饱和含液穿孔板条水润滑艉轴承减振性能研究

金勇，邝俊信，田相玉，劳坤胜，欧阳武，刘正林

1 武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室，湖北武汉430063 2 国家混凝土机械工程技术研究中心，湖南长沙410013

0 引 言

无人潜航器在航行过程中，由于推进轴系安装以及配件摩擦等原因会产生振动噪声。艉轴承作为轴系振动传递到船体的第1 个链路元件，其对振动的衰减作用非常关键。目前，针对艉轴承减振降噪方面的研究大多采用常规的轴承结构，其中一种方式是通过改进轴承板条材料的组分或增加阻尼层来提高艉轴承的阻尼性能。例如，彭晋民等［1］在传统轴承材料配方的基础上增加了纳米级ZnOw 晶须，试验结果表明可提高轴承的力学性能和摩擦学性能；Orndorff 等［2］基于聚合物合金（Slippery Polymer Alloy，SPA）材料开发出新型水润滑轴承，该轴承的承载能力得到了很好的优化，并且降低了摩擦系数、减小了磨损率，能够很好地适应重载工况。另外一种方式是通过改进水槽分布、表面织构来提升轴承的润滑性能、降低摩擦系数，从而间接降低轴系运转过程中产生的振动。例如，李康等［3］研究了轴承板条宽度、厚度和数目等对摩擦噪声频率的影响规律；刘宇等［4］利用Matlab 研究了水槽布置对轴承承载性能的影响；Tala-Ighil 等［5］和Blatter 等［6］研究了表面织构对轴承润滑性能的影响。上述研究成果已经应用于工程实际，但为了提升水润滑轴承的减振降噪性能，还需要探索新方法与新技术。

近年来，多孔结构被认为是提高材料减振降噪性能的重要结构之一，其在高速铁路车厢材料、高速混凝路面、阻尼器、泡沫金属材料等领域都取得了一定进展。周凤玺等［7］结合随机振动理论和不可压多孔弹性介质理论建立了饱和含液的多孔弹性板，集中讨论了流固耦合项对该多孔弹性板位移以及弯矩的影响规律，结果表明可以通过改变弹性板孔中饱和液的渗透系数来降低弹性板的随机振动。Okada 等［8］探索并测试了一种新型多孔结构的铜石墨电刷，这种新型多孔刷能在一定程度上降低滑动摩擦引起的振动。Rajesh 等［9］研究了多孔结构对磁流润滑阶梯轴承性能的影响。Eder 等［10］对多孔径向轴承在高负载和小转速下的摩擦学行为和耐磨性进行了表征，并提出了实现轴承磨损形象化和量化的方法。

虽然曾采用孔隙结构储油方式提高油润滑轴承在承载时的润滑性能［11-13］，但尚未深入开展利用多孔结构进行水润滑艉轴承减振降噪设计的应用研究。本文拟借鉴多孔介质理论，设计一种饱和含液穿孔板条阻尼增强型水润滑艉轴承，基于流固耦合理论，通过有限元仿真分析，验证饱和含液穿孔结构设计对水润滑艉轴承整体结构减振降噪效果的影响规律与水平。

1 有限元仿真分析

1.1 艉轴承结构模型

水润滑艉轴承的常规结构模型如图1 所示，而本文设计的饱和含液穿孔板条阻尼增强型水润滑艉轴承的结构模型如图2 所示。两者的区别在于：在阻尼增强型水润滑艉轴承底部承载区设计了一些通孔，在工作时，润滑水流经这些通孔，并在外部激励力作用下与孔壁产生复杂的相对运动，而流体摩擦阻尼进一步消耗振动传递的能量。

图1 常规水润滑艉轴承Fig.1 Conventional water-lubricated stern bearing

图2 阻尼增强型水润滑艉轴承Fig.2 Damping enhanced water-lubricated stern bearing

对于阻尼增强型水润滑艉轴承，穿孔板条布置在承载面。在实际运行过程中，轴承在轴向存在流体的压力梯度，在圆周方向上板条的承载压力有所不同，但作用在板条表面的外部激励力的衰减模式在径向是一致的。因此，为了降低有限元分析的计算量，减少网格数，在底部板条中截取一段含单孔的板条单元体进行分析，其三维模型如图3 所示。

