王 磊，劉 偉，劉義軍，郭全麗，俞 強(qiáng)

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

艦船水潤(rùn)滑尾軸承降噪關(guān)鍵技術(shù)分析

王 磊，劉 偉，劉義軍，郭全麗，俞 強(qiáng)

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

水潤(rùn)滑形式的尾軸承廣泛運(yùn)用于艦船推進(jìn)軸系，其摩擦、潤(rùn)滑與振動(dòng)等特性對(duì)艦船聲隱身性能有較大影響，國(guó)外海軍強(qiáng)國(guó)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，研制了先進(jìn)的水潤(rùn)滑尾軸承產(chǎn)品，很好地解決了艦船軸系的摩擦誘導(dǎo)振動(dòng)噪聲問(wèn)題。本文綜述國(guó)外艦船水潤(rùn)滑尾軸承發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，對(duì)水潤(rùn)滑尾軸承發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的關(guān)鍵性降噪技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)國(guó)內(nèi)艦船水潤(rùn)滑尾軸承的發(fā)展方向提出建議。

艦船；水潤(rùn)滑尾軸承；推進(jìn)軸系；摩擦噪聲

0 引 言

尾軸承是艦船推進(jìn)軸系的重要設(shè)備，用于支承尾軸與螺旋槳以保證推進(jìn)軸系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。艦船尾軸承多采用水潤(rùn)滑形式，即以海水為介質(zhì)進(jìn)行潤(rùn)滑與冷卻，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且具有無(wú)污染與輔助系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[2, 3]。但是，在軸系起動(dòng)、停車或低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)等工況下，尾軸與尾軸承之間易因潤(rùn)滑不良產(chǎn)生摩擦自激振動(dòng)，并誘發(fā)尾部產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)噪聲，對(duì)艦船的隱蔽性造成不利影響[1–8]。歐美日等國(guó)針對(duì)摩擦誘導(dǎo)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，以提升水潤(rùn)滑尾軸承性能為主要途徑，開(kāi)展了長(zhǎng)期而深入的研究，目前已基本解決。綜觀其發(fā)展歷程，國(guó)外艦船水潤(rùn)滑尾軸承降噪取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展主要依賴于材料、結(jié)構(gòu)以及支承形式等方面的技術(shù)突破。

本文對(duì)國(guó)外艦船水潤(rùn)滑尾軸承降噪進(jìn)程中形成的代表性關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與剖析，并與目前國(guó)外艦船廣泛應(yīng)用的水潤(rùn)滑尾軸承產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)照分析，為我國(guó)艦船低噪聲水潤(rùn)滑尾軸承的發(fā)展與研制提供參考。

1 新材料應(yīng)用技術(shù)

推進(jìn)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，尾軸承軸瓦與軸頸直接接觸，瓦面材料對(duì)艦船尾軸承性能具有最重要的影響。歐美日等國(guó)為解決艦船水潤(rùn)滑尾軸承摩擦振動(dòng)噪聲問(wèn)題，積極開(kāi)展高性能水潤(rùn)滑材料的研究，其中，以新技術(shù)、新工藝為代表的特殊改性丁腈橡膠、聚合物合金、改性聚四氟乙烯、纖維強(qiáng)化樹(shù)脂基復(fù)合材料等具有突出的振動(dòng)噪聲性能。

1.1 特制改性丁腈橡膠

自 20 世紀(jì) 40 年代開(kāi)始，水潤(rùn)滑橡膠軸承開(kāi)始在美國(guó)海軍艦船上廣泛采用。早期的橡膠軸承以天然橡膠為主，由于耐熱性能差，異常摩擦噪聲嚴(yán)重等原因，逐漸被合成的丁腈橡膠所取代。丁腈橡膠軸承綜合性能更佳，摩擦噪聲問(wèn)題有所改善，從而長(zhǎng)期在美國(guó)海軍艦艇上使用。由于新型核潛艇研制對(duì)尾部噪聲的關(guān)注，美國(guó)海軍尋求進(jìn)一步降低尾軸承摩擦振動(dòng)噪聲水平，其委托科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)進(jìn)行特制改性丁腈橡膠材料的研制，在原合成橡膠中添加特殊的固體潤(rùn)滑成分以改善其潤(rùn)滑性能，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行橡膠的硬度設(shè)計(jì)。B.F. Goodrich 公司為美國(guó)海軍研制的尾軸承用特制改性丁腈橡膠，如 H-201、H-203 與 H-212 等，材料中添加有石墨（Asbury Graphite Mill, Inc.）、硅油（Dow Corning）、PTFE（DuPont deNemours E.I. Company）與二硫化鉬等潤(rùn)滑成分[13, 20]。此外，B.F. Goodrich公司以及后來(lái)的 Duramax Marine 公司在橡膠硫化工藝上進(jìn)行改進(jìn)，所生產(chǎn)的丁腈橡膠均勻密實(shí)，且采用鏡面工藝以使橡膠軸瓦表面達(dá)到極高的光潔度[15]。橡膠材料配方與硫化成型工藝等方面的突破，使美國(guó)海軍艦船裝備的水潤(rùn)滑橡膠尾軸承表現(xiàn)出卓越的振動(dòng)噪聲性能，為推進(jìn)軸系的安靜運(yùn)行提供了有力保障。由于所研制的特制改性丁腈橡膠性能優(yōu)異，目前美國(guó)海軍水面艦船與核潛艇仍主要裝備橡膠尾軸承。

