水润滑尾轴承振鸣音研究进展

秦红玲，周新聪，闫志敏，刘正林

（1.三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点试验室，湖北 宜昌 443002;2.武汉理工大学 能源与动力工程学院可靠性工程研究所，武汉 430063）

舰船螺旋桨轴和尾轴承摩擦副在低速、重载、启动、停机等工况下，会出现异常噪声（Bearing noise），影响舰船的隐蔽性与生存能力以及乘员的舒适性。许多著名企业、高校和研究机构投入大量人力、物力、财力开展研发；但是，目前还不能在设计阶段对尾轴承振鸣音进行有效、准确的预估，在问题发生后也不能很快给予解决。因此，研究尾轴承振鸣音的产生机理，在尾轴承设计开发阶段进行振鸣音预估，并提出抑制措施，对于降低噪音污染、满足顾客要求、提高产品竞争力乃至国防军备能力都具有十分重要的意义。

对舰船尾轴承振鸣音的研究可以追溯到20世纪60年代[1]，目前已经形成了大量的研究成果，但是由于问题的复杂性，大部分问题目前仍处于研究阶段，是我们舰船行业迫切需要解决的问题。本文侧重从尾轴承振鸣音产生机理、影响因素、抑制技术等方面综述尾轴承振鸣音的研究进展。

1 舰船尾轴承振鸣音产生机理

关于振鸣音产生机理的研究主要集中在汽车制动器方面，提出了摩擦特性理论、自锁—滑动机理、模态耦合机理和统一理论[2]。而舰船尾轴承振鸣音产生机理的研究主要集中在对目前使用较多的橡胶轴承方面。橡胶轴承的摩擦因数随相对滑动速度变化，引起系统粘—滑（Stick-slip）自激振动，被认为是橡胶轴承产生振鸣音的根本原因。近年来，一些研究人员基于不同的摩擦特性，分析了多自由度系统的不稳定性，以解释橡胶尾轴承振鸣音的产生机理。

Bharat Bhushan[3]试验研究了水润滑橡胶轴承中粘―滑现象产生振鸣音的机理，认为尖叫是橡胶轴承表面粘―滑运动导致的一种振动噪声现象。明确表明，粘―滑运动是橡胶等弹性体的本质属性。颤振是一种和橡胶板条及背衬材料有关的低频率的振动。颤振的频率与支持系统的共振频率相关。

Simpson[4]建立了一种二自由度非线性的水润滑尾轴承动力学模型，借助A.I.Krauter[5]的试验测量结果，对耦合系统的摩擦力随时间变化的非线性响应进行数值模拟计算。认为摩擦因数随速度和时间的非线性变化导致了系统的不稳定。

张嗣伟等[6]对丁腈橡胶在摩擦磨损过程中出现的振动进行了测量，发现其振幅随着转速的提高而逐渐增大，但达到某一临界转速后，振幅随转速增大而减小。理论分析结果表明该振动现象的实质是橡胶对销子的作用力的周期性变化引起销子的受迫振动。该现象与摩擦力密切相关，同时还造成橡胶磨损不均匀。

姚世卫等[7]认为橡胶轴承当负荷过高或水温度过高时，水槽边缘与旋转轴之间的相互作用相当于汽车上刮水器与玻璃之间的刮水作用，会产生摩擦振动，从而发出尖叫。当橡胶轴承与轴的相对滑动速度很低时，静摩擦因数大于动摩擦因数，粘着与滑动交替出现，成为间歇的不平稳运动，引起自激振动，即所谓粘—滑运动。

刘正林课题组[8,9]通过试验研究，认为水润滑橡胶尾轴承鸣音出现与否，主要取决于工作过程中轴承与轴颈的直接接触面积以及摩擦因数―速度曲线负斜率，与A.I.Krauter[5]的结论一致。

尽管以上学者通过大量的试验和仿真研究证实，在低速重载或舰船启、停时，尾轴承系统因为摩擦特性的变化会产生振鸣音。但是，试验及实船测试发现船舶在140 r/min左右的恒定船速下仍然会产生振鸣音，说明上述摩擦特性还不足以全面解释水润滑尾轴承振鸣音产生的机理。

