水润滑橡胶轴承摩擦振动特征分析

Chinese Journal of Ship Research - - NEWS -

1,2,谈宇航 1,2彭伟才

1 430064船舶振动噪声重点实验室,湖北 武汉2 430064中国舰船研究设计中心,湖北 武汉 摘 要:[目的]在低速重载、启停等工况下,由于润滑不良,水润滑橡胶轴承出现摩擦振动,通过激励船体结构会引起水下异常噪声。为了掌握艉轴承的摩擦振动特征,[方法]以水润滑艉轴承实验台架为试验对象,通过调整艉轴承比压、温度、转速等工况条件,使艉轴承出现摩擦振动,通过测试分析时域谱、频域谱、轴心轨迹等,获得轴和轴承座的摩擦振动特征。[结果]研究表明,轴承座的时域信号呈现明显的脉冲现象,摩擦激励轴与艉轴承关联的结构或系统,频域信号中出现典型的峰值频率及其倍频;轴心轨迹变形严重、尖角突出,且有多个局部碰撞折返点。[结论]上述振动特征可为艉轴承异常摩擦识别、艉轴承低噪声设计与实验提供技术支持。关键词:水润滑橡胶轴承;摩擦;振动特征;轴心轨迹中图分类号:U661. 4 文献标志码:A DOI:10. 19693/j.issn.1673-3185. 01054

Friction-induced vibration characteristics of water-lubricated rubber bearing

PENG Weicai1,2,TAN Yuhang1,2 1 National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,Wuhan 430064,China 2 China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China

Abstract:[Objectives]The stern tube rubber bearing is an important part of marine propulsion systems. However,under unfavorable low-speed,heavy duty and partial high-temperature working conditions, bad lubrication can occur and cause friction-induced vibration.[Methods] Laboratory tests are carried out to ascertain the friction-induced vibration characteristics of a stern tube rubber bearing. The pressure, temperature and speed of the rubber bearing are adjusted until friction phenomena occurs,and the time domain spectrum,frequency domain spectrum and shaft orbit test technology are then utilized to obtaining the vibration characteristics of the stern tube rubber bearing and shaft. [Results] The time domain spectrum presents the pulse shape of the base. In the friction-induced vibration of the rubber bearing and shaft,the frequency domain spectrum presents peak frequency and double frequency,while the shaft orbit presents distortion and a sharp-angled shape.[Conclusions]This paper can provide an analysis tool for ascertaining friction in testing stern tube rubber bearings for test-beds and ships. Key words:water-lubricated rubber bearing;friction;vibration characteristic;shaft orbit

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,降低轴系引起的声[1-2]。但水润滑橡胶艉轴承在低速重载、辐射噪启停机、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。

20 70早在 世纪 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

SSB-100试验采用 型船舶水润滑艉轴承试验1)。试验装置由电机、冷却系统、支撑轴台架(图承、艉轴承、液压加载和测试部分组成。试验轴采45 ZQSn10-2用 钢制成,其轴颈镶有 衬套,衬套长175 mm,外径为Ø150 mm。支撑轴承为滑动轴为承。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, BK振动、位移传感器以及 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。 试验采用平板式橡胶艉轴承,其内径为152 mm,长150 mm,共有12 8mm。个水槽,水槽深艉轴承座上布置两向加速度传感器,艉轴承后布1 2)。置 对位移传感器,测量轴心轨迹(图

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3~图5为现象,周期性较强,且出现大幅振动。图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12 m/s2,是正常工况(100 r/min)的 15达 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4 5中出现一个或多个周期性的脉冲。对比图 和图2所示的振动信号,可以发现,异常工况 中的摩擦1比异常工况 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4 1的时域信号(33 r/min,30℃,0.3 MPa)摩擦工况Fig.4 Time-domain signal in friction case 1(33 r/min,30℃, 0.3 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<1 kHz 134中于低频域( ),主要峰值频率为 和249 Hz,其中249 Hz为液压加载系统的脉冲,是干134 Hz扰频率;频率 主要体6现的是在艉轴承的支撑下轴的振动固有特性(图 )。 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1 250 Hz,并有 2征,主要峰值的基频约 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7 8)。(图 和图 图7 1的频谱(33 r/min,30℃,0.3 MPa)摩擦工况Fig.7 Frequency spectrum in friction case 1(33 r/min,30℃, 0.3 MPa) 采用力锤敲击轴承座,得到轴承座与轴、液压1 250 Hz加载装置组成的系统的固有频率约为9)。因此艉轴承发生摩擦时,将激励轴与艉(图轴承相关联的结构或系统。

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。10 0.3 MPa)轴图 所示为不同转速下(比压为心轨迹的对比结果。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。 11图 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。

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12度的关系曲线具有较大的负斜率,如图 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。

2.5 启停时的摩擦振动特征

13~图 14图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。

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。

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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2 传感器布置Fig.2 Layout of transducer

图1试验台架Fig.1 SSB-100 test rig

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)

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

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

图5 2的时域信号(42 r/min,40℃,0.4 MPa)摩擦工况Fig.5 Time-domain signal in friction case 2(42 r/min,40℃, 0.4 MPa)

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

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

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

12图 摩擦系数Fig.12 Friction coefficient

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

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