图3 板条单元体三维模型Fig.3 Three-dimensional model of slab elements

图3（a）为常规水润滑艉轴承单元体的三维模型，图3（b）为阻尼增强型水润滑艉轴承单元体的三维模型。该模型比常规艉轴承单元体多了1 个孔，其他尺寸参数两者一致，具体如表1 所示。

表1 单元体参数Table 1 Element parameters

1.2 网格划分与边界条件

2种板条的固体部分网格尺寸均设置为1 mm，为了更好地进行流固耦合界面数据映射，在穿孔板条的内孔表面进行2 倍细化，穿孔板条的流体部分网格尺寸为0.1 mm。由于板条在轴向具有相似性，故网格划分均采用Sweep 扫掠的模式进行，得到的网格划分结果如图4 所示。其中，常规轴承板条单元体共2 925 个单元，单元平均质量为0.997 3；饱和含液穿孔板条固体域共81 117 个单元，单元平均质量为0.813 3；饱和含液穿孔板条流体域共333 710 个单元，单元平均质量为0.896 5。上述划分结果均满足网格质量要求。

图4 网格划分结果Fig.4 Results of mesh generation

由于穿孔板条安装在外层衬套中，故2 种板条单元体的底面都施加固定约束；穿孔板条的内孔表面设置为流固耦合壁面；穿孔板条的流体域设为紊流，采用k-ε涡粘模型进行计算；两端面设置压强，进口处压强设置为0.02 MPa，出口处压强设置为0。

1.3 模态分析

由振动理论可知，结构体的高阶模态对振动响应的影响很小且衰减速度很快，低阶模态在振动过程中起主要作用。无人潜航器轴系的第1 阶弯振固有频率通常为600～700 Hz，常规转速下的轴频及倍叶频激励也在1 000 Hz 以内，因此，在模态分析过程中只提取1 000 Hz 以内的模态结果进行分析。

在完成上述步骤之后，进行常规艉轴承板条单元体的模态分析，变形结果云图如图5 所示。

图5 常规艉轴承板条单元体的模态分析结果Fig.5 Modal analysis results of conventional stern bearing slab elements

饱和含液穿孔板条的工作模态需要考虑孔内流体的作用。双向流固耦合模态分析过程中，先计算流体域的压力分布，然后将结果传递到固体域中，固体域的压力变化会使得橡胶层内孔发生变形，影响流体域压力分布。通过迭代运算，得到作用在流固耦合壁面的压力分布。将计算结果作为外加载荷导入到固体域，计算固体部分的压力分布。并将该结果作为预应力导入模态分析模块，获得预应力条件下的模态分析结果，结果如图6所示。

图6 饱和含液穿孔板条单元体的模态分析结果Fig.6 Modal analysis results of fluid-saturated perforated slab elements

对比图5 和图6，从固有频率的数值看，由于穿孔板条增加了结构柔度，各阶频率都有所降低，但差距很小；从振型上看，第1 阶和第2 阶是正交的弯曲模态，第3 阶是扭转模态，2 种板条单元体的振型基本一致，只是在穿孔方向的弯曲模态上有所差异，穿孔一定程度上增大了板条结构振型矢量在高度上的位移比值。但饱和含液穿孔板条的设计并不会极大地改变板条本身的本构特性及动态行为特征，因此，可以利用孔中液体流固耦合产生的阻尼增强特性来衰减外激励力的响应幅值。

1.4 谐响应分析

利用2 种板条结构单元体模态分析的结果进行谐响应分析。约束条件与模态分析时一致，激励力向量的幅值设为0.02 MPa，考虑水润滑艉轴承板条承载的方向，故激励力的施加方向为向内部垂直板条单元体顶面（负Y 方向），结合模态分析结果，将扫频范围设置为400～1 000 Hz，设定分析子步为300 步，即频率分辨率为2 Hz。