圖 1 典型的橡膠軸承Fig. 1 Typical rubber bearings

英國(guó) Icon Polymer 公司的水潤(rùn)滑橡膠軸承在軍民用船舶領(lǐng)域大量使用。為降低摩擦系數(shù)并提高干摩擦條件下的耐磨性能，Icon Polymer 聯(lián)合英國(guó)阿斯頓大學(xué)開(kāi)展了特制改性丁腈橡膠材料的研究。雙方開(kāi)展了大量的研究與試驗(yàn)，采取在丁腈橡膠中加入聚四氟乙烯（PTFE）的方法提高材料摩擦磨損性能，克服了 2 種成分的不相容性，取得了重大突破，隨后開(kāi)展的實(shí)測(cè)結(jié)果表明新材料具有優(yōu)異的干摩擦性能以及在污水環(huán)境中的耐磨損性能[11]，基于上述成果，Icon Polymer 公司推出了新型 SilverlineAqualine 系列水潤(rùn)滑橡膠船用軸承。

此外，德國(guó) KTR、美國(guó) Morse、日本 Mikasa 與Kemel 等公司也在特制改性丁腈橡膠材料設(shè)計(jì)、成型及表面處理等方面開(kāi)展了研究，開(kāi)發(fā)了具有鮮明特色的水潤(rùn)滑橡膠軸承產(chǎn)品，在軍民用船舶領(lǐng)域亦有廣泛應(yīng)用。

1.2 聚合物合金復(fù)合材料

國(guó)外海軍艦船也大量裝備非金屬聚合物合金材料的尾軸承，其中代表性的有美國(guó) Duramax DMX 軸承、加拿大 Thordon 軸承以及日本 Mikasa 公司的 FF 聚四氟乙烯合金軸承，如圖 2 所示。

圖 2 典型的聚合物合金軸承Fig. 2 Typical polymer alloy bearings

DMX 是美國(guó) Duramax Marine 公司針對(duì)重載軸系研制的基于 SPA（Slippery Polymer Alloy）材料的新型聚合物合金水潤(rùn)滑軸承。SPA 材料是由丁腈橡膠（NBR）、超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）以及一些特殊成分混合而成[20]。UHMW-PE 由于分子量大，具有極佳的物理機(jī)械性能，其與 NBR 混合而成的 SPA 材料，綜合了 NBR 與 UHMW-PE 的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出極佳的耐沖擊、耐磨損與自潤(rùn)滑性能?；?SPA 材料生產(chǎn)的 DMX 軸承具有大承載能力以及較低的摩擦系數(shù)與磨損率，尤其適用于含泥沙量較高的內(nèi)河與沿海環(huán)境中。英國(guó)海事技術(shù)防務(wù)服務(wù)公司（BMT Defense Services Ltd.）為英國(guó)國(guó)防部開(kāi)展的測(cè)試表明，DMX 軸承具有優(yōu)異的承載性能與極低的磨損率，其工作比壓高達(dá) 1.65 MPa，磨損量幾乎可以忽略。

