潛艇螺旋槳軸承降噪技術研究進展

何 琳,帥長庚,楊 雪

(海軍工程大學振動與噪聲研究所,湖北 武漢 430033)

0 引 言

潛艇螺旋槳、尾軸一般通過水潤滑軸承來支撐,螺旋槳軸運行時,軸承浸于海水中,通過軸頸與軸承材料之間形成的水膜來潤滑[1-3]。當螺旋槳軸低速或高負載運行時,軸與軸承之間潤滑水膜可能會被破壞,不能完全形成流體動力膜,部分軸承區域處于邊界潤滑狀態,滑行極不穩定,造成軸頸和軸承之間出現粘滑摩擦,且滑動摩擦力隨著速度的降低而增加,這就形成了1個自激振動過程。振動涉及尾軸的扭轉和彎曲運動,其反過來通過不同的動態耦合過程可以引起螺旋槳葉片和整個船體的振動,自激振動的形成會產生強烈的噪聲,嚴重影響潛艇的聲隱身性能,必須加以有效控制[3-12]。

引起軸與軸承間摩擦噪聲的因素很多,如軸承材料性能、軸承結構、軸與軸承表面狀況、軸與軸承間的對準情況、水溫、水質特性等。本文主要對國內外潛艇螺旋槳軸承所用材料、軸承結構、試驗裝置等進行綜述,并對潛艇螺旋槳軸承降噪技術進一步的研究方向提出建議,對于深入研究潛艇螺旋槳軸承降噪技術具有重要的指導意義。

1 國外潛艇螺旋槳軸承降噪技術研究現狀

螺旋槳軸承噪聲是潛艇重要的機械噪聲源之一,嚴重時其影響超過潛艇的總噪聲級。美國海軍在二戰期間就發現,潛艇尾部軸承異常噪聲嚴重威脅潛艇生存,二戰結束后,美國海軍[13]集中力量對德國潛艇尾部軸承設計相關技術進行搜集整理,并委托麻省理工學院、海軍泰勒艦船研究發展中心、海軍安納波利斯實驗室等研究機構對這一問題進行了系統研究。經過數十年的研究和大量試驗,突破了橡膠軸承材料、結構、潤滑理論等多項關鍵技術難題,并于1963年形成了艦用尾部水潤滑軸承軍用標準MIL-B-17901A(SH),緩解了當時核潛艇“鱘魚”級尾部軸承噪聲的危害。后來隨著新型核潛艇噪聲水平的降低,潛艇尾部軸承噪聲問題又顯現出來。為更進一步降低新型核潛艇的噪聲水平,美國海軍一直在不斷研究、改進和完善潛艇螺旋槳軸承降噪技術,根據研究結果,分別于1983年和2005年2次對尾部水潤滑軸承軍用標準進行了修訂,有效解決了新型核潛艇“洛杉磯”級及其改進型尾部軸承噪聲控制難題。目前已開發出了四類螺旋槳軸承,以適應不同艦船的需求。除美國外,俄羅斯(前蘇聯)、英國、德國、日本、加拿大等國家也一直對潛艇螺旋槳軸承降噪技術進行深入研究。潛艇尾部軸承噪聲問題影響因素很多,且非常復雜,這里主要論述國外螺旋槳軸承所用材料、軸承結構、水潤滑軸承潤滑機理、試驗裝置等主要關鍵技術發展情況。

1.1 軸承用材料研究

螺旋槳軸承的潤滑主要采用水潤滑,而螺旋槳軸承降噪設計的關鍵技術之一是水潤滑軸承材料的選取。由于橡膠具有優異的減振降噪性能,常被作為水潤滑軸承使用。材料的種類、材料的表面化學性質、摩擦磨損特性、硬度、抗浸潤膨脹能力及抗高溫老化能力等是影響水潤滑軸承工作性能和使用壽命的重要因素。美國軍用標準MIL-B-17901C(SH)對水潤滑軸承材料的性能參數及其試驗方法進行了詳細規定[14-16]。

