船舶水潤(rùn)滑尾軸承研究進(jìn)展

常鐵++郭智威++趙亮亮++劉志強(qiáng)++何奎霖

摘 要：水潤(rùn)滑尾軸承由于具有節(jié)能環(huán)保、材料資源豐富等特點(diǎn)，一直是各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)之一。該文聚焦于水潤(rùn)滑尾軸承，分析了水潤(rùn)滑尾軸承的摩擦特性，總結(jié)了尾軸承材料的改性與選擇、振動(dòng)噪聲及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問(wèn)題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了其中所存在的不足并在此基礎(chǔ)上展望其發(fā)展趨勢(shì)，旨在為船舶水潤(rùn)滑尾軸承的進(jìn)一步研究提供思路。

關(guān)鍵詞：水潤(rùn)滑尾軸承 摩擦特性 材料改性 振動(dòng)噪聲 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（c）-0109-08

Present Research Status of Marine Water-lubricated Stern Bearings

Chang Tie1 Guo Zhiwei1，2 Zhao Liangliang3 Liu Zhiqiang1 He Kuilin1

（1.School of Energy and Power Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan Hubei， 430063， China；2.Reliability Engineering Institute， National Engineering Research Center for Water Transportation Safety， Wuhan Hubei， 430063， China；

3.Wuhu Maritime Safety Administration， Wuhu Anhui， 241000， China）

Abstract： Due to the characteristics of energy-saving， environment-friendly and resourceful，water-lubricated stern bearing has been one of the research hotspots in many countries. This paper focused on the water-lubricated stern bearing. The frictional properties of water-lubricated stern bearing were analyzed. The domestic and foreign current research status of water-lubricated stern bearing materials modification and selection， vibration noise and structural design were summarized. The shortages of these researches were pointed out， and on this basis， the development trends were prospected. It aimed toprovide the perspectives to the further study of the marine water lubricated stern bearings.

Key Words： Water-lubricated stern bearing； Friction characteristic； Material modification； Vibration and noise； Structural design

近年來(lái)，隨著環(huán)保意識(shí)逐漸深入人心及石油資源的日漸枯竭，以水代替?zhèn)鹘y(tǒng)潤(rùn)滑油作為潤(rùn)滑劑的水潤(rùn)滑尾軸承逐漸走進(jìn)了人們的視野。由于水潤(rùn)滑尾軸承具有無(wú)污染、低成本及材料來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此其一直是各國(guó)在船舶領(lǐng)域內(nèi)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水潤(rùn)滑尾軸承的研究主要集中在尾軸承材料選擇與改性、振鳴音分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化這3個(gè)方面。傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑尾軸承往往以金屬為襯套，以潤(rùn)滑油為潤(rùn)滑介質(zhì)，不僅消耗了潤(rùn)滑油和金屬資源，而且由于尾軸密封技術(shù)的復(fù)雜性導(dǎo)致大量潤(rùn)滑油泄露，嚴(yán)重污染了航行水域，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入了巨額資金及大量精力投入其治理技術(shù)和裝備研究[1-3]。除此之外，油潤(rùn)滑尾軸承具有的無(wú)功能消耗較大、可靠性不高及振動(dòng)噪音等問(wèn)題也難以解決[4-5]。相比以油作為潤(rùn)滑介質(zhì)，以水作為潤(rùn)滑介質(zhì)具有環(huán)境友好及來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣闊應(yīng)用前景的水潤(rùn)滑逐漸受到人們的關(guān)注和青睞，成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。該文總結(jié)闡述了水潤(rùn)滑尾軸承的研究進(jìn)展，對(duì)于其在發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題及解決方法進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)接下來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 尾軸承材料的選擇與改性

水潤(rùn)滑尾軸承材料的使用主要經(jīng)歷了3個(gè)階段[6]：第一階段：以鐵犁木為代表的木質(zhì)材料階段。鐵犁木性能優(yōu)異，但資源日漸稀少，價(jià)格昂貴。第二階段：天然、丁腈、氯丁等單體橡膠材料應(yīng)用階段。但是因其一些無(wú)法克服的缺點(diǎn)限定了其使用范圍，催動(dòng)了飛龍、尼龍復(fù)合性材料的研發(fā)和使用。第三階段：SPA、賽龍、BTG等以橡膠為基體，添加其他材料的復(fù)合材料使用階段。表1列出幾種水潤(rùn)滑尾軸承材料優(yōu)缺點(diǎn)[7]，可以看出，復(fù)合材料SPA的性能優(yōu)于單一材料?？傮w來(lái)看，通過(guò)材料改性得到的復(fù)合材料由于綜合了各自的優(yōu)點(diǎn)使其性能更加優(yōu)異，作者認(rèn)為未來(lái)的尾軸承材料發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)以性能優(yōu)異的高分子及改性復(fù)合材料為主，而傳統(tǒng)的鐵梨木尾軸承材料將逐步被替代。

