吳汪洋，胡軍華，周濤，毛旭耀，武朝

(1．海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064；3.渤船造船廠，遼寧 葫蘆島 125004)

低速重載滑動(dòng)軸承在重載、低速、往復(fù)擺動(dòng)和間歇運(yùn)動(dòng)頻繁、泥海水環(huán)境條件下工作，軸與軸承之間難以形成有效的油膜潤滑，長期處于干摩擦和潤滑摩擦的混合摩擦階段。低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生間歇性振動(dòng)現(xiàn)象，影響設(shè)備聲學(xué)性能。為了研究滑動(dòng)軸承摩擦振動(dòng)特性，并提供有效的軸承設(shè)計(jì)及振動(dòng)噪聲控制方法，文獻(xiàn)[1]對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的水潤滑橡膠合金軸承摩擦噪聲進(jìn)行了研究，提出平面型摩擦面的結(jié)構(gòu)可以大大減少軸承出現(xiàn)摩擦噪聲的可能性，設(shè)計(jì)半徑較大的水槽、平面形摩擦面以及選擇摩擦因數(shù)較小的摩擦副材料都可減少軸承系統(tǒng)產(chǎn)生摩擦噪聲的可能性。文獻(xiàn)[2]對(duì)板條結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水潤滑橡膠軸承摩擦噪聲的影響進(jìn)行了研究。另外，文獻(xiàn)[3]通過對(duì)不同硬度軸承的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硬度較低的滑動(dòng)軸承產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，其振幅高于硬度較高的軸承。在機(jī)理研究方面，文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)水潤滑橡膠軸承建立了一個(gè)非線性的雙自由度模型，提出摩擦噪聲的發(fā)生主要取決于摩擦速度曲線的斜率值。文獻(xiàn)[6]對(duì)TiNi合金、45#鋼與軸承鋼摩擦副配對(duì)干滑動(dòng)摩擦噪聲進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明TiNi合金可以降低摩擦噪聲。文獻(xiàn)[7]對(duì)金屬往復(fù)滑動(dòng)摩擦噪聲的機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為滑動(dòng)表面在不規(guī)則的犁溝或粘著凸體形成區(qū)域存在摩擦力動(dòng)態(tài)分力，當(dāng)動(dòng)態(tài)分力與系統(tǒng)自然頻率接近時(shí)，即發(fā)生摩擦振動(dòng)，其與文獻(xiàn)[8-9]的粘著-滑動(dòng)機(jī)理、摩擦力-相對(duì)滑動(dòng)的負(fù)斜率機(jī)理不盡相同。

文中滑動(dòng)軸承運(yùn)行在低速(轉(zhuǎn)速低于1.2 r/min)重載(徑向載荷為200 kN)的特殊工況下，為了解決其較易發(fā)生摩擦振動(dòng)噪聲的問題，在原有滑動(dòng)軸承摩擦副的基礎(chǔ)上，選用新型潤滑脂進(jìn)行潤滑，并對(duì)2種不同材料及潤滑槽結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)軸承進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，以獲得抗摩擦振動(dòng)性能較好的滑動(dòng)軸承。

1 試驗(yàn)原理

1.1 試樣

試樣為直槽巴士合金軸承-原潤滑脂(Z1)、直槽巴士合金軸承-新潤滑脂(Z2)、直槽MGB軸承-新潤滑脂(Z3)、斜槽MGB軸承-新潤滑脂(Z4)。摩擦因數(shù)試驗(yàn)試樣取Z1和Z2各1套；摩擦力矩特性試驗(yàn)試樣取Z1，Z2，Z3，Z4各1套。

原潤滑脂為1#艦用潤滑脂；新潤滑脂由聚α-烯烴合成油、復(fù)合鋁皂及抗氧劑、極壓抗磨劑、防銹劑、增黏劑和填料等組成。

MGB材料是以高分子為基礎(chǔ)，采用稀土金屬化合物及多種添加劑改性制造而成的各向同性均質(zhì)聚合物。

滑動(dòng)軸承襯套材料為ZCuAl9Mn2，內(nèi)徑500 mm，寬550 mm，斜槽和潤滑槽尺寸為10 mm×8 mm×5 mm，12對(duì)潤滑槽均勻分布于軸承內(nèi)表面。

1.2 摩擦因數(shù)試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)在UMT-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(圖1)上進(jìn)行，配對(duì)的2種摩擦副材料在試驗(yàn)機(jī)上做往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)方式為偏心齒輪帶動(dòng)連桿驅(qū)動(dòng)摩擦副夾具(圖2)做振幅5 mm、頻率2 Hz正弦波形式的相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，2種摩擦副材料浸泡在海水中，加載力為360 N。

圖1 試驗(yàn)機(jī)及測試組件

圖2 試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)部件

1.3 摩擦力矩特性試驗(yàn)

試驗(yàn)原理如圖3所示。圖中，電液伺服閥主要控制擺動(dòng)液壓缸使主軸按既定要求做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，溢流閥用以調(diào)節(jié)電磁換向閥的進(jìn)口壓力，從而模擬施加不同載荷。在電液伺服閥最大開口的情況下，逐步調(diào)節(jié)伺服閥P口壓力，使其從0～6 MPa直線上升。另外，通過伺服閥控制擺動(dòng)缸，使其按正弦角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，可得出正弦運(yùn)動(dòng)摩擦力矩和相對(duì)滑動(dòng)角速度關(guān)系曲線。通過對(duì)支承軸承與試驗(yàn)軸承的振動(dòng)測試，可得出試驗(yàn)軸承在不同條件下的臨界爬行角速度。