加拿大賽龍公司水潤(rùn)滑尾軸承產(chǎn)品線豐富，包括XL，SXL，COMPAC 與 RiverToughComposite 系列產(chǎn)品，其中 SXL/COMPAC 系列軸承在軍用艦船推進(jìn)軸系領(lǐng)域占有量較高。賽龍是三維交叉結(jié)晶熱凝性樹(shù)脂制造而成的均質(zhì)非金屬?gòu)椥跃酆衔?，是合成?shù)脂與合成橡膠混合物。賽龍材料充分綜合了硬樹(shù)脂成分與彈性橡膠成分的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)秀的承載能力與耐磨性能。美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)聯(lián)合洛克希德造船廠，利用 1 艘大型破冰船對(duì)賽龍軸承與 Micarta 酚醛樹(shù)脂尾軸承進(jìn)行實(shí)船對(duì)比測(cè)試，正常工作 1 年后測(cè)量軸承間隙發(fā)現(xiàn)，賽龍XL 軸承磨損量?jī)H為酚醛樹(shù)脂軸承的 1/9 左右。后續(xù)又開(kāi)展了長(zhǎng)期的對(duì)比測(cè)試，并進(jìn)一步印證了賽龍材料優(yōu)秀的耐磨損性能。此外，SXL/COMPAC 材料配方中含有特殊的潤(rùn)滑成分，進(jìn)一步降低了材料的摩擦系數(shù)，使軸系在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承也能安靜平穩(wěn)的運(yùn)行。因此，賽龍 SXL/COMPAC 軸承受到世界各國(guó)海軍的青睞，在超過(guò) 40 個(gè)國(guó)家的水面艦船與潛艇上使用，包括德國(guó) MEKO F125 型、意大利 FREMM 級(jí)護(hù)衛(wèi)艦，美國(guó)“基拉韋厄”級(jí)彈藥補(bǔ)給艦與“海狼”級(jí)核潛艇[19]。

日本三笠公司在 20 世紀(jì) 80 年代進(jìn)行了 PTFE 改性研究，研制出 PTFE 基聚合物材料。純 PTFE 材料硬度低、壓縮強(qiáng)度及耐磨損性不高。三笠公司通過(guò)在 PTFE材料中加入碳纖維以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)、改性?；谠撔滦筒牧涎兄频?FF 軸承廣泛運(yùn)用日本軍、民船以及水力發(fā)電等領(lǐng)域。三笠公司的對(duì)比測(cè)試以及多年的實(shí)船應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，F(xiàn)F 軸承相對(duì)于傳統(tǒng)的丁腈橡膠，具有更小的摩擦系數(shù)，更高的工作比壓，使 FF 軸承在低轉(zhuǎn)速工況下具有更低的摩擦振動(dòng)水平[10, 11]。

在水潤(rùn)滑聚合物合金軸承方面，國(guó)外基于不同的技術(shù)途徑開(kāi)展了新型水潤(rùn)滑軸瓦材料的研究，開(kāi)發(fā)了形式豐富的產(chǎn)品，在艦船推進(jìn)軸系上使用良好，顯著改善了低速摩擦振動(dòng)噪聲問(wèn)題。

1.3 纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)型熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料是艦船水潤(rùn)滑尾軸承領(lǐng)域應(yīng)用較多的一類材料。此類材料的尾軸承誕生幾乎同步于橡膠軸承，但在初期受技術(shù)水平的影響，樹(shù)脂基復(fù)合材料軸承在尺寸穩(wěn)定性與耐磨性能方面較差，從而限制了其在艦船上的使用。20 世紀(jì) 70年代開(kāi)始，纖維增強(qiáng)型熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料尾軸承迅速發(fā)展，材料形式、配方與成型工藝等方面顯著進(jìn)步，并涌現(xiàn)出 Orkot，Tenmat，ACM，Railko 等技術(shù)實(shí)力雄厚的尾軸承廠商及產(chǎn)品。基于技術(shù)水平的進(jìn)步，纖維增強(qiáng)型熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料尾軸承具備了與橡膠軸承、聚合物合金軸承同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，典型產(chǎn)品包括 Tenmat Feroform T，Railko NF，ACM L2 Marine， Trelleborg Orkot TXM Marine 與 Wartsila Envirosafte 系列纖維增強(qiáng)型樹(shù)脂基復(fù)合材料尾軸承。

圖 3 典型的水潤(rùn)滑纖維增強(qiáng)型樹(shù)脂基復(fù)合材料尾軸承Fig. 3 Typical water-lubricated fibre reinforced resin matrix composite stern bearings

