低噪声舰船尾管水润滑橡胶轴承材料的研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

水润滑橡胶轴承用于船舶螺旋桨轴尾管轴承已有100多年的历史，至今仍被广泛采用，尤其是用于军用舰船。水润滑橡胶轴承的突出优点是吸震、抗冲击性能优异，不污染水域。但缺点也很突出：承载能力低，设计比压只有油润滑轴承的l/3。在启动、停机、低速运转等工况下，会产生振动噪声(BearingNoise)，严重威胁舰船的安全性、隐蔽性及生存能力，对水下潜器来说这是致命的弱点I 。

水润滑尾管轴承材料的使用经历了两个阶段。第-阶段是以铁犁木为代表的木质和棉质材料。第二阶段是以橡胶为代表的高弹性高分子化合物。美国为降低潜艇的噪声，在上世纪七十年代，开展了以橡胶为基体的复合材料的研究。材料配方以超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)、丁腈橡胶和石墨等粉末为主要原料，后经模压制造的轴承，并申请了专利，命名为SPA[2]。同时对水润滑橡胶轴承产生的振动噪声机理也进行了研究。美国为确保其海军的安全和可靠，在水润滑轴承的研制方面，-直处于领先地位，并颁布了世界上唯-的水润滑橡胶轴承的军标MIL-DTL-17901C (SH) 。

我国在舰船上使用水润滑轴承的历史也很悠久，取得了-些经验。但材料的摩擦系数、振动噪声相对较高，尤其是在低速时。作者在多年研究、制造橡胶轴承的基础上，成功地研究出了-种低噪声、低摩擦系数的复合橡胶轴承，命名为 SPB.N。其配方是丁腈橡胶、UHMWPE、石墨、二硫化钼收稿日期：2012.10-19；修改稿收稿日期：2013-05-14基金项目：国家自然科学基金资助项目(50979084；510791l9)；浙江省舟山市科技计划项目(2012C33007)中 国 造 船 学术论文等。它使用的原材料性质，制造工艺与美国专利完全不同，从而其机械-物理性能也不相同。

本文以水润滑橡胶尾轴承为对象，结合国家 自然科学基金项目，进行了以减振降噪为目的的材料研制，以及摩擦性能、摩擦振动等摩擦学问题的研究。

1 SPB-N材料的配方及机械-物理性能超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)是-种性能比尼龙优异的新型工程材料。其耐磨性能是尼龙的 4倍，耐泥砂磨损性能也很突出。自润滑性能好，摩擦系数小，冲击强度高，且耐腐蚀，无毒，无污染，工作温度<80℃。而橡胶的吸震性好，轴承磨损小，在高速时，摩擦系数小，且有二次世界大战积累的使用经验。

SPB.N以丁腈橡胶为基体，添加UHMWPE和少量的石墨、二硫化钼等减摩材料混炼，然后将混炼料填入注压成型模具，经加热、保温、硫化，即可得到表面光滑的成品。不需进行机械加工，也不应该进行机械加工，否则破坏了摩擦表面粗糙度和形状。复合橡胶材料SPB-N轴承材料生产工艺的关键是温度，而决定温度的关键是原材料的物理性质。表1是复合橡胶材料SPB-N的各项机械物理性能指标与中国船标CB/T769-2008和美国军MIL-DTL.1 790 1 C(SH)的对比。

表1 复合橡胶材料SPB-N的机械.物理性能由表 1可以看出，复合材料 SPB.N的各项机械物理性能指标均在中国船标 CB/T 796-2008规定的范围内，且拉伸强度、扯断伸长率、硬度以及浸蒸馏水体积变化率也满足于美国海军军标 MIL-DTL1790/C(SH)的要求。因此，复合橡胶材料 SPB-N 的机械-物理性能达到了中国船标 CB/T769-2008的要求。

2 舰船尾管轴承的台架试验装置2.1 试验装置试验在船舶尾管轴承试验台架SSB-100上进行，如图1N示。与轴承试件配副的试验主轴由45号钢制成，其轴颈镶有ZCuSnl0Zn2衬套，衬套长146.05mm，内径为171.45 mnl。采用自来水润滑，润滑水系统可以调节水温。采用红外测速仪测量主轴转速，B&K 4508 B型加速度传感器采集轴承的水平和竖直方向的振动信号，安装方式如图1N示。