1—電液伺服閥；2—擺動(dòng)液壓缸；3，12—扭矩變送器；4—支承軸承；5—潤滑泵；6—滑動(dòng)軸承；7—滑動(dòng)軸承座；8—溢流閥；9—電磁換向閥；10—加載液壓缸；11—壓力變送器

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)試驗(yàn)

巴士合金軸承-原潤滑脂(Z1)和巴士合金軸承-新型潤滑脂(Z2)的摩擦因數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 摩擦因數(shù)試驗(yàn)曲線

從圖4可以看出：巴士合金軸承材料使用原潤滑脂時(shí)摩擦因數(shù)為0.18，不穩(wěn)定，使用新型潤滑脂時(shí)摩擦因數(shù)為0.09，小于前者且較穩(wěn)定。

2.2 摩擦力矩特性試驗(yàn)

2.2.1 由靜至動(dòng)時(shí)摩擦力矩特性曲線

由靜至動(dòng)時(shí)4種試樣的摩擦力矩特性曲線如圖5所示。

圖5 由靜至動(dòng)時(shí)摩擦力矩特性曲線

從圖5可以看出，無載荷情況下，Z4滑動(dòng)軸承副摩擦力矩最大，在角速度4～5 deg/s的范圍內(nèi)存在摩擦力矩與角速度的負(fù)斜率關(guān)系；Z1滑動(dòng)軸承副在2.5～3 deg/s范圍內(nèi)存在摩擦力矩與角速度的負(fù)斜率關(guān)系；Z2滑動(dòng)軸承副在1～1.5 deg/s范圍內(nèi)存在摩擦力矩與角速度的負(fù)斜率關(guān)系；Z3滑動(dòng)軸承副在6 deg/s左右存在摩擦力矩與角速度的負(fù)斜率關(guān)系。

2.2.2 正弦運(yùn)動(dòng)摩擦力矩特性曲線

轉(zhuǎn)軸向下分別施加50，100，150 kN的載荷，試驗(yàn)軸以角速度6 deg/s、周期40 s做正弦運(yùn)動(dòng)，角速度-摩擦力矩試驗(yàn)曲線如圖6～圖8所示。

從圖6可以看出，Z1，Z2及Z3滑動(dòng)軸承副摩擦力矩特性相近。圖6b中，Z2滑動(dòng)軸承副在2.5和3.5 deg/s附近存在摩擦力矩與角速度的負(fù)斜率關(guān)系；Z1和Z3滑動(dòng)軸承副在3.5 deg/s附近存在摩擦力矩與角速度的負(fù)斜率關(guān)系；Z4滑動(dòng)軸承副存在多個(gè)負(fù)斜率較為明顯區(qū)域。

圖6 50 kN時(shí)摩擦力矩特性曲線

圖7 100 kN時(shí)摩擦力矩特性曲線

圖8 150 kN時(shí)摩擦力矩特性曲線

從圖7～圖8可以看出，隨著載荷的增大，Z1和Z2滑動(dòng)軸承副存在多個(gè)負(fù)斜率區(qū)域，特別是載荷150 kN時(shí)，3.5 deg/s附近其負(fù)斜率絕對(duì)值較大。Z3滑動(dòng)軸承副在3 deg/s附近存在摩擦力矩與角速度的負(fù)斜率關(guān)系，但其斜率絕對(duì)值小于其他軸承副，當(dāng)其角速度從-6～0 deg/s變化時(shí)，摩擦力矩與角度近似為線性增長關(guān)系，即不存在負(fù)斜率關(guān)系。Z4滑動(dòng)軸承副的特性曲線較為惡劣。

根據(jù)摩擦力-相對(duì)滑動(dòng)的負(fù)斜率機(jī)理[9]可知，低載荷情況下Z1，Z2，Z3滑動(dòng)軸承在2.5～3.5 deg/s附近時(shí)易出現(xiàn)爬行;載荷大于150 kN時(shí)，Z1在3.5 deg/s出現(xiàn)爬行，Z3在3 deg/s附近較易出現(xiàn)爬行，而Z4更易出現(xiàn)爬行。

2.3 臨界爬行角速度試驗(yàn)

轉(zhuǎn)軸向下分別施加50，100，150，200 kN的載荷，使轉(zhuǎn)軸以0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0 deg/s的角速度上下擺動(dòng)25°，得出臨界爬行角速度見表1。

由表1可知：巴士合金軸承中，使用新潤滑脂后可降低臨界爬行加速度。在150 kN載荷下，Z1臨界爬行角速度為3 deg/s，與摩擦力矩曲線負(fù)斜率較大時(shí)對(duì)應(yīng)的角速度相近。對(duì)于MGB軸承，斜槽結(jié)構(gòu)的臨界爬行角速度高于直槽結(jié)構(gòu)。在100 kN載荷下，新潤滑脂潤滑的直槽MGB軸承臨界爬行角速度略低于直槽巴士合金軸承。

表1 臨界爬行角速度

3 結(jié)論

1)新型潤滑脂具有較低的穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，有利于降低滑動(dòng)軸承的臨界爬行角速度。

2)直槽結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)軸承的摩擦力矩、臨界角速度均小于斜槽結(jié)構(gòu)。

3)MGB軸承臨界爬行角速度低于巴士合金軸承，抗摩擦振動(dòng)性能較好。