水润滑橡胶轴承摩擦振动特征分析

彭伟才 ，谈宇航

1船舶振动噪声重点实验室，湖北武汉430064

2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引 言

艉轴承是舰船轴系的关键部件，其中水润滑艉轴承的常用材料为橡胶。橡胶具有优良的减振性能，可以有效地减小轴系振动，降低轴系引起的辐射噪声［1-2］。但水润滑橡胶艉轴承在低速重载、启停机、高温高压等润滑不良的特殊工况下，容易出现异常的振动噪声，严重影响了舰船的隐身性能。

早在20世纪70年代，美国等西方国家就对橡胶轴承的摩擦振动噪声机理进行了大量研究，有效地降低了橡胶轴承出现异常噪声的临界工况［3-5］。而国内在这一研究领域的起步较晚，与国外差距较大。姚世卫等［6］从橡胶轴承摩擦性能角度出发，对异常噪声的影响因素和影响规律进行了研究，并进行了大量试验验证。

目前，针对艉轴承摩擦振动的研究主要集中在成因机理以及影响规律方面，并未完全掌握摩擦时轴与艉轴承的振动特征。摩擦工况下，轴与艉轴承发生局部接触，轴的运行振动状态是反映摩擦的重要参数。为了掌握艉轴承的摩擦振动特征，本文拟采用试验手段进行研究，以水润滑艉轴承试验台架为研究对象，利用时域谱、频率谱、轴心轨迹等振动测试分析技术［7-9］，获得艉轴承和艉轴产生摩擦时的振动特征，并与正常运行工况进行对比。通过对比分析，拟为艉轴承异常摩擦识别、艉轴承低噪声设计提供技术支持。

1 试验台架

试验采用SSB-100型船舶水润滑艉轴承试验台架（图1）。试验装置由电机、冷却系统、支撑轴承、艉轴承、液压加载和测试部分组成。试验轴采用45钢制成，其轴颈镶有ZQSn10-2衬套，衬套长为175 mm，外径为Ø150 mm。支撑轴承为滑动轴承。采用液压油缸垂向加载，作用在轴承盖中间部位，以保证轴承比压均匀，通过调整油压模拟不同载荷。测试装置主要包括转矩转速仪、压力表，振动、位移传感器以及BK测试系统等。转矩转速仪用于测试试验轴的摩擦力矩，压力表用于测量液压加载油缸的载荷，力传感器用于监测艉轴承的载荷。

图1 试验台架Fig.1 SSB-100 test rig

试验采用平板式橡胶艉轴承，其内径为152 mm，长150 mm，共有12个水槽，水槽深8 mm。艉轴承座上布置两向加速度传感器，艉轴承后布置1对位移传感器，测量轴心轨迹（图2）。

图2 传感器布置Fig.2 Layout of transducer

2 试验过程与结果

通过调整液压油缸中的油压，改变对艉轴承座底部的作用力，从而实现比压调整。艉轴承温度控制通过调整冷却水的温度实现。确定了艉轴承比压和冷却水温度以后，控制转轴从高转速缓慢下降，直到艉轴承出现摩擦振动。发生异常摩擦时，肉眼可观察到轴出现了明显的粘滞—滑动现象，即转轴出现了瞬时停顿，同时记录正常和摩擦工况下的振动数据，并对结果进行对比分析。

2.1 振动信号的时域特征

正常工况下，轴承座上的振动时域信号较平稳。出现异常摩擦时，时域信号呈现明显的脉冲现象，周期性较强，且出现大幅振动。图3～图5为正常工况与两种异常摩擦工况下的时域信号对比结果，由图可见，异常摩擦工况（33 r/min）的幅值达12 m/s2，是正常工况（100 r/min）的15倍。

分析表明，脉冲现象由艉轴承摩擦导致。轴每转动一周，将出现一个或多个接触点，时域信号中出现一个或多个周期性的脉冲。对比图4和图5所示的振动信号，可以发现，异常工况2中的摩擦比异常工况1中的严重得多，脉冲时间间隔更短。当轴承比压越高、冷却水温度越高、转速越低时，引起的异常摩擦振动幅值越高。

图3 正常工况的时域信号（100 r/min，30℃，0.3 MPa）Fig.3 Time-domain signal in normal case（100 r/min，30℃，0.3 MPa）

图4 摩擦工况1的时域信号（33 r/min，30℃，0.3 MPa）Fig.4 Time-domain signal in friction case 1（33 r/min，30℃，0.3 MPa）

图5 摩擦工况2的时域信号（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 振动信号的频谱特征

轴与艉轴承发生异常摩擦时，由于摩擦具有非线性特点，导致艉轴承产生复杂的振动信号，信号具有丰富的频谱特征，不但包含反映轴系振动固有特性的低频成分，还有远远高于振动固有特性的高频成分。