54卷 第 2期 (总第205期) 周新聪，等：低噪声舰船尾管水润滑橡胶轴承材料的研究图5是复合橡胶SPB-N在比压0.28MPa下的摩擦系数随转速的变化曲线。在低于0.18m/s时，SPB-N的摩擦系数只有美国军标 MIL DTL-17901C(SH)测定值的40%。这使得复合橡胶 SPB-N的摩擦系数随速度的变化趋势较平缓，说明橡胶中添加的 UHMWPE和石墨在低速时起到了良好的自润滑效果。

由图5所示，在转速为0.54m/s时摩擦系数达到最小值。-般认为，在摩擦系数的最低点建立起了摩擦副的完全弹塑流体动压润滑。根据斯特里贝克曲线，复合橡胶 SPB-N的润滑状态主要是处在混合润滑区和弹塑流体动压润滑区。

3.3 SPB-N轴承的振动噪声在螺旋桨轴低转速或轴承受重载荷时，水润滑橡胶尾管轴承常会产生可以听见的振动 (AudibleVibration)或尖叫 (Bearing Squea1)噪声。这可能是轴与轴承问无法形成流体动压润滑膜，而产生了粘-滑运动4。J。这是弹性体本身的故有特性。粘.滑现象的产生与摩擦系数有密切关系。

Bharat Bhushan对粘-滑现象产生的噪声进行了深入的研究，他将高频且可以听见的噪声定义为尖叫 (Squea1)，典型的频率主要集中在 560～1670 Hz～低频的噪声定义为颤振(Chater)，典型的频率在 300600Hz[刚。

对 SPB-N复合橡胶轴承的振动进行了试验研究。利用 B&K加速度传感器，记录了振动在不同比压和速度下的时域曲线和频谱分析曲线。通过对频谱分析曲线的统计，在不同的工况下都有最大振幅值的两个频率段：-是 920 1834Hz高频率段，加速度振幅值 0.5～5.1m m/s ，位移幅值 10～137pm；二是 400Hz以下的低频率段，加速度振幅值 0.6～10.2mm/s ，位移振幅值 0.16～2.2nm。振幅值的大小与速度和比压有关，在低速时最为明显，其中低频率段的振幅比高频率段的振幅大两个数量级。高频率段的振动是高弹性体固有的。而引起低频段的振动的因素很多，其中有试验台架旋转轴系及安装在上的仪器、支架等，这些外部的振动，都可能通过轴承引发激振，而被加速度传感器记录。至于同-个滑动轴承会有两个频率段的问题，还值得深入-步的研究。实际上舰船尾轴承也同样会受到外界 (如船体)振动的影响，因此在分析振动噪声时，应引起注意。

日本船级社认为白合金轴承的设计比压 (局部最大比压)是 0.55MPa，即当舰船尾管轴承的局部比压<0.55MPa时，螺旋桨轴可以安全运转。表 2所示为 SPB-N复合橡胶轴承在各局部比压下的临界线速度值 (这里将水润滑橡胶尾轴承在-定比压下产生振鸣音时的转速定义为临界转速)。

表 2 SPB-N复合橡胶轴承在各局部比压下的临界线速度值对于 SPB-N复合橡胶轴承来说，当比压在 0.70MPa以下、速度在 0.27m/s以上时，没有出现激烈的振动噪声。因此，SPB-N 复合橡胶轴承的最大局部比压为 O.7MPa，此时的转速为 0.27m/s。若比压在 0.84MPa以上，则在任何速度下，振动噪声都明显地激烈。尤其是速度在 0.27m/s以下时，会出现粘-滑现象而发出振鸣声。如图6所示，SPB-N水润滑轴承的润滑状态曲线的边界润滑趋向左靠，混合润滑区的负斜率很陡，说明该材料的摩擦性能优异。