1.1 陶瓷材料的應(yīng)用與改性

陶瓷材料相比其他材料更適合在高溫、高轉(zhuǎn)速及腐蝕性等特殊的海洋條件下工作，且具有強(qiáng)度高、耐磨性好的性能，因此也被作為水潤(rùn)滑軸承材料的選擇對(duì)象。余歆尤[8]通過(guò)對(duì)sialon、Zro2和Al2O3三種陶瓷材料在水潤(rùn)滑條件下進(jìn)行了軸承實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果表明sialon軸承壽命最長(zhǎng)，Al2O3軸承壽命最短，且sialon軸承的摩擦系數(shù)較小，摩擦性能更好，更適合作為軸承材料。張仁坤[9]通過(guò)對(duì)幾種陶瓷在水潤(rùn)滑條件下進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，WC作軸套的SiC的系徑向陶瓷滑動(dòng)軸承摩擦系數(shù)較小，耐磨性較好，適合在無(wú)水啟動(dòng)和異物混入的污水中使用。Nastasi等[10]通過(guò)在SiC、TiB2、B4C及Al2O3陶瓷中注入N+，發(fā)現(xiàn)注入N+后可降低SiC、TiB2和B4C陶瓷的摩擦系數(shù)及磨損率，而提高了Al2O3陶瓷的摩擦系數(shù)及磨損率，原因是N+注入SiC、TiB2和B4C陶瓷與其能形成“類氮化物鍵”，此種化學(xué)鍵的形成會(huì)降低摩擦系數(shù)與磨損率。袁英光等[11]發(fā)現(xiàn)，將N+注入至SiC后可在水潤(rùn)滑條件下降低其表面摩擦系數(shù)及磨損率。N+注入SiC陶瓷前后碳化硅陶瓷的截面磨損形狀都是一個(gè)拋物線槽，但注入N+后深度低于未注入的深度，證實(shí)在水潤(rùn)滑條件下注入N+可以提高陶瓷軸承的摩擦性能。Zhou[12-13]將一層a-CNx薄膜沉積在SiC盤的表面，使沉積薄膜的SiC盤與SiC球在水潤(rùn)滑條件下對(duì)磨，發(fā)現(xiàn)沉積薄膜后的SiC盤摩擦系數(shù)得到了明顯的降低，并且縮短了磨合時(shí)間，可以看出，采取對(duì)陶瓷表面特定涂層的措施有效地降低了其在水潤(rùn)滑條件下的摩損。目前來(lái)看，由于陶瓷的脆性導(dǎo)致其承受沖擊性能較差且對(duì)磨粒的嵌藏性較差等缺點(diǎn)也限制了其使用范圍，所以單一的陶瓷材料必須通過(guò)表面再處理或者與其他材料結(jié)合使用使其發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，從而讓陶瓷材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 橡膠材料的應(yīng)用與改性

