水潤滑橡膠軸承摩擦振動特征分析

彭偉才 ，談宇航

1船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430064

2中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

0 引 言

艉軸承是艦船軸系的關(guān)鍵部件，其中水潤滑艉軸承的常用材料為橡膠。橡膠具有優(yōu)良的減振性能，可以有效地減小軸系振動，降低軸系引起的輻射噪聲［1-2］。但水潤滑橡膠艉軸承在低速重載、啟停機(jī)、高溫高壓等潤滑不良的特殊工況下，容易出現(xiàn)異常的振動噪聲，嚴(yán)重影響了艦船的隱身性能。

早在20世紀(jì)70年代，美國等西方國家就對橡膠軸承的摩擦振動噪聲機(jī)理進(jìn)行了大量研究，有效地降低了橡膠軸承出現(xiàn)異常噪聲的臨界工況［3-5］。而國內(nèi)在這一研究領(lǐng)域的起步較晚，與國外差距較大。姚世衛(wèi)等［6］從橡膠軸承摩擦性能角度出發(fā)，對異常噪聲的影響因素和影響規(guī)律進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證。

目前，針對艉軸承摩擦振動的研究主要集中在成因機(jī)理以及影響規(guī)律方面，并未完全掌握摩擦?xí)r軸與艉軸承的振動特征。摩擦工況下，軸與艉軸承發(fā)生局部接觸，軸的運(yùn)行振動狀態(tài)是反映摩擦的重要參數(shù)。為了掌握艉軸承的摩擦振動特征，本文擬采用試驗(yàn)手段進(jìn)行研究，以水潤滑艉軸承試驗(yàn)臺架為研究對象，利用時(shí)域譜、頻率譜、軸心軌跡等振動測試分析技術(shù)［7-9］，獲得艉軸承和艉軸產(chǎn)生摩擦?xí)r的振動特征，并與正常運(yùn)行工況進(jìn)行對比。通過對比分析，擬為艉軸承異常摩擦識別、艉軸承低噪聲設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)采用SSB-100型船舶水潤滑艉軸承試驗(yàn)臺架（圖1）。試驗(yàn)裝置由電機(jī)、冷卻系統(tǒng)、支撐軸承、艉軸承、液壓加載和測試部分組成。試驗(yàn)軸采用45鋼制成，其軸頸鑲有ZQSn10-2襯套，襯套長為175 mm，外徑為?150 mm。支撐軸承為滑動軸承。采用液壓油缸垂向加載，作用在軸承蓋中間部位，以保證軸承比壓均勻，通過調(diào)整油壓模擬不同載荷。測試裝置主要包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、壓力表，振動、位移傳感器以及BK測試系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀用于測試試驗(yàn)軸的摩擦力矩，壓力表用于測量液壓加載油缸的載荷，力傳感器用于監(jiān)測艉軸承的載荷。

圖1 試驗(yàn)臺架Fig.1 SSB-100 test rig

試驗(yàn)采用平板式橡膠艉軸承，其內(nèi)徑為152 mm，長150 mm，共有12個水槽，水槽深8 mm。艉軸承座上布置兩向加速度傳感器，艉軸承后布置1對位移傳感器，測量軸心軌跡（圖2）。

圖2 傳感器布置Fig.2 Layout of transducer

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

通過調(diào)整液壓油缸中的油壓，改變對艉軸承座底部的作用力，從而實(shí)現(xiàn)比壓調(diào)整。艉軸承溫度控制通過調(diào)整冷卻水的溫度實(shí)現(xiàn)。確定了艉軸承比壓和冷卻水溫度以后，控制轉(zhuǎn)軸從高轉(zhuǎn)速緩慢下降，直到艉軸承出現(xiàn)摩擦振動。發(fā)生異常摩擦?xí)r，肉眼可觀察到軸出現(xiàn)了明顯的粘滯—滑動現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)了瞬時(shí)停頓，同時(shí)記錄正常和摩擦工況下的振動數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.1 振動信號的時(shí)域特征