圖 4 材料制備流程Fig. 4 Material preparation process

水潤(rùn)滑尾軸承所采用的纖維增強(qiáng)型樹(shù)脂基復(fù)合材料一般由樹(shù)脂、增強(qiáng)體與潤(rùn)滑成分復(fù)合而成，制備方法與工藝流程相似，如圖 4 所示，材料成型一般采用濕法成型，即將添加有特殊潤(rùn)滑成分的流動(dòng)狀態(tài)的樹(shù)脂通過(guò)增強(qiáng)體，將樹(shù)脂浸漬入增強(qiáng)體，制成預(yù)浸料；在增強(qiáng)體中的樹(shù)脂處于半凝膠化階段，采用纏繞法等進(jìn)行鋪層或卷線以制成筒形，再經(jīng)過(guò)烤箱加熱實(shí)現(xiàn)固化成形。材料中樹(shù)脂一般為熱固性，可選擇酚醛樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂，增強(qiáng)體一般選用聚酯纖維布/線或芳綸纖維布/線等，潤(rùn)滑成分一般包括 MoS2，PTFE，石墨與 CaCO3等。雖然采用相似的成型工藝，但由于材料成分存在差別，各材料及軸承產(chǎn)品所表現(xiàn)出來(lái)的性能亦存在一定差別，主要表現(xiàn)在材料的壓縮強(qiáng)度、熱脹、水脹與摩擦系數(shù)等存在差別。由于通過(guò)化學(xué)鍵連接成密網(wǎng)狀的長(zhǎng)分子鏈，故強(qiáng)度高，受溫度影響小，因此纖維增強(qiáng)型樹(shù)脂基復(fù)合材料相對(duì)于橡膠、聚合物合金等材料，具有更高的壓縮強(qiáng)度，更低的熱脹與水脹系數(shù)以及更高的許用運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。

由于綜合性能優(yōu)異，基于纖維增強(qiáng)型樹(shù)脂的水潤(rùn)滑復(fù)合材料尾軸承在國(guó)外艦船推進(jìn)軸系上廣泛使用。其中，Railko NF21/22 系列材料被世界范圍超過(guò) 30 個(gè)國(guó)家的海軍艦船所采用，包括法國(guó)“戴高樂(lè)”號(hào)航母、英國(guó)“卓越”號(hào)航母，法國(guó)“凱旋”級(jí)核潛艇，英國(guó)“前衛(wèi)”級(jí)、“特加法加”級(jí)、“快速”級(jí)與“機(jī)敏”級(jí)核潛艇，德國(guó) 209，212 與 214 型常規(guī)潛艇等。此外，英國(guó)國(guó)防部的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，NF 材料的磨損率僅為傳統(tǒng)橡膠材料的 1/5。與 Railko NF 類似，F(xiàn)eroform T12 型水潤(rùn)滑尾軸承也大量運(yùn)用于世界各國(guó)海軍艦船。英國(guó)國(guó)防部自 1987 年開(kāi)展的臺(tái)架試驗(yàn)以及隨后利用 1 艘護(hù)衛(wèi)艦開(kāi)展的為期 2 年的實(shí)艦測(cè)試表明，F(xiàn)eroform 材料滿足英海軍的苛刻要求。Orkot 系列產(chǎn)品廣泛運(yùn)用于軍、民船領(lǐng)域，包括英國(guó) 45 型驅(qū)逐艦、“伊麗莎白”級(jí)航母。此外，美國(guó)部分新建的“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇也將采用 Orkot TXM Marine 水潤(rùn)滑尾軸承。ACM 公司水潤(rùn)滑尾軸承產(chǎn)品于 2009 年開(kāi)始運(yùn)用于軍用艦船，目前已有在 10 個(gè)國(guó)家的水面艦船與潛艇上使用，包括德國(guó) F214 型護(hù)衛(wèi)艦以及出口的214 型潛艇。Wartsila Envirosafe 系列軸承自 2011 年以來(lái)，在超過(guò) 18 艘軍用艦船上得到應(yīng)用。如圖 3 所示為國(guó)外艦船上廣泛使用的水潤(rùn)滑纖維增強(qiáng)型熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料尾軸承。

2 新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)

2.1 平面板條結(jié)構(gòu)

板條式橡膠軸承根據(jù)軸瓦板條表面形狀可分為凹面形、平面形式與凸面形板條式橡膠軸承。美國(guó)海軍通過(guò)詳細(xì)的理論研究與試驗(yàn)證明，橡膠軸承由于具有彈性，更易形成彈-塑性流體動(dòng)力潤(rùn)滑（PEHL），即通過(guò)泵壓作用，在底部承載區(qū)形成水囊。同時(shí)，平面板條式橡膠軸承由于水楔接近角最小，可促進(jìn)流體動(dòng)力潤(rùn)滑膜的形式[15]，如圖 5 所示。此外，美海軍還發(fā)現(xiàn)橡膠的厚度、硬度與板條邊緣的形式等對(duì)軸承的潤(rùn)滑亦有重要影響[4]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，美國(guó)海軍形成了平面板條的標(biāo)準(zhǔn)形式（Class III），如圖 6 所示為Romor I 型燕尾槽平面板條式橡膠軸承及其板條形式[15]。