2 水润尾轴承振鸣音的影响因素

早在二战期间，美国军方就发现潜艇尾部均不同程度的会出现异常噪声问题，使潜艇噪声级增大十几dB，严重恶化潜艇辐射噪声，威胁潜艇生存[1]，并率先在舰艇上将油润滑巴氏合金轴承全部改为水润滑橡胶轴承，随后美国海军对潜艇水润滑轴承的结构及轴瓦材料开展了系统研究。经过大量的试验和研究，在尾轴承的结构、轴瓦材料等关键技术方面取得重大进展，并于1963年形成舰用水润滑轴承军用标准MIL-B-17 901 A（SH）[10]。随着技术的发展，美国海军不断研究、改进和完善潜艇尾轴承技术，分别于1983年和2005年对该军标进行了修订，形成了MIL-B-17901B（SH）[11]，MIL-B-17 901 C（SH）[12]，使其舰艇的声隐身技术处于领先地位。我国也在2008年制定了《船用整体式橡胶轴承》（CB769—2008），另外还有前苏联的UOCT7199-54、日本的JISK6301等。

Bharat Bhushan[3]是可以查到的文献中，最早系统开展水润滑尾轴承振鸣音机理及影响因素研究的学者之一。他采用透明玻璃滑块与橡胶试块配副摩擦的试验方法，考察载荷、速度、橡胶板条的硬度、厚度及玻璃滑块的表面粗糙度以及相对运动表面间的润滑剂的含量等因素对振鸣音形成的影响。结果显示，尖叫的频率与橡胶的弹性模量、切变模量、厚度有关。尖叫的强度及产生的可能性与橡胶表面摩擦因数有关。摩擦表面越粗糙，越干净，产生振鸣音的可能性越大。

陈明[13]通过台架试验对不同硬度橡胶轴承材料对轴系振动影响进行研究。结果表明，橡胶轴承材料的不同硬度，对轴系振动影响较大，选择合适硬度的橡胶轴承材料可以有效抑制轴系的振动。姚世卫等的实测数据显示，橡胶轴承比铁犁木具有更好的降噪效果。但在线速度小于0.5 m/s时，会产生振鸣音，这是橡胶这种弹性体的固有属性，只能降低，不能完全消除。进一步的试验显示：橡胶轴承出现噪声与轴承载荷和转速有密切关系，在低转速重载荷的情况下易出现噪声。轴承冷却水流量在一定流量的基础下对轴承噪声无太大影响，当流量小于此值时会使轴承润滑性能急剧下降。轴承冷却水温度对轴承振动噪声影响较大，随着冷却水温度升高，轴承振动噪声临界点转速越高，使噪声出现范围扩大。轴承局部受力对轴承噪声影响较大，使噪声出现范围扩大[7]。

重庆大学王家序团队的吴晓金[14―16]建立了水润滑橡胶轴承三维动力学模型，用有限元的方法分析轴承结构和材料对激励的振动响应。结构模态分析表明：对运行于高速或超高速工况下的水润滑轴承，其自由模态特征频率较低，尤其低阶时，其响应频率处于结构发生共振的范围内，并有可能产生较大的振动响应；而约束模态的频率相对较高，交变载荷的振动频率将不可能达到结构的特征频率，因而产生共振的可能性较小。对于实际使用工况来说，整个结构不会发生共振响应。谐响应分析表明，内层橡胶和外层复合材料对振动的响应是一致的，这对研究整体结构的稳定性具有重要意义。王家序团队的另一些成员[17,18]利用有限元复特征值分析方法，分别研究了水润滑轴承不同结构，包括水润滑轴承过渡圆弧半径大小、水槽半径大小、水槽数量及橡胶厚度对摩擦噪声的影响。研究表明，对于中小规格的水润滑轴承，轴承的过渡圆弧半径大小，水道槽半径大小，水槽数量及轴承橡胶厚度对摩擦噪声的产生有重要影响。

武汉理工大学刘正林团队的金勇[19―21]基于Pulse的测试结果，对其尾轴承试验台架进行了试验模态分析。结果表明，尾轴承采用橡胶轴承材料时，其低速下由自身特性导致的水平和垂直方向上的振动主要集中在2 kHz以下；分析了橡胶层硬度对振鸣音的影响，认为在低速重载工况下橡胶层硬度易在邵尔A 80左右，中高速工况下，硬度则可稍微提高一些。刘正林团队另一成员彭恩高[22]通过试验的方法研究了载荷、速度、温度对水润滑橡胶轴承振鸣音的影响，认为速度和温度对振鸣音的影响较大，载荷影响较小。

3 水润滑尾轴承振鸣音的抑制措施

3.1 加强质量控制

目前，美国舰艇使用的橡胶轴承均严格按照MIL-B-17 901 C（SH）进行制造和验收。该标准规定了各类轴承橡胶材料的硬度、抗拉强度、耐冲击性、吸水性、吸油性等性能指标，同时规定了检验方法。因为摩擦特性直接影响振鸣音的发生趋势和条件，因此该标准对摩擦因数测试的试验台架、试验方法、试件准备、验收指标等都做了详细规定，要求试验转速在5～400 r/min范围内时，试件的动摩擦因数的变动范围为0.25～0.2，静摩擦因数不超过0.8。而我国《船用整体式橡胶轴承》（CB769—2008）仅对橡胶轴承的结构和材质作了规定。