54卷 第 2期 (总第205期) 周新聪，等：低噪声舰船尾管水润滑橡胶轴承材料的研究4 结 论以丁腈橡胶为基体，加入 UHMWPE和石墨等物质进行混炼，再经注压和硫化成形，得到复合橡胶材料 SPB-N。其机械物理性能达到了中国船标 CB/T 769-2008的要求，产生粘滑现象的临界转速为0.27rn/s，可承受的局部比压为 0.7MPa。

复合橡胶材料 SPB-N的摩擦系数在美国军标 MIL-DTL-17901C(SH)范围之内。速度变化的负斜率较小，使粘 滑现象发生的概率更低，低转速性能更优异。

该材料在动压润滑区不发生粘-滑现象，在混合和边界润滑区会发生粘-滑现象。只有在干摩擦条件下，才会出现尖叫声。由于螺旋桨轴是浸泡在水中的，因此只有起动或停机时才会存在干摩擦条件，出现瞬间的尖叫声。

复合橡胶材料 SPB-N的研制具有重要的理论意义和军事应用价值。

作 者 简 介ORNDORFF R L，Jr.Water-lubricated rubber bearings，history and new developments[J].Naval Engineers Journa1。

ORNDORFF R L，Jr，FRINCK D G.New design，cost-efective，high performance water-lubricated bearings[J]。

Department of Defense，USA.MIL-DTL-17901C(SH)，Bearing componems，bonded synthetic rubber，water lubricated[S]。

IBRAHIM R A.Friction-induced vibration，chater，squeal，and chaos：part I-mechanics of friction[C]/Winter AnnualMeeting ofthe American Society ofMechanical Engineers，1992，11(49)：107-121。

IBRAHIM R A.Friction-induced vibration，chatter，squeal，and chaos：part II-dynamics and modeling[C]//Winter AnnualMeeting ofthe American Society ofMechanical Engineering，1992，1 1(49)：123-138。

BHUSHAN B.Stick-slip induced noise generation in water-lubricated compliant rubber bearings[J].Journal of lubricationtechnology，1980，102(Compendex)：201-212。

Class NK Nippon Kaiji Kyokai[S].Guidelines on shafting alignment.2006。

Study of Low Noise W ater Lubrication Rubber Bearing M aterialSPB-N for Ship Stern TubeZHOU Xincong ，-，YAN Zhimin ，-，TANG Yumin ，-，QIN Hongling ，ZHAO Huasong ，TIAN Yuzhong(1.School ofEnergy and Power Engineering，Wuhan University ofTechnology，Wuhan 430063，China；2.Key Laboratory ofMarine Power Engineering&Technology(Ministry ofCommunications)，Wuhan University ofTechnology，Wuhan 430063，China)；3.Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design&Maintenance，China Three GoNes University，Yichang443002，China；4.Wuhan Rubber Industry Corporation，Wuhan 430035，China；5.CCS，Wuhan 430035，China)AbstractTheoretical research and experimental validity of water-lubricated bering materials for ship stem tube isof great importance in both civilian and military applications.In order to study tribological properties of thenew material SPB-N，a series of experiments are carried out on the test rig SSB-100.Friction coefi cients andⅢ中 国 造 船 学术论文V brat on characteristics of SPB-N samples under diferent working conditions are acquired and analyzedusmg torque meter and accelerometer.Analysis results show that mechanical and physica1 pr0perties ofSPB-N haVe met the requirements of ship standard specified by CB/T769.2008.Sfick-slip effect Of SPB N islnduced with critical speed of 0.27 naJs，which shows excelnt low-speed perfom ance Of this new materia1。

M oreOVer，its矗iction coefi cient reaches a minimum value at the speed of 0.54 rn/s.Local specit]c pressure ofSPB N is 0·7 M Pa·The composite rubber material SPB-N is served as a kind Of wate1ubricated bearinmaterial with excellent all-r0und perf.0rn1ances。

Key words：composite rubber；low noise；critical speed；stick- slip efiect作 者 简 介周新聪 1964年生，男，教授，博士生导师。主要从事摩擦学及表面工程、 油液监测与故障诊断等方面的研究。

闫志敏 1983 ，男，博士研究生。主要从事摩擦学及表面工程的研究。