潜艇螺旋桨轴承降噪技术研究进展

何 琳,帅长庚,杨 雪

(海军工程大学振动与噪声研究所,湖北 武汉 430033)

0 引 言

潜艇螺旋桨、尾轴一般通过水润滑轴承来支撑,螺旋桨轴运行时,轴承浸于海水中,通过轴颈与轴承材料之间形成的水膜来润滑[1-3]。当螺旋桨轴低速或高负载运行时,轴与轴承之间润滑水膜可能会被破坏,不能完全形成流体动力膜,部分轴承区域处于边界润滑状态,滑行极不稳定,造成轴颈和轴承之间出现粘滑摩擦,且滑动摩擦力随着速度的降低而增加,这就形成了1个自激振动过程。振动涉及尾轴的扭转和弯曲运动,其反过来通过不同的动态耦合过程可以引起螺旋桨叶片和整个船体的振动,自激振动的形成会产生强烈的噪声,严重影响潜艇的声隐身性能,必须加以有效控制[3-12]。

引起轴与轴承间摩擦噪声的因素很多,如轴承材料性能、轴承结构、轴与轴承表面状况、轴与轴承间的对准情况、水温、水质特性等。本文主要对国内外潜艇螺旋桨轴承所用材料、轴承结构、试验装置等进行综述,并对潜艇螺旋桨轴承降噪技术进一步的研究方向提出建议,对于深入研究潜艇螺旋桨轴承降噪技术具有重要的指导意义。

1 国外潜艇螺旋桨轴承降噪技术研究现状

螺旋桨轴承噪声是潜艇重要的机械噪声源之一,严重时其影响超过潜艇的总噪声级。美国海军在二战期间就发现,潜艇尾部轴承异常噪声严重威胁潜艇生存,二战结束后,美国海军[13]集中力量对德国潜艇尾部轴承设计相关技术进行搜集整理,并委托麻省理工学院、海军泰勒舰船研究发展中心、海军安纳波利斯实验室等研究机构对这一问题进行了系统研究。经过数十年的研究和大量试验,突破了橡胶轴承材料、结构、润滑理论等多项关键技术难题,并于1963年形成了舰用尾部水润滑轴承军用标准MIL-B-17901A(SH),缓解了当时核潜艇“鲟鱼”级尾部轴承噪声的危害。后来随着新型核潜艇噪声水平的降低,潜艇尾部轴承噪声问题又显现出来。为更进一步降低新型核潜艇的噪声水平,美国海军一直在不断研究、改进和完善潜艇螺旋桨轴承降噪技术,根据研究结果,分别于1983年和2005年2次对尾部水润滑轴承军用标准进行了修订,有效解决了新型核潜艇“洛杉矶”级及其改进型尾部轴承噪声控制难题。目前已开发出了四类螺旋桨轴承,以适应不同舰船的需求。除美国外,俄罗斯(前苏联)、英国、德国、日本、加拿大等国家也一直对潜艇螺旋桨轴承降噪技术进行深入研究。潜艇尾部轴承噪声问题影响因素很多,且非常复杂,这里主要论述国外螺旋桨轴承所用材料、轴承结构、水润滑轴承润滑机理、试验装置等主要关键技术发展情况。

1.1 轴承用材料研究

螺旋桨轴承的润滑主要采用水润滑,而螺旋桨轴承降噪设计的关键技术之一是水润滑轴承材料的选取。由于橡胶具有优异的减振降噪性能,常被作为水润滑轴承使用。材料的种类、材料的表面化学性质、摩擦磨损特性、硬度、抗浸润膨胀能力及抗高温老化能力等是影响水润滑轴承工作性能和使用寿命的重要因素。美国军用标准MIL-B-17901C(SH)对水润滑轴承材料的性能参数及其试验方法进行了详细规定[14-16]。

美国海军安纳波利斯实验室[4]对天然橡胶和丁腈橡胶水润滑轴承进行了对比试验。试验结果表明,天然橡胶水润滑轴承在各种工况下均会不同程度的出现摩擦尖叫声,磨损相对来说更严重,而丁腈橡胶水润滑轴承在各种工况下基本未出现尖叫噪声,磨损也相对较小。橡胶材料不同的表面化学性质对水具有不同的湿润性,而湿润性取决于材料本身是亲水性还是憎水性。橡胶材料如果是亲水性较强的材料,将有利于水膜的形成,从而具有较好的水润滑特性,因此,采用这种橡胶制作的轴承具有较小的噪声。但是对于水润滑轴承而言,轴承在水中抗浸润膨胀能力也会影响到系统的工作性能。比如,轴承在水中浸润膨胀,轴承和转轴的空隙减小,甚至两者发生挤压从而增大轴承的额外荷载,导致摩擦增大,噪声增大。