3.2 优化尾轴承材料配方

橡胶以其优良的减振降噪性能，而成为使用最广泛的舰船尾轴承材料。先后被用作尾轴承材料的依次为天然橡胶、丁腈橡胶、天然―顺丁橡胶及赛龙等各类橡胶改性的产物。但是，天然橡胶在高速冲击力作用下会发生不可逆的硫化还原而迅速的被丁腈橡胶取代[23]。但相对天然―顺丁橡胶而言，丁腈橡胶具有更好的减振降噪性能。材料配方是影响水润滑轴承摩擦性能最主要的因素，对材料的研制从未停止，只是限于军事保密，可以查到的文献很少。橡胶表面状况直接影响摩擦副的摩擦因数、磨损过程等[24,25]。有学者利用卤化[26]、氢化等表面改性技术以提高橡胶表面的亲水性，利用表面织构技术以提高橡胶表面的润滑性能，以降低摩擦副的摩擦因数。另外，无论是对橡胶轴承还是其它非金属水润滑轴承，振鸣音产生的临界转速也是衡量材料能否在大比压下工作的重要因素之一。

3.3 改进尾轴承结构设计

为了安装方便，并保证橡胶轴承受力均匀，有良好的散热性，要求其长径比不能超过4，但也不能过小。Orndorff Jr.Roy L[23,27]认为使用新型超高分子量聚乙烯/橡胶塑料轴承合金，可以提高轴承设计比压，降低长径比到1甚至更低。这或许忽略了另外一个问题：对橡胶轴承而言，比压增大，粘―滑现象诱发的振鸣音的临界转速也会提高[28]。

轴承摩擦面形状有凹面型、平面型、凸面型。日本EVK公司认为凹面型优于平面型和凸面型，日本舰船使用凹面型。前苏联使用凸面型。美国B.F.Goodrich company公司[29]的试验表明，平面型板条的动摩擦因数显著地小于凹面型。刘正林团队[30]的试验与仿真研究表明，平面型优于凹面型或凸面型，在于它更易形成弹—塑流体动压润滑，具有更好的启动性和低速运转性能。Daugherty,R.L.等[31]认为橡胶层越薄，摩擦因数越小。故从降低尾管轴承振鸣音发生的临界速度和摩擦因数的角度，推荐使用平面型薄橡胶板条。软的橡胶表面摩擦因数更低，选择合适硬度的橡胶板条也很重要。刘宇[32]对于轴向开槽水润滑尾管轴承的润滑性能进行了数值计算与分析。结果表明：开槽后轴承周向压力分布不连续，轴承的承载能力降低；且槽的宽度越大，个数越多，轴承的承载能力也就越小。但水槽的数量不能太少，以免轴承摩擦副中局部温度过高，导致润滑状况恶化、摩擦因数升高。姚世卫[33]认为在轴承下方承压区内不开水槽时更有利于液膜的形成。

4 结语

振鸣音是橡胶等弹性材料在润滑不良情况下的固有特性，不能完全消除，只能在了解机理与影响因素的前提下，采取措施进行减振降噪。橡胶尾轴承产生振鸣音的机理复杂，在不同工况下可能有不同的机理，在不同工况下各影响因素的权重也可能不一样。从目前可以查到的文献来看，各种理论分析还很不完善，仍然需要深入研究各种工况下尾轴承振鸣音与摩擦界面特性和轴承结构等因素的关系，以促进尾轴承振鸣音机理研究的发展。

有限元分析法、复特征值分析法及基于Pulse的FFT分析法，为振鸣音研究提供了很好的理论分析手段。在有限元分析法和复特征值分析法中，需要一定的假设条件，导致不同的分析方法得到的结果不完全一致，且目前各研究团队的成果仍然缺乏系统性。深入开展振鸣音机理及影响因素的理论研究非常必要。

试验手段在今后很长一段时间内仍将是研究尾轴承振鸣音的重要手段，它比数值和理论分析更直接、有效，并能够验证数值分析结果。目前以试块和轴承试件的台架试验为主，没有进行实船测试的报道。因此，充分考虑各种因素的影响，结合实船试验或者台架试验，利用先进的试验设备，分析振鸣音发生时的振动特征，并应用现代设计方法，进行综合的研究，准确揭示其产生机理，在此基础上，制定详实的水润滑尾轴承产品设计、制造、安装规范，对保证舰船的静音设计具有重要的意义。

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