舰船水润滑尾轴承降噪关键技术分析

王 磊，刘 伟，刘义军，郭全丽，俞 强

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

舰船水润滑尾轴承降噪关键技术分析

王 磊，刘 伟，刘义军，郭全丽，俞 强

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

水润滑形式的尾轴承广泛运用于舰船推进轴系，其摩擦、润滑与振动等特性对舰船声隐身性能有较大影响，国外海军强国对这一问题进行了系统深入的研究，研制了先进的水润滑尾轴承产品，很好地解决了舰船轴系的摩擦诱导振动噪声问题。本文综述国外舰船水润滑尾轴承发展历程与现状，对水润滑尾轴承发展过程中产生的关键性降噪技术进行系统分析，对国内舰船水润滑尾轴承的发展方向提出建议。

舰船；水润滑尾轴承；推进轴系；摩擦噪声

0 引 言

尾轴承是舰船推进轴系的重要设备，用于支承尾轴与螺旋桨以保证推进轴系的正常运转。舰船尾轴承多采用水润滑形式，即以海水为介质进行润滑与冷却，提高了系统的可靠性，并且具有无污染与辅助系统配置简单等优点[2, 3]。但是，在轴系起动、停车或低转速运转等工况下，尾轴与尾轴承之间易因润滑不良产生摩擦自激振动，并诱发尾部产生强烈的振动噪声，对舰船的隐蔽性造成不利影响[1–8]。欧美日等国针对摩擦诱导的振动噪声问题，以提升水润滑尾轴承性能为主要途径，开展了长期而深入的研究，目前已基本解决。综观其发展历程，国外舰船水润滑尾轴承降噪取得实质性进展主要依赖于材料、结构以及支承形式等方面的技术突破。

本文对国外舰船水润滑尾轴承降噪进程中形成的代表性关键性技术进行总结与剖析，并与目前国外舰船广泛应用的水润滑尾轴承产品进行对照分析，为我国舰船低噪声水润滑尾轴承的发展与研制提供参考。

1 新材料应用技术

推进轴系运转过程中，尾轴承轴瓦与轴颈直接接触，瓦面材料对舰船尾轴承性能具有最重要的影响。欧美日等国为解决舰船水润滑尾轴承摩擦振动噪声问题，积极开展高性能水润滑材料的研究，其中，以新技术、新工艺为代表的特殊改性丁腈橡胶、聚合物合金、改性聚四氟乙烯、纤维强化树脂基复合材料等具有突出的振动噪声性能。

1.1 特制改性丁腈橡胶

自 20 世纪 40 年代开始，水润滑橡胶轴承开始在美国海军舰船上广泛采用。早期的橡胶轴承以天然橡胶为主，由于耐热性能差，异常摩擦噪声严重等原因，逐渐被合成的丁腈橡胶所取代。丁腈橡胶轴承综合性能更佳，摩擦噪声问题有所改善，从而长期在美国海军舰艇上使用。由于新型核潜艇研制对尾部噪声的关注，美国海军寻求进一步降低尾轴承摩擦振动噪声水平，其委托科研机构与企业进行特制改性丁腈橡胶材料的研制，在原合成橡胶中添加特殊的固体润滑成分以改善其润滑性能，同时通过试验进行橡胶的硬度设计。B.F. Goodrich 公司为美国海军研制的尾轴承用特制改性丁腈橡胶，如 H-201、H-203 与 H-212 等，材料中添加有石墨（Asbury Graphite Mill, Inc.）、硅油（Dow Corning）、PTFE（DuPont deNemours E.I. Company）与二硫化钼等润滑成分[13, 20]。此外，B.F. Goodrich公司以及后来的 Duramax Marine 公司在橡胶硫化工艺上进行改进，所生产的丁腈橡胶均匀密实，且采用镜面工艺以使橡胶轴瓦表面达到极高的光洁度[15]。橡胶材料配方与硫化成型工艺等方面的突破，使美国海军舰船装备的水润滑橡胶尾轴承表现出卓越的振动噪声性能，为推进轴系的安静运行提供了有力保障。由于所研制的特制改性丁腈橡胶性能优异，目前美国海军水面舰船与核潜艇仍主要装备橡胶尾轴承。

