高线速度水润滑轴承振动研究

王培培

(东方法马通核泵有限责任公司，四川618000)

水润滑轴承由于润滑介质为水，具有结构简单，系统可靠的特性。由于水润滑轴承不使用油系统，不存在泄漏及污染问题，因而被广泛应用于船舶系统及回转机械相关产品中。目前，国内对水润滑轴承振动特性的研究主要针对于橡胶材料轴瓦船舶尾轴的低转速高比压水润滑轴承[1-3]，而对不同轴瓦材料高转速低比压的水润滑轴承振动特性研究较少，因此对不同材料不同间隙下高转速低比压水润滑轴承振动特性研究具有一定意义。

1 水润滑轴承发生振动噪声的机理分析

振动噪声与摩擦密不可分，根据摩擦学中Stribeck曲线(见图1)可知，低速状态下摩擦基本处于边界润滑状态，甚至干摩擦状态。此时摩擦剧烈，进入粘着滑动振动状态[3]，轴瓦在转子法向载荷和切向力作用下，两表层相互接触时间较长，使微凸体顶端有足够时间产生塑性变形，从而引起接触面积增大，边界膜在挤压过程中逐渐被挤破，同时由于接触时间较长，两表面的分子能互相扩散而使界面粘附增强。在干摩擦和边界摩擦条件下，当切向力大于最大静摩擦力时，转子与轴瓦两表面的接触开始被剪断，静摩擦变成动摩擦，发生宏观相对滑动。在克服动摩擦力情况下滑动微小距离后，轴承与转子表面的微凸体又开始相互接触，边界膜被挤破，再次形成接点，导致摩擦阻力开始加大，从而需要更大的切向力将接触引起的接点剪断后才能再次发生宏观滑动。当动摩擦系数小于静摩擦系数时，滑动与粘着交替出现，因此轴承与转子间的相对运动为间歇的不平稳运动，容易造成自激振动，即所谓粘着滑动振动状态。

图1 Stribeck曲线图Figure 1 Stribeck curve

当转速逐渐升高后，摩擦状况逐渐改善，摩擦系数开始逐渐减小。振动噪声进入第二个阶段：尖叫振动阶段，由于水润滑轴承内圆柱表面均匀分布润滑水槽，使圆柱面不连续。同时由于在承载区域存在断续的水槽，当载荷过高或水温度过高时，水槽边缘与旋转轴之间的相互作用会产生很大的高频摩擦振动，从而发生尖叫振动[5]。

2 水润滑轴承振动噪声试验台位及试验

2.1 水润滑轴承试验台位

影响水润滑轴承振动噪声的主要因素有：轴瓦材料、轴承间隙、轴承载荷、转子转速、进水压力和温度等因数，主要研究不同轴承间隙下不同轴瓦材料在其余外界条件相同情况下的振动噪声特性。试验台位设计时主要参考CBT 769—2008《船用整体式橡胶轴承》以及美国军用标准MIL-DTL17901C(2005)《水润滑轴承组件》，并结合国内各高校相关水润滑轴承试验台位及国内外相关文献，改制试验台位，制定试验方案，试验台原理图见图2。

图2 试验台位原理图及实物Figure 2 Testing table principle and material

图3 试验轴瓦Figure 3 Testing bearing bush

试验台位主要由循环泵、高速电机、轴承箱、扭矩仪、液压加载和振动传感器装置等构成，由于试验台空载时有初始摩擦转矩，且初始摩擦转矩随试验转速的不同而变化，因此试验前需要先对试验台进行空载试验，测出各转速下试验台位的空载转矩。

2.2 摩擦系数测定

试验轴瓦如图3所示，轴瓦内圆表面有6个圆弧形直槽的水润滑轴承轴瓦，轴瓦轴向长度100 mm。三种轴瓦材料分别为聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)和橡胶合金(BTG)，同一种材料的轴瓦有4个，编号按轴瓦内径从小到大依次编号1-4#，由于BTG橡胶材料硬度较低，轴瓦内径测量存在一定误差，内径实测值见表1。

表1 各材料1-4#轴瓦内径Table 1 Inner diameters of various material1-4# bearing bush 单位：mm

进行摩擦系数试验时，通过液压缸对轴瓦施加向上的200 N载荷，轴承供水压力约0.2 MPa。为确定振动噪声与摩擦系数之间的关系，先进行不同材料轴承Stribeck曲线的测试，见图4。

图4 间隙2.5‰时各轴瓦摩擦系数Figure 4 Friction coefficients of bearing bushes at 2.5‰ clearance

2.3 振动特性试验

在摩擦系数测定基础上进行了振动噪声试验。如图5～图7所示。

图5 PEEK轴承垂直方向时域图及频谱图Figure 5 Vertical time domain and frequency spectrum of PEEK bearing

图6 PI轴承垂直方向时域图及频谱图Figure 6 Vertical time domain and frequency spectrum of PI bearing

图7 BTG橡胶轴承垂直方向时域图及频谱图Figure 7 Vertical time domain and frequency spectrum of BTG rubber bearing

根据图5～图7可以看出：各轴瓦振动较大的频率基本均一致，主要的频率成分为低频区的83 Hz、167 Hz、257 Hz和502 Hz，中频区以4000 Hz为中心频率的3833 Hz、4000 Hz和4167 Hz及高频区以8000 Hz为中心频率的7331 Hz、7498 Hz、7665 Hz和8000 Hz，频率间隔约为83 Hz、167 Hz或者335 Hz，频率间隔与该轴承的转频(f=5000 rpm60=83 Hz)及其二倍频和四倍频相吻合，说明频率成分与实际运行相符。PEEK材料与PI材料在不同间隙的振动规律基本一致，在间隙比0.56‰～5.2‰范围内，振动加速度均随轴瓦间隙增大逐渐减小。BTG橡胶轴承振动规律与PEEK材料及PI材料不同，在间隙比0.62‰～2.47‰范围内，振动加速度随轴瓦间隙增大逐渐减小，当轴瓦间隙增大到2.47‰～4.94‰之间的某一间隙时，振动开始增大。当然根据BTG橡胶轴承的振动规律可以推断PEEK材料与PI材料轴瓦振动可能会在间隙比大于5.2‰的某一间隙比时，轴瓦振动开始增大，可以在后续试验中继续增大PEEK材料与PI材料轴瓦间隙，寻找其轴承失效间隙。

3 总结

根据试验结果可以得出，轴瓦振动随摩擦系数的减小而减小，各材料轴瓦在间隙为2.5‰时摩擦系数最小。同间隙下PEEK材料与PI材料轴瓦摩擦系数在5000 rmin以下相当，均小于BTG材料轴瓦，当转速高于5000 rmin时BTG材料摩擦系数略低于PEEK及PI材料轴瓦。

PEEK材料与PI材料在间隙比0.56‰～5.2‰范围内振动加速度均随轴瓦间隙增大逐渐减小，其轴瓦失效间隙比均大于5.2‰。BTG橡胶轴承在间隙比为0.62‰～4.94‰内轴瓦振动加速度逐渐减小后逐渐增大，失效间隙在2.47‰～4.94‰之间。