水潤滑尾軸承振鳴音研究進展

秦紅玲，周新聰，閆志敏，劉正林

（1.三峽大學 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點試驗室，湖北 宜昌 443002;2.武漢理工大學 能源與動力工程學院可靠性工程研究所，武漢 430063）

艦船螺旋槳軸和尾軸承摩擦副在低速、重載、啟動、停機等工況下，會出現(xiàn)異常噪聲（Bearing noise），影響艦船的隱蔽性與生存能力以及乘員的舒適性。許多著名企業(yè)、高校和研究機構(gòu)投入大量人力、物力、財力開展研發(fā)；但是，目前還不能在設(shè)計階段對尾軸承振鳴音進行有效、準確的預(yù)估，在問題發(fā)生后也不能很快給予解決。因此，研究尾軸承振鳴音的產(chǎn)生機理，在尾軸承設(shè)計開發(fā)階段進行振鳴音預(yù)估，并提出抑制措施，對于降低噪音污染、滿足顧客要求、提高產(chǎn)品競爭力乃至國防軍備能力都具有十分重要的意義。

對艦船尾軸承振鳴音的研究可以追溯到20世紀60年代[1]，目前已經(jīng)形成了大量的研究成果，但是由于問題的復(fù)雜性，大部分問題目前仍處于研究階段，是我們艦船行業(yè)迫切需要解決的問題。本文側(cè)重從尾軸承振鳴音產(chǎn)生機理、影響因素、抑制技術(shù)等方面綜述尾軸承振鳴音的研究進展。

1 艦船尾軸承振鳴音產(chǎn)生機理

關(guān)于振鳴音產(chǎn)生機理的研究主要集中在汽車制動器方面，提出了摩擦特性理論、自鎖—滑動機理、模態(tài)耦合機理和統(tǒng)一理論[2]。而艦船尾軸承振鳴音產(chǎn)生機理的研究主要集中在對目前使用較多的橡膠軸承方面。橡膠軸承的摩擦因數(shù)隨相對滑動速度變化，引起系統(tǒng)粘—滑（Stick-slip）自激振動，被認為是橡膠軸承產(chǎn)生振鳴音的根本原因。近年來，一些研究人員基于不同的摩擦特性，分析了多自由度系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，以解釋橡膠尾軸承振鳴音的產(chǎn)生機理。

Bharat Bhushan[3]試驗研究了水潤滑橡膠軸承中粘―滑現(xiàn)象產(chǎn)生振鳴音的機理，認為尖叫是橡膠軸承表面粘―滑運動導致的一種振動噪聲現(xiàn)象。明確表明，粘―滑運動是橡膠等彈性體的本質(zhì)屬性。顫振是一種和橡膠板條及背襯材料有關(guān)的低頻率的振動。顫振的頻率與支持系統(tǒng)的共振頻率相關(guān)。

Simpson[4]建立了一種二自由度非線性的水潤滑尾軸承動力學模型，借助A.I.Krauter[5]的試驗測量結(jié)果，對耦合系統(tǒng)的摩擦力隨時間變化的非線性響應(yīng)進行數(shù)值模擬計算。認為摩擦因數(shù)隨速度和時間的非線性變化導致了系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

張嗣偉等[6]對丁腈橡膠在摩擦磨損過程中出現(xiàn)的振動進行了測量，發(fā)現(xiàn)其振幅隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸增大，但達到某一臨界轉(zhuǎn)速后，振幅隨轉(zhuǎn)速增大而減小。理論分析結(jié)果表明該振動現(xiàn)象的實質(zhì)是橡膠對銷子的作用力的周期性變化引起銷子的受迫振動。該現(xiàn)象與摩擦力密切相關(guān)，同時還造成橡膠磨損不均勻。

姚世衛(wèi)等[7]認為橡膠軸承當負荷過高或水溫度過高時，水槽邊緣與旋轉(zhuǎn)軸之間的相互作用相當于汽車上刮水器與玻璃之間的刮水作用，會產(chǎn)生摩擦振動，從而發(fā)出尖叫。當橡膠軸承與軸的相對滑動速度很低時，靜摩擦因數(shù)大于動摩擦因數(shù)，粘著與滑動交替出現(xiàn)，成為間歇的不平穩(wěn)運動，引起自激振動，即所謂粘—滑運動。