由于橡膠材料具有吸振降噪、抗沖擊性能優(yōu)異、不污染水域且來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)[14-15]，目前被廣泛用作尾軸承材料。但由于其承載能力低，設(shè)計(jì)比壓僅為油潤(rùn)滑軸承的1/3[16]等缺點(diǎn)，使其在啟動(dòng)、停機(jī)、低速運(yùn)轉(zhuǎn)等工況下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，嚴(yán)重影響船舶乘坐的舒適性且易暴露水下航行器的隱蔽性，因此研究人員開展了材料研制及改性等一系列措施對(duì)橡膠材料進(jìn)行優(yōu)化。Roy L. Omdorff Jr[17]通過(guò)將丁腈橡膠與UHMWPE共混研制出一種名為SPA的新型尾軸承材料，該種材料具有自潤(rùn)滑性能好、低噪聲、低成本等優(yōu)點(diǎn)。Thordon Bearings Inc.[18-20]開發(fā)出一種稱為賽龍的水潤(rùn)滑尾軸承材料，該產(chǎn)品是合成樹脂與合成橡膠的混合物，通過(guò)三次元交叉結(jié)晶熱凝性樹脂制造而成的聚合物，是一種強(qiáng)固的合成型聚合物，研究結(jié)果表明賽龍軸承材料相比于其他非金屬材料的干摩擦性能較好。肖科[21]等通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化BTG的補(bǔ)強(qiáng)劑、軟化劑、硫化劑的配方，在最佳配方的基礎(chǔ)上加入ZnOw晶須改性。改性后的BTG軸承材料的承載能力得到了明顯的提升，其摩擦性能得到了提高，原因在于ZnOw獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，很容易實(shí)現(xiàn)在基本材料中的三維分布均一化從而使其復(fù)合材料的各種物理性能得到各向同性改善。王海寶[22]通過(guò)利用丙烯酸酯（ACR）對(duì)丁腈橡膠（NBR）進(jìn)行改性，結(jié)果表明丙烯酸酯對(duì)丁腈橡膠的力學(xué)性能有很好的增強(qiáng)效果，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2.0%的丙烯酸酯可使丁腈橡膠的定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度以及扯斷伸長(zhǎng)率等增加10%以上。Bharat Bhushan[23-24]等通過(guò)在腈類橡膠添加石墨、二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑，得到了摩擦性能更好的橡膠材料。M. I.Guseva[25]利用高能離子提高橡膠材料表面的親水性，使其邊界潤(rùn)滑效果更好，更易形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，大大提高了橡膠的耐磨性，通過(guò)橡膠材料的改性大大提升了其自身的摩擦性能?？梢钥闯鐾ㄟ^(guò)橡膠材料的改性可以顯著提高其摩擦性能，同時(shí)研究人員也應(yīng)對(duì)以橡膠為基體的不同材料的潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行深入探索，建立完整的潤(rùn)滑理論體系，從而有助于改善橡膠尾軸承的摩擦噪聲問(wèn)題。

1.3 高分子材料的應(yīng)用與改性

近年來(lái)，高分子材料的水潤(rùn)滑軸承逐漸走進(jìn)人們的視野，其中最為典型就是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由于其分子量在一百萬(wàn)以上，因其分子量高且具有其他塑料無(wú)可比擬的優(yōu)異性能[26]，逐漸發(fā)展成為尾軸承材料的新寵。超高分子量聚乙稀具有優(yōu)異的耐沖擊、耐化學(xué)腐燭、耐磨損等優(yōu)異性能，在歐美各國(guó)成為尾軸承材料選擇的新寵，有資料顯示美國(guó)軍方已經(jīng)將整體式超高分子量聚乙烯應(yīng)用到水潤(rùn)滑軸承上[27]。但是，一方面摩擦熱量的積累使UHMWPE產(chǎn)生蠕變變形，另一方面UHMWPE的表面硬度較低，抗磨粒磨損能力差，在應(yīng)力作用下容易發(fā)生疲勞磨損并遭受磨粒犁切。上述性能特點(diǎn)直接限制了UHMWPE的使用范圍及使用效果，因此國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)UHMWPE材料進(jìn)行了改性措施，進(jìn)一步優(yōu)化其自身的性能。Meng[28]通過(guò)以UHMWPE為基體加入U(xiǎn)HMWPE纖維，由于基體和添加物纖維化學(xué)成分相同，因此化學(xué)相容性很好，界面結(jié)合力很強(qiáng)，與沒(méi)加UHMWPE纖維前相比，其拉伸性能、抗蠕變性能、抗沖擊性能都有明顯改善。張緒平[29]等用不同含量的納米CuO顆粒填充UHMWPE，通過(guò)在干摩擦實(shí)驗(yàn)條件下與45#鋼對(duì)磨，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入納米CuO的復(fù)合UHMWPE材料相比純UHMWPE的耐磨性有明顯提高，而且隨著加入納米CuO含量的增加，起主導(dǎo)作用的磨損機(jī)理將由最初的粘著磨損逐漸轉(zhuǎn)化為最后的磨粒磨損。陳戰(zhàn)、王家序[30-31]等對(duì)UHMWPE基體填充了碳纖維、玻璃纖維、石墨等材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加石墨后降低UHMWPE的摩擦系數(shù)效果最為明顯，而加入玻璃纖維后增大了UHMWPE的摩擦系數(shù)，因此石墨作為對(duì)UHMWPE的改性潤(rùn)滑劑較纖維性能更加優(yōu)異；同時(shí)，在填充物比例不超過(guò)20%時(shí)，耐磨性都有明顯改善。潘炳力、李寧[32]等通過(guò)以密胺樹脂為囊壁材料，以石蠟為囊芯材料，并將制備的相變微膠囊作為填料添加入U(xiǎn)HMWPE基體中，制得相變微膠囊改性UHMWPE復(fù)合材料，如圖1所示。研究人員通過(guò)分析其硬度和物相組成，并研究了該復(fù)合材料在室溫、低速和高速等工況下的摩擦磨損性能。結(jié)果顯示：微膠囊填料的加入可以起到較好的減摩降磨作用，填料的最適宜添加比例為20%，在低速試驗(yàn)條件下經(jīng)改性的復(fù)合材料摩擦系數(shù)較UHMWPE降低60%以上，高速試驗(yàn)條件下改性后的復(fù)合材料耐磨性較之純UHMWPE有明顯提高。