美國海軍安納波利斯實驗室[4]對天然橡膠和丁腈橡膠水潤滑軸承進行了對比試驗。試驗結果表明,天然橡膠水潤滑軸承在各種工況下均會不同程度的出現摩擦尖叫聲,磨損相對來說更嚴重,而丁腈橡膠水潤滑軸承在各種工況下基本未出現尖叫噪聲,磨損也相對較小。橡膠材料不同的表面化學性質對水具有不同的濕潤性,而濕潤性取決于材料本身是親水性還是憎水性。橡膠材料如果是親水性較強的材料,將有利于水膜的形成,從而具有較好的水潤滑特性,因此,采用這種橡膠制作的軸承具有較小的噪聲。但是對于水潤滑軸承而言,軸承在水中抗浸潤膨脹能力也會影響到系統的工作性能。比如,軸承在水中浸潤膨脹,軸承和轉軸的空隙減小,甚至兩者發生擠壓從而增大軸承的額外荷載,導致摩擦增大,噪聲增大。

Schncider[17]報告了美國海軍使用水潤滑橡膠軸承的經歷,并提供了大量測試數據,研究了影響尾軸軸承壽命的因素,包括載荷、滑動速率、表面粗糙度、腐蝕的影響等因素,并提出載荷、軸和軸承材料的相關標準。其研究表明,目前美國軍方已經運用了超高分子量聚乙烯/丁腈水潤滑軸承材料,同時加拿大賽龍公司也在部分產品中將其作為水潤滑軸承瓦背材料,用以取代銅合金。賽龍(Thordon)[18]軸承由加拿大Thordon Bearing Inc研制,于1966年投放市場。該材料具有高耐磨性、低摩擦系數、長壽命(25年),同時兼備良好自恢復性和彈性,目前已經應用于多國海軍艦艇和潛艇螺旋槳軸承上。英國Railko公司[19]研制的NF材料具有優良的抗沖擊性能、較好的耐磨性、較低噪聲以及較長的使用壽命(英國海軍試驗結果表明壽命長達97年),目前已經應用于多國海軍艦艇和潛艇螺旋槳軸承上。

由于國外在潛艇螺旋槳軸承降噪技術方面對我國進行技術封鎖,所以對國外螺旋槳軸承材料配方設計還不十分清楚,但從有限文獻資料可以發現,國外潛艇螺旋槳軸承材料的發展經歷了3個階段。

第一階段是水潤滑軸承用塑料的研究,如酚醛樹脂、聚四氟乙烯等。但該類材料存在沒有彈性,脆性較大,容易發生裂紋損壞,容易出現空泡腐蝕等缺點。

第二階段是水潤滑軸承用橡膠的研究。橡膠材料主要是天然膠、丁腈膠、氟彈性體、丁基橡膠、乙丙二烯等。經過長期應用發現橡膠軸承耐熱性較差,在缺乏水潤滑情況下,容易摩擦生熱,從而導致軸承損壞;橡膠軸承承載能力有限;由于橡膠軸承易產生粘連現象,所以,當軸承轉速較低時易產生噪聲。

第三階段是水潤滑軸承用橡膠復合材料的研究,如超高分子量聚乙烯/丁腈復合材料,并添加小尺度石墨潤滑劑。該類材料具有在干、濕條件下,優良的低摩擦系數和高抗摩耗性能,較低噪聲;承載能力大;耐水性優良;聚合物合金中各組分性能具有協同效應,能充分發揮各組分本身的優良性能等優點。

1.2 軸承結構研究

美國海軍對不同結構橡膠軸承的摩擦特性進行試驗研究,結果表明橡膠輻條表面形狀對軸承噪聲有很大影響,與軸曲率一致的表面形狀比平面形狀軸承更容易產生粘滑尖叫噪聲。通過優化設計橡膠輻條結構,可大大改善水潤滑橡膠軸承的潤滑,降低軸承噪聲[5]。