图 1 典型的橡胶轴承Fig. 1 Typical rubber bearings

英国 Icon Polymer 公司的水润滑橡胶轴承在军民用船舶领域大量使用。为降低摩擦系数并提高干摩擦条件下的耐磨性能，Icon Polymer 联合英国阿斯顿大学开展了特制改性丁腈橡胶材料的研究。双方开展了大量的研究与试验，采取在丁腈橡胶中加入聚四氟乙烯（PTFE）的方法提高材料摩擦磨损性能，克服了 2 种成分的不相容性，取得了重大突破，随后开展的实测结果表明新材料具有优异的干摩擦性能以及在污水环境中的耐磨损性能[11]，基于上述成果，Icon Polymer 公司推出了新型 SilverlineAqualine 系列水润滑橡胶船用轴承。

此外，德国 KTR、美国 Morse、日本 Mikasa 与Kemel 等公司也在特制改性丁腈橡胶材料设计、成型及表面处理等方面开展了研究，开发了具有鲜明特色的水润滑橡胶轴承产品，在军民用船舶领域亦有广泛应用。

1.2 聚合物合金复合材料

国外海军舰船也大量装备非金属聚合物合金材料的尾轴承，其中代表性的有美国 Duramax DMX 轴承、加拿大 Thordon 轴承以及日本 Mikasa 公司的 FF 聚四氟乙烯合金轴承，如图 2 所示。

图 2 典型的聚合物合金轴承Fig. 2 Typical polymer alloy bearings

DMX 是美国 Duramax Marine 公司针对重载轴系研制的基于 SPA（Slippery Polymer Alloy）材料的新型聚合物合金水润滑轴承。SPA 材料是由丁腈橡胶（NBR）、超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）以及一些特殊成分混合而成[20]。UHMW-PE 由于分子量大，具有极佳的物理机械性能，其与 NBR 混合而成的 SPA 材料，综合了 NBR 与 UHMW-PE 的优点，表现出极佳的耐冲击、耐磨损与自润滑性能。基于 SPA 材料生产的 DMX 轴承具有大承载能力以及较低的摩擦系数与磨损率，尤其适用于含泥沙量较高的内河与沿海环境中。英国海事技术防务服务公司（BMT Defense Services Ltd.）为英国国防部开展的测试表明，DMX 轴承具有优异的承载性能与极低的磨损率，其工作比压高达 1.65 MPa，磨损量几乎可以忽略。

加拿大赛龙公司水润滑尾轴承产品线丰富，包括XL，SXL，COMPAC 与 RiverToughComposite 系列产品，其中 SXL/COMPAC 系列轴承在军用舰船推进轴系领域占有量较高。赛龙是三维交叉结晶热凝性树脂制造而成的均质非金属弹性聚合物，是合成树脂与合成橡胶混合物。赛龙材料充分综合了硬树脂成分与弹性橡胶成分的优点，具有优秀的承载能力与耐磨性能。美国海岸警卫队联合洛克希德造船厂，利用 1 艘大型破冰船对赛龙轴承与 Micarta 酚醛树脂尾轴承进行实船对比测试，正常工作 1 年后测量轴承间隙发现，赛龙XL 轴承磨损量仅为酚醛树脂轴承的 1/9 左右。后续又开展了长期的对比测试，并进一步印证了赛龙材料优秀的耐磨损性能。此外，SXL/COMPAC 材料配方中含有特殊的润滑成分，进一步降低了材料的摩擦系数，使轴系在低速运转时，轴承也能安静平稳的运行。因此，赛龙 SXL/COMPAC 轴承受到世界各国海军的青睐，在超过 40 个国家的水面舰船与潜艇上使用，包括德国 MEKO F125 型、意大利 FREMM 级护卫舰，美国“基拉韦厄”级弹药补给舰与“海狼”级核潜艇[19]。