清華大學(xué)趙安赤等[33]采用過(guò)氧化二苯甲酰為交聯(lián)劑對(duì)UHMWPE進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)改性，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化二苯甲酰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25wt%時(shí)，交聯(lián)改性后的UHMWPE 沖擊強(qiáng)度約為純UHMWPE的1.5倍，同時(shí)交聯(lián)改性后的UHMWPE的熱變形溫度也得到增強(qiáng)，最大的氧化二苯甲酰填充量不超過(guò)1wt%。Lee[34]等通過(guò)輻射交聯(lián)增加了UHMWPE表面的光滑度和硬度而使得其耐磨性能提高，Ramanurti[35]認(rèn)為輻射交聯(lián)能阻止分子的線性排列并使得交叉剪切力變?nèi)酰档湍バ剂康漠a(chǎn)生，最終提高UHMWPE的摩擦性能。熊黨生[36-38]通過(guò)等對(duì)UHMWPE表面進(jìn)行N+、O+、C+、He+注入改性，研究結(jié)果表明，適當(dāng)高能量和低劑量的離子注入的樣品表面形成了類石墨結(jié)構(gòu)并且與石墨有類似的磨損行為，因此可明顯提高材料表面硬度、提高其抗磨損性和抗粘性。Klapperich[39]利用低溫Ar/C3F6等離子輕微交聯(lián)UHMWPE并且接枝或沉積CFx基團(tuán)到其表面。交聯(lián)的UHMWPE表面可以抑制結(jié)晶區(qū)域沿著磨損方向的排列，從而增強(qiáng)耐磨性能。同時(shí)低表面能的CFx基團(tuán)也會(huì)降低表面粘附力。當(dāng)前對(duì)于UHMWPE材料的改性主要集中在UHMWPE的填充改性、表面改性及UHMWPE摩擦對(duì)偶材料的改性，這些改性都取得了一定的進(jìn)展，但是也存在一些問(wèn)題，比如一些改性手段只是適合生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域特別是應(yīng)用在工況惡劣的船舶尾軸承上還存在一些亟待解決的問(wèn)題，但隨著節(jié)能環(huán)保觀念的推廣UHMWPE作為水潤(rùn)滑尾軸承材料將會(huì)倍受青睞，可以看出UHMWPE在未來(lái)將會(huì)在工業(yè)軸承領(lǐng)域內(nèi)扮演重要角色，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 尾軸承的摩擦振動(dòng)

船舶尾軸承在低速重載等極端工況下，由于極難形成彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜，使水潤(rùn)滑尾軸承處于邊界潤(rùn)滑甚至是干摩擦狀態(tài)，加劇了尾軸承的摩擦磨損，極易產(chǎn)生摩擦噪聲，嚴(yán)重影響了船舶乘坐的舒適性及軍事艦船的隱蔽性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)船舶尾軸承的振鳴音問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，但是由于問(wèn)題的復(fù)雜性，目前對(duì)于振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理及抑制措施還沒(méi)有形成完整系統(tǒng)的體系，該文針對(duì)船舶尾軸承振鳴音機(jī)理、影響因素及抑制措施目前國(guó)內(nèi)外所取得的研究成果進(jìn)行總結(jié)，為研究人員相互借鑒提供參考，從而為優(yōu)化水潤(rùn)滑尾軸承性能、改善其振動(dòng)噪聲問(wèn)題提供幫助。