T.L.Daugherty[20]試驗研究了7種平面型板條式完全軸承(包角為360°)的靜摩擦和動摩擦特性,試驗用軸承和美國海軍用螺旋槳軸承具有相同的結構。7種板條設計包括2種橡膠成分、2種橡膠硬度(肖氏 A 級硬度 75 ±5、85 ±5)、2 種支撐材料 (黃銅 、塑料)以及不同厚度和形狀的橡膠襯層。文章比較了它們在不同靜加載時間下的靜摩擦系數,給出了7種板條設計的動摩擦系數的速度特性。在比較的諸多因素中,橡膠襯層的厚度和形狀對動摩擦系數的影響最大。文章認為靜態摩擦性能與動態摩擦性能之間沒有相互關聯。

Roy L.Orndorff.JR[21]提供了一份內容豐富的關于螺旋槳軸承的歷史和新進展的報道。它的摩擦性能和磨損性能實驗是以單個板條為研究對象。摩擦實驗包括靜摩擦系數和動摩擦系數的測量,文中闡述兩點:一是橡膠層厚度對摩擦、磨損具有顯著的影響。薄型板條設計能達到更為優良的摩擦、磨損性能;二是比較了平面型和凹面型板條的摩擦性能,在試驗速度范圍內,平面型板條的動摩擦系數顯著地小于凹面型。作者認為,凹面型板條的方形邊緣角刮掉了旋轉的軸卷帶的潤滑劑,提出平面型應采用方形的邊緣角,而凹面型采用圓形的邊緣角。

美國核潛艇螺旋槳軸承結構的發展經歷了3個階段。

第一階段(1963-1983年),采用軍用標準MIL-B-17901A中的第一類軸承,金屬背襯板條式軸承,金屬背襯通過燕尾槽緊配合,裝配于軸套上,軸套采用剖分式結構,如圖1所示。這種軸承由于金屬背襯長期浸泡在海水中,不斷腐蝕,使得金屬背襯與軸套燕尾槽配合出現間隙,這個間隙的存在很容易使尾部橡膠軸承產生異常噪聲[3-4,13-14,22]。

圖1 金屬背襯板條式軸承Fig.1 Metallic backed stave bearing

第二階段(1983-2003年),采用軍用標準MIL-B-17901B中的第三類軸承,非金屬背襯板條式軸承,非金屬背襯通過燕尾槽緊配合,裝配于軸套上,軸套也采用剖分式結構,如圖2所示。采用非金屬背襯雖然可以解決金屬背襯存在的抗腐蝕問題,但是背襯非金屬材料存在應力松弛和老化問題,緊配合安裝的板條長時間使用過程中,在交變應力作用下,也容易出現松動,進而產生異常噪聲[5-12,15,21-23]。

圖2 非金屬背襯板條式軸承Fig.2 Nonmetallic backed stave bearing

第三階段(2003-至今),潛艇尾部噪聲控制是“海狼”級潛艇研制要突破的關鍵技術。與“海狼”級潛艇研制同步,美國海軍海上系統司令部開展了1項大型試驗研究項目。該項目旨在通過實驗室和實艇測試不同軸承材料、不同結構軸承的性能,最終篩選出滿足美國海軍新型潛艇尾部噪聲控制更高要求的軸承。實驗室對比試驗研究結果表明,有2種軸承最接近美國海軍提出的技術要求而入選,這2種軸承分別為COMPAC賽龍軸承(圖3)和剖分式非金屬背襯半弧軸承(圖4)[16,18]。

美國海軍在保證接口一致的前提下,將這2種結構軸承安裝于實艇上進行試用,短期服役后,發現COMPAC賽龍軸承存在問題,促使美國海軍最后決定采用剖分式非金屬背襯半弧軸承,并從2003年開始,將其作為標準配件用于新建造的潛艇和更換現役潛艇的尾部板條式橡膠軸承,并于2005年將其納入軍用標準MIL-B-17901C中,作為第五類軸承,這種軸承復合材料外殼可有效吸收振動與噪聲,內橡膠層的摩擦系數很小,特別是低轉速時的摩擦性能和噪聲特性優良,耐磨性優越,使用壽命長。

