人才而舉辦的“黃浦級”分類學(xué)培訓(xùn)班意義重大。培訓(xùn)采取專題授課與講座結(jié)合，討論與競賽相結(jié)合，標(biāo)本鑒定與野外實習(xí)相結(jié)合的方式進(jìn)行。通過植物分類學(xué)專家授課，使學(xué)員從縱向(植物分類學(xué)的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢)和橫向(不同的重要類群，如苔蘚、蕨類、裸子和被子植物等)及現(xiàn)代影像信息化等全方位、多角度對植物分類學(xué)這門綜合性學(xué)科有系統(tǒng)的認(rèn)識。

“齊心原本錦繡山川，協(xié)力極命繽紛草木”，由上海辰山植物園(中國科學(xué)院上海辰山植物科學(xué)研究中心)創(chuàng)辦并維護(hù)的“中國植物分類學(xué)在線家園”網(wǎng)站(www.planttaxonomists.cn)也是增進(jìn)植物分類學(xué)人才交流、探索分類學(xué)研究的網(wǎng)絡(luò)化解決方案的有益舉措。振興中國植物學(xué)事業(yè)的征程才剛剛啟程，中國需要更多的植物分類與鑒定的專業(yè)人才，繼承與發(fā)揚老一輩植物學(xué)人的科學(xué)事業(yè)。

[段艷芳 編輯]

Review and prospect of marine tribology

YAN Xinping, YUAN Chengqing, BAI Xiuqin, GUO Zhiwei
Reliability Engineering Institute, National Engineering Research Center for Water Transportation Safety, Wuhan 430063, China; Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology (Ministry of Transportation), Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China

Firstly, the definition and connotation of marine tribology have been fully analyzed. Marine tribology involves the problems of internal friction and external friction, where the former includes the friction problems existing in the friction pairs of main engine，auxiliary engine and propulsion shafting system, while the latter mainly included the friction between deck superstructures, goods and atmospher, stern shaft bracket, hull shell and water, the crews and ship deck. Secondly, the research progresses of various tribological problems in marine tribology aspects, including the main power machinery and equipment, auxiliary machinery and equipment, hull interface, were reviewed and presented in the manuscript. Furthermore, the role of marine tribology was proposed, included energy conservation and emissions reduction, prolonging the service life of mechanical system and improving the operation efficiency of the marine, etc. Finally, for the development trends of relative studies on marine tribology are prospected combined the research status of marine tribology and the development needs of shipping industry.

marine tribology, marine machinery, hull interface, surface texture, energy conservation and drag reduction

10.3969/j.issn.0253-9608.2015.03.001

*國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項目(51422507)資助

?通信作者，E-mail：xpyan@whut.edu.cn；研究方向：船舶摩擦學(xué)