2.1 尾軸承振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理

近年來(lái)，研究人員基于不同的摩擦特性，分析了多自由度系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，從而對(duì)尾軸承的振鳴音產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行解釋。針對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理，目前認(rèn)為主要包括：粘著-滑動(dòng)、摩擦-速度負(fù)斜率、自鎖-滑動(dòng)、模態(tài)耦合和錘擊理論[40-41]。Simpson[42]等提出了水潤(rùn)滑軸承非線性二自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)耦合系統(tǒng)的摩擦力隨時(shí)間變化的非線性響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究結(jié)果表明振動(dòng)在頻域上的高頻重疊產(chǎn)生了摩擦噪聲，而這種摩擦噪聲主要取決于摩擦-速度曲線的斜率。田宇忠[43]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)于噪聲的產(chǎn)生影響最大，而潤(rùn)滑狀態(tài)則取決于軸頸與軸承的直接接觸面積和摩擦系數(shù)-速度曲線負(fù)斜率，A.I. Krauter[44]的研究也得到了同樣的結(jié)論。Bharat Bhushan[45]針對(duì)橡膠尾軸承的振鳴音進(jìn)行了研究，結(jié)果表明尖叫是橡膠軸承表面粘-滑運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的一種噪聲現(xiàn)象，并且這種粘-滑現(xiàn)象是橡膠材料的本質(zhì)屬性。彭恩高[46]通過(guò)水潤(rùn)滑尾軸承振動(dòng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自激振動(dòng)的摩擦噪聲出現(xiàn)在低速工況下，研究還表明振動(dòng)信號(hào)具有很強(qiáng)的非線性且振動(dòng)強(qiáng)度與轉(zhuǎn)軸頻率無(wú)關(guān)。姚世衛(wèi)[47]對(duì)于不同工況對(duì)振鳴音的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明低速重載的工況下最容易產(chǎn)生噪聲，冷水的流量在一定范圍內(nèi)對(duì)軸承的噪聲無(wú)太大影響，但當(dāng)?shù)陀谀骋惶囟〝?shù)值時(shí)潤(rùn)滑狀態(tài)急劇下降。盡管以上學(xué)者針對(duì)尾軸承的振動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了大量的數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)研究，但仍有一些實(shí)際問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解釋，比如通過(guò)實(shí)船測(cè)試發(fā)現(xiàn)即便不是在低速重載的情況下也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，對(duì)于船舶尾軸承的噪聲問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。

2.2 水潤(rùn)滑尾軸承振鳴音的影響因素

深入研究尾軸承振動(dòng)噪聲的影響因素，對(duì)于深刻揭示尾軸承的振鳴音機(jī)理，有效抑制摩擦噪聲，提高艦船的乘坐舒適性、安全隱蔽性具有重要意義。系統(tǒng)的摩擦振動(dòng)和噪聲與多種因素有關(guān)，最主要的是比壓、溫度、線速度及軸承的結(jié)構(gòu)等因素。武漢理工大學(xué)金勇[48]通過(guò)Pulse實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法對(duì)橡膠尾軸承臺(tái)架進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在低速下由自身特性導(dǎo)致的水平和垂直方向上的振動(dòng)主要集中在2 000 Hz以下。重慶大學(xué)的周廣武[49]研究了在低速重載條件下的水潤(rùn)滑橡膠合金噪聲問(wèn)題，應(yīng)用了有限元軟件對(duì)尾軸承在不同摩擦系數(shù)、載荷和速度條件下進(jìn)行了復(fù)模態(tài)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明摩擦系數(shù)越大，模態(tài)耦合程度越高，導(dǎo)致軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，越易產(chǎn)生摩擦噪聲。Bharat Bhushan[45]以玻璃滑塊與橡膠試塊配副摩擦對(duì)載荷、速度、橡膠板條的厚度、硬度及相互運(yùn)動(dòng)表面之間的潤(rùn)滑劑、粗糙度等多個(gè)因素對(duì)于噪聲產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明噪聲的頻率與橡膠的彈性模量、切變模量和厚度都有關(guān)，噪聲的產(chǎn)生與橡膠表面的摩擦系數(shù)有關(guān)，摩擦系數(shù)越大，表面越干凈，產(chǎn)生噪聲的可能性越大。陳明[50]在軸系平臺(tái)上對(duì)不同硬度橡膠軸承材料開展了振動(dòng)噪聲的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明硬度大的橡膠材料對(duì)于降低軸承振動(dòng)效果明顯，原因是當(dāng)橡膠材料的硬度提高后其彈性剛度增加，阻尼降低，從而與負(fù)載對(duì)軸系的剛性固定作用一起，加強(qiáng)了對(duì)軸系的振動(dòng)抑制效果。王家序團(tuán)隊(duì)[51]研究了尾軸承結(jié)構(gòu)對(duì)于摩擦噪聲的影響，包括水潤(rùn)滑軸承過(guò)渡圓弧半徑大小、水道槽半徑大小及水槽數(shù)量等因素，研究發(fā)現(xiàn)這些因素對(duì)于尾軸承噪聲的產(chǎn)生具有一定影響，因此，合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化尾軸承結(jié)構(gòu)對(duì)于降低噪聲具有一定作用。