劉正林課題組[8,9]通過試驗研究，認為水潤滑橡膠尾軸承鳴音出現(xiàn)與否，主要取決于工作過程中軸承與軸頸的直接接觸面積以及摩擦因數(shù)―速度曲線負斜率，與A.I.Krauter[5]的結(jié)論一致。

盡管以上學者通過大量的試驗和仿真研究證實，在低速重載或艦船啟、停時，尾軸承系統(tǒng)因為摩擦特性的變化會產(chǎn)生振鳴音。但是，試驗及實船測試發(fā)現(xiàn)船舶在140 r/min左右的恒定船速下仍然會產(chǎn)生振鳴音，說明上述摩擦特性還不足以全面解釋水潤滑尾軸承振鳴音產(chǎn)生的機理。

2 水潤尾軸承振鳴音的影響因素

早在二戰(zhàn)期間，美國軍方就發(fā)現(xiàn)潛艇尾部均不同程度的會出現(xiàn)異常噪聲問題，使?jié)撏г肼暭壴龃笫畮譫B，嚴重惡化潛艇輻射噪聲，威脅潛艇生存[1]，并率先在艦艇上將油潤滑巴氏合金軸承全部改為水潤滑橡膠軸承，隨后美國海軍對潛艇水潤滑軸承的結(jié)構(gòu)及軸瓦材料開展了系統(tǒng)研究。經(jīng)過大量的試驗和研究，在尾軸承的結(jié)構(gòu)、軸瓦材料等關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大進展，并于1963年形成艦用水潤滑軸承軍用標準MIL-B-17 901 A（SH）[10]。隨著技術(shù)的發(fā)展，美國海軍不斷研究、改進和完善潛艇尾軸承技術(shù)，分別于1983年和2005年對該軍標進行了修訂，形成了MIL-B-17901B（SH）[11]，MIL-B-17 901 C（SH）[12]，使其艦艇的聲隱身技術(shù)處于領(lǐng)先地位。我國也在2008年制定了《船用整體式橡膠軸承》（CB769—2008），另外還有前蘇聯(lián)的UOCT7199-54、日本的JISK6301等。

Bharat Bhushan[3]是可以查到的文獻中，最早系統(tǒng)開展水潤滑尾軸承振鳴音機理及影響因素研究的學者之一。他采用透明玻璃滑塊與橡膠試塊配副摩擦的試驗方法，考察載荷、速度、橡膠板條的硬度、厚度及玻璃滑塊的表面粗糙度以及相對運動表面間的潤滑劑的含量等因素對振鳴音形成的影響。結(jié)果顯示，尖叫的頻率與橡膠的彈性模量、切變模量、厚度有關(guān)。尖叫的強度及產(chǎn)生的可能性與橡膠表面摩擦因數(shù)有關(guān)。摩擦表面越粗糙，越干凈，產(chǎn)生振鳴音的可能性越大。

陳明[13]通過臺架試驗對不同硬度橡膠軸承材料對軸系振動影響進行研究。結(jié)果表明，橡膠軸承材料的不同硬度，對軸系振動影響較大，選擇合適硬度的橡膠軸承材料可以有效抑制軸系的振動。姚世衛(wèi)等的實測數(shù)據(jù)顯示，橡膠軸承比鐵犁木具有更好的降噪效果。但在線速度小于0.5 m/s時，會產(chǎn)生振鳴音，這是橡膠這種彈性體的固有屬性，只能降低，不能完全消除。進一步的試驗顯示：橡膠軸承出現(xiàn)噪聲與軸承載荷和轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系，在低轉(zhuǎn)速重載荷的情況下易出現(xiàn)噪聲。軸承冷卻水流量在一定流量的基礎(chǔ)下對軸承噪聲無太大影響，當流量小于此值時會使軸承潤滑性能急劇下降。軸承冷卻水溫度對軸承振動噪聲影響較大，隨著冷卻水溫度升高，軸承振動噪聲臨界點轉(zhuǎn)速越高，使噪聲出現(xiàn)范圍擴大。軸承局部受力對軸承噪聲影響較大，使噪聲出現(xiàn)范圍擴大[7]。