日本三笠公司在 20 世纪 80 年代进行了 PTFE 改性研究，研制出 PTFE 基聚合物材料。纯 PTFE 材料硬度低、压缩强度及耐磨损性不高。三笠公司通过在 PTFE材料中加入碳纤维以实现增强、改性。基于该新型材料研制的 FF 轴承广泛运用日本军、民船以及水力发电等领域。三笠公司的对比测试以及多年的实船应用经验表明，FF 轴承相对于传统的丁腈橡胶，具有更小的摩擦系数，更高的工作比压，使 FF 轴承在低转速工况下具有更低的摩擦振动水平[10, 11]。

在水润滑聚合物合金轴承方面，国外基于不同的技术途径开展了新型水润滑轴瓦材料的研究，开发了形式丰富的产品，在舰船推进轴系上使用良好，显著改善了低速摩擦振动噪声问题。

1.3 纤维增强热固性树脂基复合材料

纤维增强型热固性树脂基复合材料是舰船水润滑尾轴承领域应用较多的一类材料。此类材料的尾轴承诞生几乎同步于橡胶轴承，但在初期受技术水平的影响，树脂基复合材料轴承在尺寸稳定性与耐磨性能方面较差，从而限制了其在舰船上的使用。20 世纪 70年代开始，纤维增强型热固性树脂基复合材料尾轴承迅速发展，材料形式、配方与成型工艺等方面显著进步，并涌现出 Orkot，Tenmat，ACM，Railko 等技术实力雄厚的尾轴承厂商及产品。基于技术水平的进步，纤维增强型热固性树脂基复合材料尾轴承具备了与橡胶轴承、聚合物合金轴承同台竞争的实力，典型产品包括 Tenmat Feroform T，Railko NF，ACM L2 Marine， Trelleborg Orkot TXM Marine 与 Wartsila Envirosafte 系列纤维增强型树脂基复合材料尾轴承。

图 3 典型的水润滑纤维增强型树脂基复合材料尾轴承Fig. 3 Typical water-lubricated fibre reinforced resin matrix composite stern bearings

图 4 材料制备流程Fig. 4 Material preparation process

水润滑尾轴承所采用的纤维增强型树脂基复合材料一般由树脂、增强体与润滑成分复合而成，制备方法与工艺流程相似，如图 4 所示，材料成型一般采用湿法成型，即将添加有特殊润滑成分的流动状态的树脂通过增强体，将树脂浸渍入增强体，制成预浸料；在增强体中的树脂处于半凝胶化阶段，采用缠绕法等进行铺层或卷线以制成筒形，再经过烤箱加热实现固化成形。材料中树脂一般为热固性，可选择酚醛树脂、聚酯树脂或环氧树脂，增强体一般选用聚酯纤维布/线或芳纶纤维布/线等，润滑成分一般包括 MoS2，PTFE，石墨与 CaCO3等。虽然采用相似的成型工艺，但由于材料成分存在差别，各材料及轴承产品所表现出来的性能亦存在一定差别，主要表现在材料的压缩强度、热胀、水胀与摩擦系数等存在差别。由于通过化学键连接成密网状的长分子链，故强度高，受温度影响小，因此纤维增强型树脂基复合材料相对于橡胶、聚合物合金等材料，具有更高的压缩强度，更低的热胀与水胀系数以及更高的许用运转温度。

由于综合性能优异，基于纤维增强型树脂的水润滑复合材料尾轴承在国外舰船推进轴系上广泛使用。其中，Railko NF21/22 系列材料被世界范围超过 30 个国家的海军舰船所采用，包括法国“戴高乐”号航母、英国“卓越”号航母，法国“凯旋”级核潜艇，英国“前卫”级、“特加法加”级、“快速”级与“机敏”级核潜艇，德国 209，212 与 214 型常规潜艇等。此外，英国国防部的监测数据表明，NF 材料的磨损率仅为传统橡胶材料的 1/5。与 Railko NF 类似，Feroform T12 型水润滑尾轴承也大量运用于世界各国海军舰船。英国国防部自 1987 年开展的台架试验以及随后利用 1 艘护卫舰开展的为期 2 年的实舰测试表明，Feroform 材料满足英海军的苛刻要求。Orkot 系列产品广泛运用于军、民船领域，包括英国 45 型驱逐舰、“伊丽莎白”级航母。此外，美国部分新建的“弗吉尼亚”级核潜艇也将采用 Orkot TXM Marine 水润滑尾轴承。ACM 公司水润滑尾轴承产品于 2009 年开始运用于军用舰船，目前已有在 10 个国家的水面舰船与潜艇上使用，包括德国 F214 型护卫舰以及出口的214 型潜艇。Wartsila Envirosafe 系列轴承自 2011 年以来，在超过 18 艘军用舰船上得到应用。如图 3 所示为国外舰船上广泛使用的水润滑纤维增强型热固性树脂基复合材料尾轴承。