2.3 船舶水潤(rùn)滑尾軸承噪聲的控制方法

目前抑制尾軸承振動(dòng)噪聲的措施主要集中在尾軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及摩擦材料選擇這兩方面。周憶[52]通過(guò)復(fù)模態(tài)分析方法建立水潤(rùn)滑橡膠合金軸承系統(tǒng)仿真模型，研究了尾軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其在低速重載條件下出現(xiàn)摩擦噪聲可能性的影響，研究表明，水潤(rùn)滑橡膠軸承的水槽半徑大小、摩擦面形狀對(duì)尾軸承出現(xiàn)噪聲有較大影響，而對(duì)水槽的形狀影響不大，對(duì)一定結(jié)構(gòu)尺寸的水潤(rùn)滑橡膠合金軸承，水槽半徑為4 mm、平面型摩擦面的結(jié)構(gòu)可大大減少尾軸承出現(xiàn)噪聲的可能性。美國(guó)B.F. Goodrich company[15]公司研究了平面型和凹面型兩種板條形狀的尾軸承，發(fā)現(xiàn)平面型的滑動(dòng)摩擦系數(shù)明顯小于凹面型，更能降低尾軸承的摩擦噪聲，武漢理工大學(xué)戴明城[53]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析與仿真研究表明，平面型相比凸面型更易形成彈-塑流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，從而減小振動(dòng)噪聲。周新聰[54]通過(guò)以丁腈橡膠為基體，加入U(xiǎn)HWMPE和石墨物質(zhì)進(jìn)行混煉，得到一種名為SPB-N的復(fù)合橡膠材料，通過(guò)在尾軸承臺(tái)架上進(jìn)行試塊與軸承實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其機(jī)械物理性能達(dá)到了中國(guó)船標(biāo)CB/T 769-2008的要求，該種材料在動(dòng)壓潤(rùn)滑區(qū)不發(fā)生粘-滑現(xiàn)象，在混合邊界潤(rùn)滑區(qū)會(huì)發(fā)生粘-滑現(xiàn)象，只有在干摩擦狀態(tài)下才會(huì)產(chǎn)生瞬間噪聲，相比傳統(tǒng)材料性能有較大的提高。清華大學(xué)黃學(xué)文[55]認(rèn)為TiNi合金是一種低噪聲、高效率的摩擦材料，通過(guò)與軸承鋼進(jìn)行干摩擦實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相比45#鋼，TiNi可以明顯降低噪聲，TiNi合金綜合性能較好，因此可在尾軸承上進(jìn)行一定的應(yīng)用。除了以上研究人員提出的對(duì)尾軸承的降噪措施外，秦紅玲[56]提出要加強(qiáng)質(zhì)量控制，通過(guò)對(duì)尾軸承的噪聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，降低噪聲。李忠杰[57]認(rèn)為在船舶設(shè)計(jì)及建造過(guò)程中通過(guò)提高軸系校中精度能夠有效減小軸系噪聲。當(dāng)前船舶尾軸承振鳴音研究仍是以實(shí)驗(yàn)臺(tái)架研究為主要手段，對(duì)實(shí)船的測(cè)試很少。因此，通過(guò)仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，利用先進(jìn)測(cè)試設(shè)備是當(dāng)前研究尾軸承振動(dòng)噪聲的主要手段，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素，準(zhǔn)確分析尾軸承振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，為尾軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇上提供借鑒，從而更利于企業(yè)生產(chǎn)低噪聲、長(zhǎng)壽命的尾軸承。

3 尾軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)尾軸承結(jié)構(gòu)對(duì)于提高其承載能力，降低噪聲及改善其潤(rùn)滑性能至關(guān)重要。水潤(rùn)滑尾軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括摩擦面形狀、水槽形式，此外材料的理化性能也會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生一定的影響，如橡膠尾軸承的橡膠層厚度及硬度，如圖2所示為常見的橡膠尾軸承結(jié)構(gòu)，該文通過(guò)闡述近年來(lái)廣大研究人員對(duì)尾軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)所取得的成果，為工程實(shí)際應(yīng)用提供借鑒。