重慶大學王家序團隊的吳曉金[14―16]建立了水潤滑橡膠軸承三維動力學模型，用有限元的方法分析軸承結(jié)構(gòu)和材料對激勵的振動響應(yīng)。結(jié)構(gòu)模態(tài)分析表明：對運行于高速或超高速工況下的水潤滑軸承，其自由模態(tài)特征頻率較低，尤其低階時，其響應(yīng)頻率處于結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的范圍內(nèi)，并有可能產(chǎn)生較大的振動響應(yīng)；而約束模態(tài)的頻率相對較高，交變載荷的振動頻率將不可能達到結(jié)構(gòu)的特征頻率，因而產(chǎn)生共振的可能性較小。對于實際使用工況來說，整個結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振響應(yīng)。諧響應(yīng)分析表明，內(nèi)層橡膠和外層復(fù)合材料對振動的響應(yīng)是一致的，這對研究整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要意義。王家序團隊的另一些成員[17,18]利用有限元復(fù)特征值分析方法，分別研究了水潤滑軸承不同結(jié)構(gòu)，包括水潤滑軸承過渡圓弧半徑大小、水槽半徑大小、水槽數(shù)量及橡膠厚度對摩擦噪聲的影響。研究表明，對于中小規(guī)格的水潤滑軸承，軸承的過渡圓弧半徑大小，水道槽半徑大小，水槽數(shù)量及軸承橡膠厚度對摩擦噪聲的產(chǎn)生有重要影響。

武漢理工大學劉正林團隊的金勇[19―21]基于Pulse的測試結(jié)果，對其尾軸承試驗臺架進行了試驗?zāi)B(tài)分析。結(jié)果表明，尾軸承采用橡膠軸承材料時，其低速下由自身特性導致的水平和垂直方向上的振動主要集中在2 kHz以下；分析了橡膠層硬度對振鳴音的影響，認為在低速重載工況下橡膠層硬度易在邵爾A 80左右，中高速工況下，硬度則可稍微提高一些。劉正林團隊另一成員彭恩高[22]通過試驗的方法研究了載荷、速度、溫度對水潤滑橡膠軸承振鳴音的影響，認為速度和溫度對振鳴音的影響較大，載荷影響較小。

3 水潤滑尾軸承振鳴音的抑制措施

3.1 加強質(zhì)量控制

目前，美國艦艇使用的橡膠軸承均嚴格按照MIL-B-17 901 C（SH）進行制造和驗收。該標準規(guī)定了各類軸承橡膠材料的硬度、抗拉強度、耐沖擊性、吸水性、吸油性等性能指標，同時規(guī)定了檢驗方法。因為摩擦特性直接影響振鳴音的發(fā)生趨勢和條件，因此該標準對摩擦因數(shù)測試的試驗臺架、試驗方法、試件準備、驗收指標等都做了詳細規(guī)定，要求試驗轉(zhuǎn)速在5～400 r/min范圍內(nèi)時，試件的動摩擦因數(shù)的變動范圍為0.25～0.2，靜摩擦因數(shù)不超過0.8。而我國《船用整體式橡膠軸承》（CB769—2008）僅對橡膠軸承的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)作了規(guī)定。

3.2 優(yōu)化尾軸承材料配方

橡膠以其優(yōu)良的減振降噪性能，而成為使用最廣泛的艦船尾軸承材料。先后被用作尾軸承材料的依次為天然橡膠、丁腈橡膠、天然―順丁橡膠及賽龍等各類橡膠改性的產(chǎn)物。但是，天然橡膠在高速沖擊力作用下會發(fā)生不可逆的硫化還原而迅速的被丁腈橡膠取代[23]。但相對天然―順丁橡膠而言，丁腈橡膠具有更好的減振降噪性能。材料配方是影響水潤滑軸承摩擦性能最主要的因素，對材料的研制從未停止，只是限于軍事保密，可以查到的文獻很少。橡膠表面狀況直接影響摩擦副的摩擦因數(shù)、磨損過程等[24,25]。有學者利用鹵化[26]、氫化等表面改性技術(shù)以提高橡膠表面的親水性，利用表面織構(gòu)技術(shù)以提高橡膠表面的潤滑性能，以降低摩擦副的摩擦因數(shù)。另外，無論是對橡膠軸承還是其它非金屬水潤滑軸承，振鳴音產(chǎn)生的臨界轉(zhuǎn)速也是衡量材料能否在大比壓下工作的重要因素之一。