Schncider[17]报告了美国海军使用水润滑橡胶轴承的经历,并提供了大量测试数据,研究了影响尾轴轴承寿命的因素,包括载荷、滑动速率、表面粗糙度、腐蚀的影响等因素,并提出载荷、轴和轴承材料的相关标准。其研究表明,目前美国军方已经运用了超高分子量聚乙烯/丁腈水润滑轴承材料,同时加拿大赛龙公司也在部分产品中将其作为水润滑轴承瓦背材料,用以取代铜合金。赛龙(Thordon)[18]轴承由加拿大Thordon Bearing Inc研制,于1966年投放市场。该材料具有高耐磨性、低摩擦系数、长寿命(25年),同时兼备良好自恢复性和弹性,目前已经应用于多国海军舰艇和潜艇螺旋桨轴承上。英国Railko公司[19]研制的NF材料具有优良的抗冲击性能、较好的耐磨性、较低噪声以及较长的使用寿命(英国海军试验结果表明寿命长达97年),目前已经应用于多国海军舰艇和潜艇螺旋桨轴承上。

由于国外在潜艇螺旋桨轴承降噪技术方面对我国进行技术封锁,所以对国外螺旋桨轴承材料配方设计还不十分清楚,但从有限文献资料可以发现,国外潜艇螺旋桨轴承材料的发展经历了3个阶段。

第一阶段是水润滑轴承用塑料的研究,如酚醛树脂、聚四氟乙烯等。但该类材料存在没有弹性,脆性较大,容易发生裂纹损坏,容易出现空泡腐蚀等缺点。

第二阶段是水润滑轴承用橡胶的研究。橡胶材料主要是天然胶、丁腈胶、氟弹性体、丁基橡胶、乙丙二烯等。经过长期应用发现橡胶轴承耐热性较差,在缺乏水润滑情况下,容易摩擦生热,从而导致轴承损坏;橡胶轴承承载能力有限;由于橡胶轴承易产生粘连现象,所以,当轴承转速较低时易产生噪声。

第三阶段是水润滑轴承用橡胶复合材料的研究,如超高分子量聚乙烯/丁腈复合材料,并添加小尺度石墨润滑剂。该类材料具有在干、湿条件下,优良的低摩擦系数和高抗摩耗性能,较低噪声;承载能力大;耐水性优良;聚合物合金中各组分性能具有协同效应,能充分发挥各组分本身的优良性能等优点。

1.2 轴承结构研究

美国海军对不同结构橡胶轴承的摩擦特性进行试验研究,结果表明橡胶辐条表面形状对轴承噪声有很大影响,与轴曲率一致的表面形状比平面形状轴承更容易产生粘滑尖叫噪声。通过优化设计橡胶辐条结构,可大大改善水润滑橡胶轴承的润滑,降低轴承噪声[5]。

T.L.Daugherty[20]试验研究了7种平面型板条式完全轴承(包角为360°)的静摩擦和动摩擦特性,试验用轴承和美国海军用螺旋桨轴承具有相同的结构。7种板条设计包括2种橡胶成分、2种橡胶硬度(肖氏 A 级硬度 75 ±5、85 ±5)、2 种支撑材料 (黄铜 、塑料)以及不同厚度和形状的橡胶衬层。文章比较了它们在不同静加载时间下的静摩擦系数,给出了7种板条设计的动摩擦系数的速度特性。在比较的诸多因素中,橡胶衬层的厚度和形状对动摩擦系数的影响最大。文章认为静态摩擦性能与动态摩擦性能之间没有相互关联。

Roy L.Orndorff.JR[21]提供了一份内容丰富的关于螺旋桨轴承的历史和新进展的报道。它的摩擦性能和磨损性能实验是以单个板条为研究对象。摩擦实验包括静摩擦系数和动摩擦系数的测量,文中阐述两点:一是橡胶层厚度对摩擦、磨损具有显著的影响。薄型板条设计能达到更为优良的摩擦、磨损性能;二是比较了平面型和凹面型板条的摩擦性能,在试验速度范围内,平面型板条的动摩擦系数显著地小于凹面型。作者认为,凹面型板条的方形边缘角刮掉了旋转的轴卷带的润滑剂,提出平面型应采用方形的边缘角,而凹面型采用圆形的边缘角。

美国核潜艇螺旋桨轴承结构的发展经历了3个阶段。

第一阶段(1963-1983年),采用军用标准MIL-B-17901A中的第一类轴承,金属背衬板条式轴承,金属背衬通过燕尾槽紧配合,装配于轴套上,轴套采用剖分式结构,如图1所示。这种轴承由于金属背衬长期浸泡在海水中,不断腐蚀,使得金属背衬与轴套燕尾槽配合出现间隙,这个间隙的存在很容易使尾部橡胶轴承产生异常噪声[3-4,13-14,22]。