在正常工况下，振动信号的较大振幅主要集中于低频域（＜1 kHz），主要峰值频率为134和249 Hz，其中249 Hz为液压加载系统的脉冲，是干扰频率；频率134 Hz主要体现的是在艉轴承的支撑下轴的振动固有特性（图6）。

图6 正常工况的频谱（100 r/min，30℃，0.3 MPa）Fig.6 Frequency spectrum in normal case（100 r/min，30℃，0.3 MPa）

在异常摩擦工况下，振幅变化较大，除了轴的低频固有特性外，在高频段出现了丰富的频谱特征，主要峰值的基频约1 250 Hz，并有2倍左右的倍频分量。且峰值频率在不同摩擦异常工况下基本不变，摩擦越严重，峰值频率对应的幅值越大（图7和图8）。

图7 摩擦工况1的频谱（33 r/min，30℃，0.3 MPa）Fig.7 Frequency spectrum in friction case 1（33 r/min，30℃，0.3 MPa）

图8 摩擦工况2的频谱（42 r/min，40℃，0.4 MPa）Fig.8 Frequency spectrum in friction case 2（42 r/min，40℃，0.4 MPa）

采用力锤敲击轴承座，得到轴承座与轴、液压加载装置组成的系统的固有频率约为1 250 Hz（图9）。因此艉轴承发生摩擦时，将激励轴与艉轴承相关联的结构或系统。

图9 系统的固有频率Fig.9 Natural frequency of the system

2.3 轴心轨迹特征

轴心轨迹是轴心相对于轴承座的运动轨迹，它反映了转子瞬时的涡动状况，其形状和动态特性包含了丰富的征兆信息，是判断转子运行状态和故障征兆的重要依据。

图10所示为不同转速下（比压为0.3 MPa）轴心轨迹的对比结果。由图可见：由于试验台架较小，轴心轨迹有明显的多个局部碰撞折返点；轴心轨迹呈花瓣形，转速越高，轴心轨迹重复性越好、尖角越光滑。

图10 不同转速下的轴心轨迹Fig.10 Shaft centerline orbit at different rotation speeds

图11所示为不同温度和转速下发生摩擦时的轴心轨迹图。由图可见：轴心轨迹发生了较大变形，尤其是低转速下，轴心轨迹变形严重、尖角突出，轴心轨迹曲线不重合、有分离，重复性较差。这说明发生摩擦时轴的运行状态也比较差。

图11 异常摩擦工况下的轴心轨迹Fig.11 Shaft centerline orbit in friction cases

2.4 摩擦系数

随着轴转速的降低，艉轴承润滑状态继续恶化，艉轴承与艉轴的接触面积增加，粘着摩擦系数迅速增加。根据试验结果，此时摩擦系数与线速度的关系曲线具有较大的负斜率，如图12所示。发生异常摩擦时，轴与轴承出现粘滞，瞬时转速为零，摩擦系数无法测量，因此该曲线不含发生异常摩擦的转速。根据粘滞摩擦振动的机理［6］，在此工况条件下，艉轴承的工作状态很不稳定，外界较小的干扰可能导致异常摩擦振动。同时发现低转速时摩擦系数随温度和比压的升高而增大。

图12 摩擦系数Fig.12 Friction coefficient

2.5 启停时的摩擦振动特征

图13～图14为启停时轴承座上的异常摩擦振动。从时域和频谱特征来看，启停时与额定转速工况的异常摩擦特征基本一致，摩擦激励起轴承的高频响应。

图13 启停时的时域信号Fig.13 Time-domain signal for start and stop

图14 启停时的频域信号Fig.14 Frequency-domain signal for start and stop

3 结 论

通过试验研究，得到艉轴承的摩擦振动特征，总结如下：

1）出现异常摩擦时，轴承座上的时域振动信号出现明显的脉冲现象，周期性较强，且出现大幅振动；脉冲由艉轴承的摩擦导致；轴每转动一周，将出现一个或多个接触点，摩擦越严重出现脉冲的次数越多，且时间间隔越短。

2）轴与艉轴承发生异常摩擦时，由于摩擦具有非线性特点，艉轴承将产生复杂的振动信号；信号具有丰富的频谱特征，不但包含反映轴系振动特性的低频成分，还有远远高于轴频的高频成分，摩擦越严重，高频峰值频率对应的幅值越大。

3）艉轴承发生摩擦时，将激励轴与艉轴承关联的结构或系统的固有频率，引起振动噪声。

4）轴心轨迹有多个局部碰撞折返点，轴心轨迹呈花瓣形，发生摩擦时轴心轨迹发生较大变形，尤其是低转速下轴心轨迹变形严重、尖角突出、重复性较差。

在试验台架或实船测试时，可以通过比对这些振动特征，识别艉轴承是否发生异常摩擦，为艉轴承的低噪声设计提供参考。