1.3 美國螺旋槳軸承振動噪聲性能試驗裝置

美國海軍用于研究水潤滑軸承的振動、噪聲及磨損試驗的裝置主要有3種:

1)軸頸為10″的軸承試驗裝置,安裝在1個大的鑄鐵板上,旋轉軸通過減速齒輪和聯軸器驅動,軸頸置于開放的水箱中,試驗軸承橡膠板條在頂部中心線處與軸頸接觸,通過砝碼和杠桿給橡膠板條施加載荷,加載桿和橡膠板條支架之間通過硬鋼球接觸。該裝置加載的最大能力為4500 N,轉速范圍為10～38 r/min,軸承的潤滑水由正對著旋轉軸的1個噴霧器供給[4]。

2)14″的軸承試驗裝置最大加載能力為157500 N,轉速范圍為8～400 r/min,軸承橡膠板條安裝于軸承箱內,可控制供給軸承的潤滑水流速度和入口水溫,可通過扭矩臂測出軸承摩擦力扭矩,還可通過安裝于軸承箱頂端的振動傳感器測量系統的加速度級[4,16]。

3)橡膠板條試驗裝置,其轉速范圍可控制在0～1.2 m/s,板條切線方向安裝有壓電傳感器和位移傳感器,可分別測量高速和低速時橡膠板條的摩擦力,采用帶有萬向節的脫氧鋼驅動軸,萬向節和驅動軸通過鎖鍵耦合,避免了由于軸心差而出現橫向負載[10]。

1.4 潤滑機理研究

理論上深入研究潤滑機理能為螺旋槳軸承降噪技術的深入研究提供理論指導。從1886年英國水力學家雷諾(Reynolds)推導出著名的流體動力潤滑方程[24-25](即雷諾方程),提出流體動力潤滑理論至今,人們對摩擦、磨損與潤滑的研究與發展日益豐富,潤滑理論也日趨完善。與傳統的金屬軸承相比,螺旋槳軸承不僅其工作介質發生了較大的改變,而且軸承材料性能和結構也變得很復雜,這為其流體力學動壓方程的建立帶來了困難。螺旋槳軸承即使在輕載時,軸承接觸表面也會產生彈性變形,水楔的形狀已經不再由零件的原始形狀決定。由于摩擦表面彈性變形,導致了楔形水膜的產生,而且因軸承自身的特點,即多曲面圓弧凹槽的結構,不易形成連續的水膜,所以研究水潤滑軸承的潤滑機理就必須從彈流潤滑的角度進行分析,為了進行定性分析還必須對其模型進行簡化。

目前對水潤滑軸承潤滑機理的研究,是以Muijderman的低粘度流體動壓軸承理論為基礎發展起來的,一般將水潤滑摩擦副看作剛性圓柱和彈性平面接觸問題,由于水潤滑軸承的長徑比一般都為4,可以視作無限長圓柱與彈性平面的接觸,并且在彈性較大的摩擦副中,實際潤滑區的寬度遠遠小于軸承的半徑,所以研究表面變形時可把軸承潤滑區表面當作半無限體的表面。這種變形在彈性力學當中屬于平面應變問題。在一般情況下,很難得到解析解。因此,在建立了基本方程組后,一般是求其數值解。在求解的過程中只要計算出變形,便能將壓強分布以及其他性能參數確定。但計算變形又要知道壓強分布,所以用迭代的辦法,即根據假定的變形函數求壓強,得到壓強以后計算變形,然后根據修正過的變形函數再求壓強,如此迭代直到獲得滿意的精度為止。在求解數值解的過程中的算法是整個計算過程的關鍵所在。

目前所公開的文獻資料顯示,在潤滑理論研究方面,美國做了大量的研究工作,取得了重大突破,并且將其應用于螺旋槳軸承結構的設計中。但總體來說國外研究的也很不深入,特別是對螺旋槳軸承的潤滑機理,能否形成流體動力潤滑,如果能形成,那么形成流體動力潤滑的軸承、速度及載荷條件等均沒有明確的研究。