正常工況下，軸承座上的振動時(shí)域信號較平穩(wěn)。出現(xiàn)異常摩擦?xí)r，時(shí)域信號呈現(xiàn)明顯的脈沖現(xiàn)象，周期性較強(qiáng)，且出現(xiàn)大幅振動。圖3～圖5為正常工況與兩種異常摩擦工況下的時(shí)域信號對比結(jié)果，由圖可見，異常摩擦工況（33 r/min）的幅值達(dá)12 m/s2，是正常工況（100 r/min）的15倍。

分析表明，脈沖現(xiàn)象由艉軸承摩擦導(dǎo)致。軸每轉(zhuǎn)動一周，將出現(xiàn)一個或多個接觸點(diǎn)，時(shí)域信號中出現(xiàn)一個或多個周期性的脈沖。對比圖4和圖5所示的振動信號，可以發(fā)現(xiàn)，異常工況2中的摩擦比異常工況1中的嚴(yán)重得多，脈沖時(shí)間間隔更短。當(dāng)軸承比壓越高、冷卻水溫度越高、轉(zhuǎn)速越低時(shí)，引起的異常摩擦振動幅值越高。

圖3 正常工況的時(shí)域信號（100 r/min，30℃，0.3 MPa）Fig.3 Time-domain signal in normal case（100 r/min，30℃，0.3 MPa）

圖4 摩擦工況1的時(shí)域信號（33 r/min，30℃，0.3 MPa）Fig.4 Time-domain signal in friction case 1（33 r/min，30℃，0.3 MPa）

圖5 摩擦工況2的時(shí)域信號（42 r/min，40℃，0.4 MPa）Fig.5 Time-domain signal in friction case 2（42 r/min，40℃，0.4 MPa）

2.2 振動信號的頻譜特征

軸與艉軸承發(fā)生異常摩擦?xí)r，由于摩擦具有非線性特點(diǎn)，導(dǎo)致艉軸承產(chǎn)生復(fù)雜的振動信號，信號具有豐富的頻譜特征，不但包含反映軸系振動固有特性的低頻成分，還有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于振動固有特性的高頻成分。

在正常工況下，振動信號的較大振幅主要集中于低頻域（＜1 kHz），主要峰值頻率為134和249 Hz，其中249 Hz為液壓加載系統(tǒng)的脈沖，是干擾頻率；頻率134 Hz主要體現(xiàn)的是在艉軸承的支撐下軸的振動固有特性（圖6）。

圖6 正常工況的頻譜（100 r/min，30℃，0.3 MPa）Fig.6 Frequency spectrum in normal case（100 r/min，30℃，0.3 MPa）

在異常摩擦工況下，振幅變化較大，除了軸的低頻固有特性外，在高頻段出現(xiàn)了豐富的頻譜特征，主要峰值的基頻約1 250 Hz，并有2倍左右的倍頻分量。且峰值頻率在不同摩擦異常工況下基本不變，摩擦越嚴(yán)重，峰值頻率對應(yīng)的幅值越大（圖7和圖8）。

圖7 摩擦工況1的頻譜（33 r/min，30℃，0.3 MPa）Fig.7 Frequency spectrum in friction case 1（33 r/min，30℃，0.3 MPa）

圖8 摩擦工況2的頻譜（42 r/min，40℃，0.4 MPa）Fig.8 Frequency spectrum in friction case 2（42 r/min，40℃，0.4 MPa）

采用力錘敲擊軸承座，得到軸承座與軸、液壓加載裝置組成的系統(tǒng)的固有頻率約為1 250 Hz（圖9）。因此艉軸承發(fā)生摩擦?xí)r，將激勵軸與艉軸承相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)。

圖9 系統(tǒng)的固有頻率Fig.9 Natural frequency of the system

2.3 軸心軌跡特征

軸心軌跡是軸心相對于軸承座的運(yùn)動軌跡，它反映了轉(zhuǎn)子瞬時(shí)的渦動狀況，其形狀和動態(tài)特性包含了豐富的征兆信息，是判斷轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)和故障征兆的重要依據(jù)。