重慶大學(xué)周憶[59]等通過(guò)研究平板型和圓弧型狀結(jié)構(gòu)的水潤(rùn)滑橡膠合金軸承摩擦噪聲的對(duì)比試驗(yàn)，研究結(jié)果表明圓弧型摩擦面的不穩(wěn)定模態(tài)及耦合模態(tài)實(shí)部最大值出現(xiàn)的頻率都大于平面型摩擦面，原因是圓弧型摩擦面的有效接觸面積要大于平面型接觸面，從而增加噪聲出現(xiàn)的可能性。武漢理工大學(xué)劉正林團(tuán)隊(duì)[53]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真表明，平面型相比凹面型和凸面型更易于形成彈-塑流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，因此具有良好的啟動(dòng)性及低速運(yùn)轉(zhuǎn)性，所以從降低尾軸承振鳴音的臨界速度及摩擦因數(shù)的角度考慮，平面型結(jié)構(gòu)更好。青島理工大學(xué)律輝、王優(yōu)強(qiáng)[58]等通過(guò)對(duì)平板型板條、凸弧型板條、凹弧型板條3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明平板型力學(xué)性能為最優(yōu)，因?yàn)槠湓谧畲笪灰屏?、最大?yīng)力值、最大應(yīng)變值等方面都要優(yōu)于其他兩種形狀。為了提高尾軸承冷卻潤(rùn)滑及排除泥沙介質(zhì)的效果，通常在尾軸承內(nèi)表面開有不同的溝槽結(jié)構(gòu)，目前在實(shí)際應(yīng)用中主要有螺旋式溝槽結(jié)構(gòu)及縱向式溝槽結(jié)構(gòu)兩種。T.K.H.R. Tanamal[60]通過(guò)對(duì)縱向水槽結(jié)構(gòu)尾軸承進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，在不同軸承偏心率及不同潤(rùn)滑劑的條件下進(jìn)行仿真分析，得到的結(jié)果顯示當(dāng)開有縱向水槽時(shí)，降低了水膜壓力及軸承承載力。王優(yōu)強(qiáng)[61]針對(duì)圓弧型、矩形、燕尾型3種結(jié)構(gòu)的螺旋槽尾軸承結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析，結(jié)果表明通過(guò)優(yōu)化矩形槽和燕尾槽的外形結(jié)構(gòu)可以得到理想的尺寸參數(shù)，而通過(guò)優(yōu)化圓弧型螺旋槽半徑外形尺寸結(jié)構(gòu)，雖然可以提高尾軸承的力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)特性，但卻使尾軸承的總質(zhì)量有明顯降低。

此外，橡膠尾軸承的橡膠層硬度和厚度也對(duì)其性能具有一定影響Daugherty[1]等認(rèn)為橡膠層應(yīng)該以薄為好，美國(guó)B F Goodrich公司[15]指出當(dāng)橡膠層厚度最小為2.39～7.95 mm時(shí)，軸承的摩擦因數(shù)最低。周廣武[62]通過(guò)建立水潤(rùn)滑橡膠軸承系統(tǒng)有限元接觸模型，著重研究了不同橡膠硬度和厚度對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承系統(tǒng)跳動(dòng)量的影響，研究結(jié)果表明水潤(rùn)滑橡膠系統(tǒng)跳動(dòng)量隨橡膠硬度增大而顯著減小，當(dāng)硬度在85～95 Shore A時(shí)，主軸的跳動(dòng)量較小，水潤(rùn)滑橡膠系統(tǒng)跳動(dòng)量隨橡膠厚度的增加而逐漸增大，當(dāng)橡膠硬度較低時(shí)，系統(tǒng)的跳動(dòng)量隨橡膠厚度變化越顯著，當(dāng)硬度較高時(shí)，軸承跳動(dòng)量變大的趨勢(shì)逐漸變緩慢，說(shuō)明橡膠的厚度與硬度對(duì)跳動(dòng)量的影響存在協(xié)同作用。尾軸承結(jié)構(gòu)中一些其他參數(shù)也會(huì)影響其性能，王家序[51]研究了水潤(rùn)滑尾軸承的過(guò)度圓弧半徑、水道槽半徑、水道槽數(shù)量對(duì)摩擦噪聲的影響，研究結(jié)果表明過(guò)渡圓弧半徑越大，軸承產(chǎn)生噪聲的可能性越大，隨著水道槽的半徑及數(shù)量的增加，軸承發(fā)生噪聲的可能性變小。從以上研究工作可以看出，合理設(shè)計(jì)尾軸承結(jié)構(gòu)將會(huì)對(duì)提高其摩擦性能，降低噪聲產(chǎn)生重要意義，從生產(chǎn)的角度考慮，能夠合理優(yōu)化設(shè)計(jì)尾軸承結(jié)構(gòu)將會(huì)有效地節(jié)約材料，降低生產(chǎn)成本，從而為企業(yè)創(chuàng)造出經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外研究人員圍繞水潤(rùn)滑尾軸承的大量實(shí)驗(yàn)及理論分析可以看出：（1）水潤(rùn)滑尾軸承具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，將具有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)尾軸承材料的選擇也將以低摩擦、低噪聲、良好的可靠性為發(fā)展方向，而高分子材料及復(fù)合材料將會(huì)成為水潤(rùn)滑尾軸承材料的重要研究方向；（2）船舶尾軸承的振鳴因問(wèn)題一直亟待解決，由于問(wèn)題的復(fù)雜性，只有加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)分析與理論探究，深入了解振鳴音機(jī)理及影響因素，才能在不同的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下采取有效的抑制措施；（3）尾軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)對(duì)其摩擦性能及振動(dòng)噪聲產(chǎn)生一定影響，因此，應(yīng)該合理優(yōu)化尾軸承摩擦面形狀、水槽形式、橡膠層厚度和硬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)；（4）尾軸承的材料選擇、振動(dòng)噪聲及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三者之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)通過(guò)三者的協(xié)同調(diào)控達(dá)到性能最優(yōu)化的目標(biāo)。