图1 金属背衬板条式轴承Fig.1 Metallic backed stave bearing

第二阶段(1983-2003年),采用军用标准MIL-B-17901B中的第三类轴承,非金属背衬板条式轴承,非金属背衬通过燕尾槽紧配合,装配于轴套上,轴套也采用剖分式结构,如图2所示。采用非金属背衬虽然可以解决金属背衬存在的抗腐蚀问题,但是背衬非金属材料存在应力松弛和老化问题,紧配合安装的板条长时间使用过程中,在交变应力作用下,也容易出现松动,进而产生异常噪声[5-12,15,21-23]。

图2 非金属背衬板条式轴承Fig.2 Nonmetallic backed stave bearing

第三阶段(2003-至今),潜艇尾部噪声控制是“海狼”级潜艇研制要突破的关键技术。与“海狼”级潜艇研制同步,美国海军海上系统司令部开展了1项大型试验研究项目。该项目旨在通过实验室和实艇测试不同轴承材料、不同结构轴承的性能,最终筛选出满足美国海军新型潜艇尾部噪声控制更高要求的轴承。实验室对比试验研究结果表明,有2种轴承最接近美国海军提出的技术要求而入选,这2种轴承分别为COMPAC赛龙轴承(图3)和剖分式非金属背衬半弧轴承(图4)[16,18]。

美国海军在保证接口一致的前提下,将这2种结构轴承安装于实艇上进行试用,短期服役后,发现COMPAC赛龙轴承存在问题,促使美国海军最后决定采用剖分式非金属背衬半弧轴承,并从2003年开始,将其作为标准配件用于新建造的潜艇和更换现役潜艇的尾部板条式橡胶轴承,并于2005年将其纳入军用标准MIL-B-17901C中,作为第五类轴承,这种轴承复合材料外壳可有效吸收振动与噪声,内橡胶层的摩擦系数很小,特别是低转速时的摩擦性能和噪声特性优良,耐磨性优越,使用寿命长。

1.3 美国螺旋桨轴承振动噪声性能试验装置

美国海军用于研究水润滑轴承的振动、噪声及磨损试验的装置主要有3种:

1)轴颈为10″的轴承试验装置,安装在1个大的铸铁板上,旋转轴通过减速齿轮和联轴器驱动,轴颈置于开放的水箱中,试验轴承橡胶板条在顶部中心线处与轴颈接触,通过砝码和杠杆给橡胶板条施加载荷,加载杆和橡胶板条支架之间通过硬钢球接触。该装置加载的最大能力为4500 N,转速范围为10～38 r/min,轴承的润滑水由正对着旋转轴的1个喷雾器供给[4]。

2)14″的轴承试验装置最大加载能力为157500 N,转速范围为8～400 r/min,轴承橡胶板条安装于轴承箱内,可控制供给轴承的润滑水流速度和入口水温,可通过扭矩臂测出轴承摩擦力扭矩,还可通过安装于轴承箱顶端的振动传感器测量系统的加速度级[4,16]。

3)橡胶板条试验装置,其转速范围可控制在0～1.2 m/s,板条切线方向安装有压电传感器和位移传感器,可分别测量高速和低速时橡胶板条的摩擦力,采用带有万向节的脱氧钢驱动轴,万向节和驱动轴通过锁键耦合,避免了由于轴心差而出现横向负载[10]。

1.4 润滑机理研究

理论上深入研究润滑机理能为螺旋桨轴承降噪技术的深入研究提供理论指导。从1886年英国水力学家雷诺(Reynolds)推导出著名的流体动力润滑方程[24-25](即雷诺方程),提出流体动力润滑理论至今,人们对摩擦、磨损与润滑的研究与发展日益丰富,润滑理论也日趋完善。与传统的金属轴承相比,螺旋桨轴承不仅其工作介质发生了较大的改变,而且轴承材料性能和结构也变得很复杂,这为其流体力学动压方程的建立带来了困难。螺旋桨轴承即使在轻载时,轴承接触表面也会产生弹性变形,水楔的形状已经不再由零件的原始形状决定。由于摩擦表面弹性变形,导致了楔形水膜的产生,而且因轴承自身的特点,即多曲面圆弧凹槽的结构,不易形成连续的水膜,所以研究水润滑轴承的润滑机理就必须从弹流润滑的角度进行分析,为了进行定性分析还必须对其模型进行简化。