2 新型结构应用技术

2.1 平面板条结构

板条式橡胶轴承根据轴瓦板条表面形状可分为凹面形、平面形式与凸面形板条式橡胶轴承。美国海军通过详细的理论研究与试验证明，橡胶轴承由于具有弹性，更易形成弹-塑性流体动力润滑（PEHL），即通过泵压作用，在底部承载区形成水囊。同时，平面板条式橡胶轴承由于水楔接近角最小，可促进流体动力润滑膜的形式[15]，如图 5 所示。此外，美海军还发现橡胶的厚度、硬度与板条边缘的形式等对轴承的润滑亦有重要影响[4]。经过多年的发展，美国海军形成了平面板条的标准形式（Class III），如图 6 所示为Romor I 型燕尾槽平面板条式橡胶轴承及其板条形式[15]。

图 5 平面板条橡胶轴承的弹-塑性流体动压润滑（PEHL）效应Fig. 5 Plasto-Elasto Hydrodynamic Lubrication（PEHL）of flat stave rubber bearing

图 6 Romor I 型轴承及其平面板条Fig. 6 Romor I rubber bearing and its flat rubber strips

2.2 结构复合技术

在平面板条结构形式基础上，美海军开展了橡胶厚度对轴承摩擦特性的影响研究。对比试验表明，薄橡胶板条具有更低的摩擦系数。为实现 Thin-rubber Concept，美海军开展了多种不同组合形式的板条的对比测试，试验结果表明，将薄层橡胶敷设在超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）背衬上，不仅可以解决金属背衬的腐蚀问题，还可以提高轴承的抗冲吸振能力。基于该研究，形成了橡胶轴承的结构复合（Laminated Concept）设计理念。随后，美军摒弃了 Class I 型板条式橡胶轴承，改为采用 Class III 型橡胶轴承[4, 14 - 15]。

美国 Duramax Marine 公司研制的 Romor I 型平面板条式橡胶轴承即采用了结构复合设计理念。Romor I 板条表层材料为特有配方的改性丁腈橡胶，硬度为80（shoreA），轴瓦表面光滑如镜。轴瓦条背衬材料为 Hoechst Celanese 公司研制的 UHMWPE（GUR413），可以有效吸收冲击[13, 15]。表层橡胶与背衬塑料通过特有的粘合技术（R.T. Vanderbilt 公司HM-50 粘结剂）联接在一起[9]，使 2 种材料的层状结构融为一体。Romor I 型尾轴承具有卓越的摩擦性能，运行状态下的摩擦系数低至 0.001，基本上消除了摩擦噪声的产生。Romor I 成为首个达到（并优于）美海军轴承标准苛刻要求的水润滑板条式橡胶轴承。由于综合性能突出，Romor I 型板条式橡胶轴承运用于美海军“俄亥俄”级、“洛杉矶”级、“海狼”级与“弗吉尼亚”级核潜艇以及“企业”级、“尼米兹”级航母、“提康德罗加”级巡洋舰、“阿利·伯克”级驱逐舰、“自由”级与“独立”级濒海战斗舰等水面舰船[15]。

日本三笠公司与 KEMEL 公司联合研制的 FF 轴承（Friction-Free Bearing）是目前日本国内最为先进的水润滑轴承产品，是日本基于国内材料研制、成型与制造能力，对原引进自美国的合成橡胶轴承进行的一次重构与提升。FF 轴承沿用了原橡胶轴承的整体硫化或分离式板条的结构形式，其中的板条采用了 Laminated Concept 结构复合设计理念，将表层的改性聚四氟乙烯（PTFE）与丁腈橡胶（NBR）背衬通过特殊工艺进行粘合，充分利用了改性 PTFE 的耐磨性与丁腈橡胶的弹性变形特性，使轴承整体表现出优秀的摩擦特性，保证了军用舰船特别是潜艇低速工况下的安静航行[10]。