圖10所示為不同轉(zhuǎn)速下（比壓為0.3 MPa）軸心軌跡的對比結(jié)果。由圖可見：由于試驗(yàn)臺架較小，軸心軌跡有明顯的多個局部碰撞折返點(diǎn)；軸心軌跡呈花瓣形，轉(zhuǎn)速越高，軸心軌跡重復(fù)性越好、尖角越光滑。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的軸心軌跡Fig.10 Shaft centerline orbit at different rotation speeds

圖11所示為不同溫度和轉(zhuǎn)速下發(fā)生摩擦?xí)r的軸心軌跡圖。由圖可見：軸心軌跡發(fā)生了較大變形，尤其是低轉(zhuǎn)速下，軸心軌跡變形嚴(yán)重、尖角突出，軸心軌跡曲線不重合、有分離，重復(fù)性較差。這說明發(fā)生摩擦?xí)r軸的運(yùn)行狀態(tài)也比較差。

圖11 異常摩擦工況下的軸心軌跡Fig.11 Shaft centerline orbit in friction cases

2.4 摩擦系數(shù)

隨著軸轉(zhuǎn)速的降低，艉軸承潤滑狀態(tài)繼續(xù)惡化，艉軸承與艉軸的接觸面積增加，粘著摩擦系數(shù)迅速增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，此時(shí)摩擦系數(shù)與線速度的關(guān)系曲線具有較大的負(fù)斜率，如圖12所示。發(fā)生異常摩擦?xí)r，軸與軸承出現(xiàn)粘滯，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為零，摩擦系數(shù)無法測量，因此該曲線不含發(fā)生異常摩擦的轉(zhuǎn)速。根據(jù)粘滯摩擦振動的機(jī)理［6］，在此工況條件下，艉軸承的工作狀態(tài)很不穩(wěn)定，外界較小的干擾可能導(dǎo)致異常摩擦振動。同時(shí)發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦系數(shù)隨溫度和比壓的升高而增大。

圖12 摩擦系數(shù)Fig.12 Friction coefficient

2.5 啟停時(shí)的摩擦振動特征

圖13～圖14為啟停時(shí)軸承座上的異常摩擦振動。從時(shí)域和頻譜特征來看，啟停時(shí)與額定轉(zhuǎn)速工況的異常摩擦特征基本一致，摩擦激勵起軸承的高頻響應(yīng)。

圖13 啟停時(shí)的時(shí)域信號Fig.13 Time-domain signal for start and stop

圖14 啟停時(shí)的頻域信號Fig.14 Frequency-domain signal for start and stop

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)研究，得到艉軸承的摩擦振動特征，總結(jié)如下：

1）出現(xiàn)異常摩擦?xí)r，軸承座上的時(shí)域振動信號出現(xiàn)明顯的脈沖現(xiàn)象，周期性較強(qiáng)，且出現(xiàn)大幅振動；脈沖由艉軸承的摩擦導(dǎo)致；軸每轉(zhuǎn)動一周，將出現(xiàn)一個或多個接觸點(diǎn)，摩擦越嚴(yán)重出現(xiàn)脈沖的次數(shù)越多，且時(shí)間間隔越短。

2）軸與艉軸承發(fā)生異常摩擦?xí)r，由于摩擦具有非線性特點(diǎn)，艉軸承將產(chǎn)生復(fù)雜的振動信號；信號具有豐富的頻譜特征，不但包含反映軸系振動特性的低頻成分，還有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軸頻的高頻成分，摩擦越嚴(yán)重，高頻峰值頻率對應(yīng)的幅值越大。

3）艉軸承發(fā)生摩擦?xí)r，將激勵軸與艉軸承關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的固有頻率，引起振動噪聲。

4）軸心軌跡有多個局部碰撞折返點(diǎn)，軸心軌跡呈花瓣形，發(fā)生摩擦?xí)r軸心軌跡發(fā)生較大變形，尤其是低轉(zhuǎn)速下軸心軌跡變形嚴(yán)重、尖角突出、重復(fù)性較差。

在試驗(yàn)臺架或?qū)嵈瑴y試時(shí)，可以通過比對這些振動特征，識別艉軸承是否發(fā)生異常摩擦，為艉軸承的低噪聲設(shè)計(jì)提供參考。