目前对水润滑轴承润滑机理的研究,是以Muijderman的低粘度流体动压轴承理论为基础发展起来的,一般将水润滑摩擦副看作刚性圆柱和弹性平面接触问题,由于水润滑轴承的长径比一般都为4,可以视作无限长圆柱与弹性平面的接触,并且在弹性较大的摩擦副中,实际润滑区的宽度远远小于轴承的半径,所以研究表面变形时可把轴承润滑区表面当作半无限体的表面。这种变形在弹性力学当中属于平面应变问题。在一般情况下,很难得到解析解。因此,在建立了基本方程组后,一般是求其数值解。在求解的过程中只要计算出变形,便能将压强分布以及其他性能参数确定。但计算变形又要知道压强分布,所以用迭代的办法,即根据假定的变形函数求压强,得到压强以后计算变形,然后根据修正过的变形函数再求压强,如此迭代直到获得满意的精度为止。在求解数值解的过程中的算法是整个计算过程的关键所在。

目前所公开的文献资料显示,在润滑理论研究方面,美国做了大量的研究工作,取得了重大突破,并且将其应用于螺旋桨轴承结构的设计中。但总体来说国外研究的也很不深入,特别是对螺旋桨轴承的润滑机理,能否形成流体动力润滑,如果能形成,那么形成流体动力润滑的轴承、速度及载荷条件等均没有明确的研究。

2 国内潜艇螺旋桨轴承降噪技术现状分析

2.1 国内螺旋桨轴承材料研究

国内早期采用的轴承材料是天然/顺丁橡胶,这种橡胶轴承容易出现爆瓦。如图5所示,橡胶轴承在加载一侧磨损相当严重,表面出现犁坑,局部橡胶表层与对应里层橡胶剥离,里层橡胶存在烧焦现象,成粉末状。轴承在磨合初期的各种转速工况下,试验橡胶尾轴承处有较大噪声,且噪声随着转速的升高逐渐减弱,磨合后期高转速下橡胶轴承噪声消失,而低转速下噪声明显减弱,这与美国海军最初研究成果基本一致。

图5 天然顺丁橡胶轴承表面磨损Fig.5 The surface abrasion of natural and 4-polybutadiene rubber

后来改进采用丁腈橡胶为基体,研制了1种水润滑轴承用新型材料,与原材料相比,摩擦系数大大降低(图6),在任何模拟使用工况下均没有尖叫、烧焦现象,能适应轴承处于边界润滑和干摩擦等极限状态。

图6 新研制材料与原轴承材料摩擦系数对比Fig.6 The friction coefficient comparison between newly-studied and former bearing materials

目前,国内潜艇螺旋桨轴承仍然采用背部螺钉紧固的板条式轴承,该轴承存在如下缺点:①螺钉紧固力无法控制,板条变形不均匀;②螺钉紧固后端部可明显看见板条变形,并且出现间隙;③如果装配完成后不作加工处理,轴承与轴的同轴度不能有效保证。但是加工处理后影响橡胶表面的光洁度。板条越长,上述问题越严重,这些因素都有可能导致轴承异常噪声的产生。此外,板条表面的光洁度也是产生异常噪声的1个重要因素。

2.2 试验装置分析

国内开展水润滑轴承技术研究试验装置主要有3种:

1)材料摩擦性能试验装置,如图7所示。

图7 材料摩擦磨损试验机Fig.7 The friction and abrasion tester of material

2)轴径为151 mm的轴承试验装置,如图8所示,采用中间径向加载方式。

图8 SSB-100型船舶尾轴试验机Fig.8 The ship propeller shaft tester of SSB-100

3)轴径为235 mm和365 mm的尾轴承试验装置,如图9所示。该装置将驱动电机、减速齿轮箱与试验轴承弹性隔离,通过对尾轴加载,可以测试轴承的摩擦磨损及噪声情况。

图9 轴径为235 mm和365 mm的尾轴承试验装置Fig.9 The propeller shaft bearing tester of 235 and 365 mm shaft diameter

2.3 润滑机理研究

虽然国内螺旋桨轴承已有产品问世,但其基础性研究尚十分缺乏,与国外相比,差距还较大。在理论上国内还没有出现过水润滑橡胶轴承的系统报道。国内的螺旋桨轴承的设计还只是停留在经验阶段,而且很多经验仍沿用国外五六十年代的水平,已不能适应新型潜艇螺旋桨降噪技术的要求。

3 结 语

目前,美国最新核潜艇上采用的尾部橡胶轴承已经是剖分式非金属背衬半弧轴承。这种轴承复合材料外壳可有效吸收振动与噪声,内橡胶层的摩擦系数很小,特别是低转速时的摩擦性能和噪声特性优良,耐磨性优越,使用寿命长。国内虽然在水润滑橡胶轴承技术方面已经开发出一些新产品并取得了一定的成果,但与国外相比,还有一定差距,重点需要解决2个问题:1)深入研究能承受大比压且具有自润滑功能的水润滑轴承材料;2)通过材料复合、结构复合的方式,进一步优化设计水润滑轴承结构,剖分式复合结构形式是下一步重点研究的方向。

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