2.3 整体式润滑结构

由于技术的进步，国外已淘汰了螺旋槽式橡胶轴承与凸面式橡胶轴承，凹（弧）面式橡胶轴承的应用也越来越少。用于舰船推进轴系的水润滑橡胶轴承主要采用平面板条式、（剖分）整体硫化式。此外，以橡胶轴承为基础发展起来的聚合物合金轴承，如 Duramax DMX、三笠 FFB 等，也多采用与橡胶轴承类似的平面板条式或整体硫化式结构，如图 7 所示。对于大型军用舰船来说，由于推进轴直径较大，整体式结构对硫化工艺要求高，故平面板条式橡胶轴承应用最为广泛，如 Duramax Romor I、三笠 FFB Segmental Type 与Barrel Type。

20 世纪 90 年代，美国发展出具有整体润滑结构的橡胶轴承，其中代表性的产品是 Duramax Romor C 型PAB（Partial Arc Bearing）[12, 14]。该类型轴承是在原平面板条式橡胶轴承 Romor I 为基础，将原多根复合式板条设计成上、下两半复合式轴瓦，轴瓦由丁腈橡胶通过特殊工艺粘结在超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）背衬上。采用整体式润滑结构的橡胶轴承，在底部承载区不设置流水沟槽，不破坏润滑水膜的连续性，同时，轴承左、右舷侧的大直径沟槽在推进轴系运转过程中可释放润滑水，相对平面板条式轴承，可在更低的转速下形成流体动力润滑。

图 7 Class I，Class III 类板条形式与 Romor I 板条的不同材料结构复合Fig. 7 MIL-DTL-17901（SH）Class I and Class III bearing strips and Romor I bearing strip on laminated design concept

图 8 橡胶轴承结构形式Fig. 8 Rubber bearings structure form

Duramax Romor C（见图 9）满足 MIL-DTL-17901C（SH）Class V 的要求，性能优于 Romor I，可使推进轴系在更为安静的状态下运行，其在美国新建与新研潜艇上将取代 Romor I 型轴承[2]。

树脂基复合材料尾轴承在诞生之初，采用与铁梨木轴承、橡胶轴承类似的板条式结构。随着复合材料成型工艺的发展以及设计理念的进步，于 20 世纪 60年代左右产生了大扇形块结构形式的复合材料尾轴承。从 80 年代开始，产生了多槽、双槽整体、双槽剖分以及新型 Pametrada 等整体式润滑结构（见图 9）。多槽结构是在复合材料轴瓦内表面周向均匀设置纵向沟槽，在底部承载区不开槽，采用该结构形式的复合材料尾轴承尤其适合于泥沙含量高的环境；双槽、剖分双槽以及新型 Pametrada 结构，是在扇形块形式基础上发展而来，可使尾轴承在更低的转速下形成流体动力润滑，是润滑性能最为优异的润滑结构形式之一。

目前，以 Thordon 为代表的均质聚合物合金轴承和以 Feroform，ACM，Orkot，Railko，Wartsila 等为代表的树脂基叠层复合材料轴承，相对于橡胶轴承硬度高，具有更好的机械加工性能，此外，由于技术的进步，轴承结构可不受材料成型工艺的约束，在设计上更为灵活，可以最大程度发挥出新型润滑结构的优势。如图 11 所示为国外采用了整体润滑结构的聚合物合金尾轴承与树脂基叠层复合材料尾轴承。

随着材料成型工艺的进步，橡胶尾轴承与复合材料尾轴承之间在结构设计上的界限已逐步模糊，在不考虑维修性等工程实际问题的前提下，两者均向相同的结构形式，即整体式润滑结构演变。

图 9 整体润滑结构的橡胶轴承Fig. 9 Water lubricated rubber bearing of full lubrication interface and structure

图 10 新型整体式润滑结构示例Fig. 10 New types of full lubrication interface and structure for water-lubricated bearings