2 國內潛艇螺旋槳軸承降噪技術現狀分析

2.1 國內螺旋槳軸承材料研究

國內早期采用的軸承材料是天然/順丁橡膠,這種橡膠軸承容易出現爆瓦。如圖5所示,橡膠軸承在加載一側磨損相當嚴重,表面出現犁坑,局部橡膠表層與對應里層橡膠剝離,里層橡膠存在燒焦現象,成粉末狀。軸承在磨合初期的各種轉速工況下,試驗橡膠尾軸承處有較大噪聲,且噪聲隨著轉速的升高逐漸減弱,磨合后期高轉速下橡膠軸承噪聲消失,而低轉速下噪聲明顯減弱,這與美國海軍最初研究成果基本一致。

圖5 天然順丁橡膠軸承表面磨損Fig.5 The surface abrasion of natural and 4-polybutadiene rubber

后來改進采用丁腈橡膠為基體,研制了1種水潤滑軸承用新型材料,與原材料相比,摩擦系數大大降低(圖6),在任何模擬使用工況下均沒有尖叫、燒焦現象,能適應軸承處于邊界潤滑和干摩擦等極限狀態。

圖6 新研制材料與原軸承材料摩擦系數對比Fig.6 The friction coefficient comparison between newly-studied and former bearing materials

目前,國內潛艇螺旋槳軸承仍然采用背部螺釘緊固的板條式軸承,該軸承存在如下缺點:①螺釘緊固力無法控制,板條變形不均勻;②螺釘緊固后端部可明顯看見板條變形,并且出現間隙;③如果裝配完成后不作加工處理,軸承與軸的同軸度不能有效保證。但是加工處理后影響橡膠表面的光潔度。板條越長,上述問題越嚴重,這些因素都有可能導致軸承異常噪聲的產生。此外,板條表面的光潔度也是產生異常噪聲的1個重要因素。

2.2 試驗裝置分析

國內開展水潤滑軸承技術研究試驗裝置主要有3種:

1)材料摩擦性能試驗裝置,如圖7所示。

圖7 材料摩擦磨損試驗機Fig.7 The friction and abrasion tester of material

2)軸徑為151 mm的軸承試驗裝置,如圖8所示,采用中間徑向加載方式。

圖8 SSB-100型船舶尾軸試驗機Fig.8 The ship propeller shaft tester of SSB-100

3)軸徑為235 mm和365 mm的尾軸承試驗裝置,如圖9所示。該裝置將驅動電機、減速齒輪箱與試驗軸承彈性隔離,通過對尾軸加載,可以測試軸承的摩擦磨損及噪聲情況。

圖9 軸徑為235 mm和365 mm的尾軸承試驗裝置Fig.9 The propeller shaft bearing tester of 235 and 365 mm shaft diameter

2.3 潤滑機理研究

雖然國內螺旋槳軸承已有產品問世,但其基礎性研究尚十分缺乏,與國外相比,差距還較大。在理論上國內還沒有出現過水潤滑橡膠軸承的系統報道。國內的螺旋槳軸承的設計還只是停留在經驗階段,而且很多經驗仍沿用國外五六十年代的水平,已不能適應新型潛艇螺旋槳降噪技術的要求。

3 結 語

目前,美國最新核潛艇上采用的尾部橡膠軸承已經是剖分式非金屬背襯半弧軸承。這種軸承復合材料外殼可有效吸收振動與噪聲,內橡膠層的摩擦系數很小,特別是低轉速時的摩擦性能和噪聲特性優良,耐磨性優越,使用壽命長。國內雖然在水潤滑橡膠軸承技術方面已經開發出一些新產品并取得了一定的成果,但與國外相比,還有一定差距,重點需要解決2個問題:1)深入研究能承受大比壓且具有自潤滑功能的水潤滑軸承材料;2)通過材料復合、結構復合的方式,進一步優化設計水潤滑軸承結構,剖分式復合結構形式是下一步重點研究的方向。

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