为了分析穿孔板条的减振效果，在穿孔板条的通孔下方选择1 个测点，而常规轴承板条的测点位置则在Y 方向坐标上与穿孔板条基本一致，如图7 所示。

图7 谐响应测点选择Fig.7 Selection of measuring points for harmonic response

在谐响应分析模块中，频率响应分析范围设置为测点集合，求解可得2 种板条在测点处受载方向（Y 方向）上的位移—频率响应图，结果如图8所示。

图8 2 种板条对应测点处的位移—频率响应图Fig.8 The displacement-frequency response diagram at the corresponding measuring points of the two kinds of slabs

从图8 可以看到，常规板条单元体在1 000 Hz内没有激出共振点，说明1 000 Hz 以内的低阶模态没有Y 方向上的运动，且响应幅值随着频率增加处于上升模式；而由于穿孔的原因，饱和含液穿孔板条单元体测点处Y 方向上的运动与低阶弯曲模态发生了耦合，因此在576 Hz 激出了第1 阶弯曲模态，然后与常规板条一样响应幅值持续增加，说明2 种板条在Y 方向上的振动模态都大于1 000 Hz。另外，通过响应幅值对比也可以发现，在同等载荷约束条件下，经过穿孔板条之后的响应幅值在分析频段（400～1 000 Hz）的确比常规板条衰减得更多，平均降低了20%左右，这说明振动传递到流固耦合作用区域后，该区域的应力效应体现为增强阻尼，更大地衰减了振动能量。

从模态分析结果可以看到，各阶模态振型的最大变形位置是单元体的顶面。因此，为了更深入地对比穿孔板条的衰减能力，提取2 种板条在单元体顶面受载方向（Y 方向）上的位移频率响应图，结果如图9 所示。

图9 2 种板条顶面处的位移—频率响应图Fig.9 The displacement-frequency response on top of two kinds of slabs

从图9 中可以看到，2 种板条单元体的位移频响曲线趋势跟测点处一致，但由于穿孔降低了饱和含液穿孔板条单元体的结构刚度，其顶面的响应幅值相对更高，这进一步验证了饱和含液穿孔板条的结构设计对响应幅值的衰减能力，也意味着当同等幅值的激励源作用于板条时，饱和含液穿孔板条传递出去的振幅更低。

2 试验验证

为了验证饱和含液穿孔板条设计对水润滑艉轴承减振降噪性能的改善效果，对常规艉轴承和孔径为4 mm 的阻尼增强型水润滑艉轴承进行了振动对比试验，研究2 种结构在不同转速下振动响应的变化情况。艉轴承实物如图10 所示。

图10 测试的艉轴承Fig.10 Tested stern bearing

在 试 验 台 架 轴 转 速 为40，80，120，160 和200 r/min 等5种工况下，对常规艉轴承和阻尼增强型水润滑艉轴承均施加0.4 MPa的载荷，0～1 000 Hz频段内的垂向和水平方向振动总值如图11 所示。

图11 不同转速下的振动响应总值Fig.11 Vibration amplitude with different shaft velocity

由图11 可以看出，当穿孔板条沿着轴线方向进行布置时，虽然对水平方向的振动响应衰减不敏感，但对受载方向（垂直方向）的振动响应衰减作用较为明显，这说明穿孔设计以及孔中流体作用的确增强了艉轴承阻尼性能，为后续板条网孔设计优化研究提供了试验基础。

3 结 论

基于多孔介质理论和流固耦合理论，本文设计了一种饱和含液穿孔板条阻尼增强型水润滑艉轴承，并通过有限元模态分析、谐响应分析和试验，验证了该结构对水润滑艉轴承减振降噪效果的影响规律和水平，具体结论如下：

1）饱和含液穿孔板条的设计可以有效降低轴系振动通过艉轴承传递到船体的幅值。

2）饱和含液穿孔板条的设计对艉轴承板条整体的本构特性及动态行为特征影响较小，因此，可以有效利用流固耦合作用区域所增强的阻尼效应来衰减振动的传递。