3 柔性支承技术

传统的舰船推进轴系，尾轴承采用固定安装方式，尾轴后轴承在螺旋桨的悬臂作用下，轴与轴瓦沿轴线方向接触不均匀，会产生“边缘负荷”效应，造成轴承局部比压过大，不仅会导致轴承局部迅速磨损，降低轴承自身使用寿命，同时，在低速重载及不均匀载荷作用下无法形成良好的润滑膜，轴与轴承易形成干摩擦，产生摩擦自激振动，继而产生强烈的摩擦振动噪声[4]。

20 世纪 50 年代末，美国海军开始在舰船上为尾轴后轴承或螺旋桨轴承设置调心装置（如图 12 所示），实践证明柔性支承技术即调心装置的应用，可降低磨损，并显著改善低速摩擦噪声问题[4]。

图 11 采用整体式润滑结构的轴承Fig. 11 New types of full lubrication interface and structure for water lubricated bearings

图 12 美国海军舰船上使用的调心装置及安装示意图Fig. 12 Self-aligning bearing mount installed on U.S. naval ships

调心装置是基于橡胶的弹性变形原理，在尾轴后轴承与船体结构之间设置弹性橡胶元件，使尾轴后轴承具备随艇体变形、轴系偏移进行自动调整倾斜状态的能力，可增大轴与轴承之间的接触面积，降低轴承局部比压，保证受力的均匀性，可有效改善尾轴后轴承局部摩擦严重、低速工况下润滑水膜不易建立等难题[4]。调心装置的设计，是在保证一定位移变化能力的前提下，通过材料与结构的合理设计使元件具备一定的刚度，并保证装置的疲劳寿命，从而对推进系统产生有利作用。

4 结 语

国外海军强国为提升舰船推进轴系综合性能，针对水润滑尾轴承开展了系统深入的研究，在水润滑材料、结构和支承形式等方面开展了扎实的研究。经过多年的研究，国外对水润滑尾轴承润滑、摩擦磨损特性以及摩擦诱导振动问题机理有了深刻掌握，并基于理论研究与试验成果开发了新颖丰富的产品与技术，提升了轴承的性能，较好地抑制了摩擦振动的产生。国内在舰船水润滑尾轴承方面也开展了研究工作，并开发了产品，但由于起步晚，技术积累不足，研制的水润滑尾轴承产品与国外相比还存在较大差距。国外水润滑尾轴承的发展可为国内的研究提供有益参考，主要体现在：

1）材料是产品的物质基础，应重视水润滑轴承材料的研制，深入开展改性橡胶、聚合物合金与纤维增强型树脂基复合材料等特种高性能材料的研究；

2）结构设计以材料为载体，并受材料成型工艺等诸多因素的制约，应扎实开展不同材料、不同结构形式的润滑、摩擦磨损特性研究与试验，掌握低噪声尾轴承设计方法；

3）重视标准规范与理论研究、试验验证以及工程产品开发之间的良性互动关系，有力推动舰船推进系统关键设备的技术进步。

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Analysis on key technologies of noise attenuation for naval ship water-lubricated stern bearings

WANG Lei, LIU Wei, LIU Yi-jun, GUO Quan-li, YU Qiang
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Water-lubricated stern bearings have been widely used in naval ship propulsion shafting. The friction, lubrication and vibration characteristics of water-lubricated stern bearings affected the acoustic stealth condition of naval ships which have been discussed systematically and completely by foreign naval powers. On the research, advanced water-lubricated bearings have been developed and proven to have eliminated the friction induced acoustic noise of propulsion shafting. The development history and current situation of foreign naval ship water-lubricated stern bearing have been reviewed; and a systematic analysis on the key technology of noise attenuation for water-lubricated stern bearing during the course of development have been made in this paper. Some suggestions for the development of naval ship water-lubricated stern bearing of domestic have been proposed.

naval ship；water-lubricated stern bearings；propulsion shafting；friction-induced noise

U664.33

A

1672–7619(2016)12–0009–07

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.002

2016–09–18

总装备部资助项目；中国舰船研究设计中心研发基金资助项目

王磊(1985–)，男，硕士，工程师，主要从事舰船推进系统设计与研究。