水潤(rùn)滑尾軸承目前的研究手段主要為試驗(yàn)臺(tái)架及理論數(shù)值分析，針對(duì)實(shí)船測(cè)試的報(bào)道很少，為了使尾軸承的測(cè)試更加具有說(shuō)服力，可以考慮在實(shí)際工況下進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)。由于目前尾軸承材料選擇及改性的多樣性、振動(dòng)噪聲問(wèn)題的復(fù)雜性及尾軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)的多樣性，導(dǎo)致研究人員的相互借鑒存在一定的困難，作者設(shè)想通過(guò)對(duì)研究條件及研究結(jié)果進(jìn)行一定的科學(xué)分類及對(duì)已有的數(shù)據(jù)和研究成果進(jìn)行規(guī)范化，建立共享的數(shù)據(jù)庫(kù)，旨在加快水潤(rùn)滑尾軸承的研究進(jìn)程。

尾軸承的摩擦學(xué)問(wèn)題作為多學(xué)科交織問(wèn)題，也應(yīng)廣泛借鑒其他領(lǐng)域?qū)W科的思想和方法。近年來(lái)仿生學(xué)的出現(xiàn)同樣為尾軸承的研究提供了一定的借鑒之處，重慶大學(xué)李婷婷[63]以硅藻圓篩藻的多孔層結(jié)構(gòu)為仿生對(duì)象，設(shè)計(jì)并優(yōu)化出一種新型的復(fù)合微造型結(jié)構(gòu)，并將其設(shè)計(jì)應(yīng)用到水潤(rùn)滑軸承內(nèi)表面，通過(guò)數(shù)值仿真的方法研究顯示復(fù)合微造型結(jié)構(gòu)有效地改善了尾軸承的表面摩擦性能。袁成清[64]提出通過(guò)將傳統(tǒng)尾軸承材料鐵梨木中樹脂制作出微膠囊結(jié)構(gòu)，將其填充到綜合性能優(yōu)異的高分子材料作為自潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)尾軸承材料潤(rùn)滑性能。通過(guò)利用生物仿生技術(shù)研究生物體不同結(jié)構(gòu)層次（微觀、細(xì)觀、宏觀）的形態(tài)以獲得靈感，進(jìn)而為尾軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇提供新思路，最終優(yōu)化尾軸承的摩擦性能。

隨著“綠色船舶”及“綠色摩擦”的觀念深入人心，針對(duì)船舶尾軸承污染問(wèn)題各國(guó)及海事組織都制定了一定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[65-66]，我國(guó)不僅是一個(gè)海洋大國(guó)，而且含有眾多內(nèi)河及三峽水庫(kù)等船舶航行水域，以水代替油作為尾軸承潤(rùn)滑介質(zhì)，以非金屬材料代替金屬作為尾軸承材料將會(huì)對(duì)保護(hù)我國(guó)水域無(wú)污染具有重要意義。相信在廣大研究人員的努力下，對(duì)尾軸承材料選擇、摩擦振動(dòng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行積極探索，水潤(rùn)滑尾軸承的研究進(jìn)程及應(yīng)用將會(huì)得到長(zhǎng)足發(fā)展。

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