3.3 改進尾軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了安裝方便，并保證橡膠軸承受力均勻，有良好的散熱性，要求其長徑比不能超過4，但也不能過小。Orndorff Jr.Roy L[23,27]認為使用新型超高分子量聚乙烯/橡膠塑料軸承合金，可以提高軸承設(shè)計比壓，降低長徑比到1甚至更低。這或許忽略了另外一個問題：對橡膠軸承而言，比壓增大，粘―滑現(xiàn)象誘發(fā)的振鳴音的臨界轉(zhuǎn)速也會提高[28]。

軸承摩擦面形狀有凹面型、平面型、凸面型。日本EVK公司認為凹面型優(yōu)于平面型和凸面型，日本艦船使用凹面型。前蘇聯(lián)使用凸面型。美國B.F.Goodrich company公司[29]的試驗表明，平面型板條的動摩擦因數(shù)顯著地小于凹面型。劉正林團隊[30]的試驗與仿真研究表明，平面型優(yōu)于凹面型或凸面型，在于它更易形成彈—塑流體動壓潤滑，具有更好的啟動性和低速運轉(zhuǎn)性能。Daugherty,R.L.等[31]認為橡膠層越薄，摩擦因數(shù)越小。故從降低尾管軸承振鳴音發(fā)生的臨界速度和摩擦因數(shù)的角度，推薦使用平面型薄橡膠板條。軟的橡膠表面摩擦因數(shù)更低，選擇合適硬度的橡膠板條也很重要。劉宇[32]對于軸向開槽水潤滑尾管軸承的潤滑性能進行了數(shù)值計算與分析。結(jié)果表明：開槽后軸承周向壓力分布不連續(xù)，軸承的承載能力降低；且槽的寬度越大，個數(shù)越多，軸承的承載能力也就越小。但水槽的數(shù)量不能太少，以免軸承摩擦副中局部溫度過高，導致潤滑狀況惡化、摩擦因數(shù)升高。姚世衛(wèi)[33]認為在軸承下方承壓區(qū)內(nèi)不開水槽時更有利于液膜的形成。

4 結(jié)語

振鳴音是橡膠等彈性材料在潤滑不良情況下的固有特性，不能完全消除，只能在了解機理與影響因素的前提下，采取措施進行減振降噪。橡膠尾軸承產(chǎn)生振鳴音的機理復(fù)雜，在不同工況下可能有不同的機理，在不同工況下各影響因素的權(quán)重也可能不一樣。從目前可以查到的文獻來看，各種理論分析還很不完善，仍然需要深入研究各種工況下尾軸承振鳴音與摩擦界面特性和軸承結(jié)構(gòu)等因素的關(guān)系，以促進尾軸承振鳴音機理研究的發(fā)展。

有限元分析法、復(fù)特征值分析法及基于Pulse的FFT分析法，為振鳴音研究提供了很好的理論分析手段。在有限元分析法和復(fù)特征值分析法中，需要一定的假設(shè)條件，導致不同的分析方法得到的結(jié)果不完全一致，且目前各研究團隊的成果仍然缺乏系統(tǒng)性。深入開展振鳴音機理及影響因素的理論研究非常必要。

試驗手段在今后很長一段時間內(nèi)仍將是研究尾軸承振鳴音的重要手段，它比數(shù)值和理論分析更直接、有效，并能夠驗證數(shù)值分析結(jié)果。目前以試塊和軸承試件的臺架試驗為主，沒有進行實船測試的報道。因此，充分考慮各種因素的影響，結(jié)合實船試驗或者臺架試驗，利用先進的試驗設(shè)備，分析振鳴音發(fā)生時的振動特征，并應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法，進行綜合的研究，準確揭示其產(chǎn)生機理，在此基礎(chǔ)上，制定詳實的水潤滑尾軸承產(chǎn)品設(shè)計、制造、安裝規(guī)范，對保證艦船的靜音設(shè)計具有重要的意義。

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