圖 5 平面板條橡膠軸承的彈-塑性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑（PEHL）效應(yīng)Fig. 5 Plasto-Elasto Hydrodynamic Lubrication（PEHL）of flat stave rubber bearing

圖 6 Romor I 型軸承及其平面板條Fig. 6 Romor I rubber bearing and its flat rubber strips

2.2 結(jié)構(gòu)復(fù)合技術(shù)

在平面板條結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，美海軍開(kāi)展了橡膠厚度對(duì)軸承摩擦特性的影響研究。對(duì)比試驗(yàn)表明，薄橡膠板條具有更低的摩擦系數(shù)。為實(shí)現(xiàn) Thin-rubber Concept，美海軍開(kāi)展了多種不同組合形式的板條的對(duì)比測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，將薄層橡膠敷設(shè)在超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）背襯上，不僅可以解決金屬背襯的腐蝕問(wèn)題，還可以提高軸承的抗沖吸振能力?；谠撗芯浚纬闪讼鹉z軸承的結(jié)構(gòu)復(fù)合（Laminated Concept）設(shè)計(jì)理念。隨后，美軍摒棄了 Class I 型板條式橡膠軸承，改為采用 Class III 型橡膠軸承[4, 14 - 15]。

美國(guó) Duramax Marine 公司研制的 Romor I 型平面板條式橡膠軸承即采用了結(jié)構(gòu)復(fù)合設(shè)計(jì)理念。Romor I 板條表層材料為特有配方的改性丁腈橡膠，硬度為80（shoreA），軸瓦表面光滑如鏡。軸瓦條背襯材料為 Hoechst Celanese 公司研制的 UHMWPE（GUR413），可以有效吸收沖擊[13, 15]。表層橡膠與背襯塑料通過(guò)特有的粘合技術(shù)（R.T. Vanderbilt 公司HM-50 粘結(jié)劑）聯(lián)接在一起[9]，使 2 種材料的層狀結(jié)構(gòu)融為一體。Romor I 型尾軸承具有卓越的摩擦性能，運(yùn)行狀態(tài)下的摩擦系數(shù)低至 0.001，基本上消除了摩擦噪聲的產(chǎn)生。Romor I 成為首個(gè)達(dá)到（并優(yōu)于）美海軍軸承標(biāo)準(zhǔn)苛刻要求的水潤(rùn)滑板條式橡膠軸承。由于綜合性能突出，Romor I 型板條式橡膠軸承運(yùn)用于美海軍“俄亥俄”級(jí)、“洛杉磯”級(jí)、“海狼”級(jí)與“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇以及“企業(yè)”級(jí)、“尼米茲”級(jí)航母、“提康德羅加”級(jí)巡洋艦、“阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦、“自由”級(jí)與“獨(dú)立”級(jí)瀕海戰(zhàn)斗艦等水面艦船[15]。

日本三笠公司與 KEMEL 公司聯(lián)合研制的 FF 軸承（Friction-Free Bearing）是目前日本國(guó)內(nèi)最為先進(jìn)的水潤(rùn)滑軸承產(chǎn)品，是日本基于國(guó)內(nèi)材料研制、成型與制造能力，對(duì)原引進(jìn)自美國(guó)的合成橡膠軸承進(jìn)行的一次重構(gòu)與提升。FF 軸承沿用了原橡膠軸承的整體硫化或分離式板條的結(jié)構(gòu)形式，其中的板條采用了 Laminated Concept 結(jié)構(gòu)復(fù)合設(shè)計(jì)理念，將表層的改性聚四氟乙烯（PTFE）與丁腈橡膠（NBR）背襯通過(guò)特殊工藝進(jìn)行粘合，充分利用了改性 PTFE 的耐磨性與丁腈橡膠的彈性變形特性，使軸承整體表現(xiàn)出優(yōu)秀的摩擦特性，保證了軍用艦船特別是潛艇低速工況下的安靜航行[10]。

2.3 整體式潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)

由于技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)外已淘汰了螺旋槽式橡膠軸承與凸面式橡膠軸承，凹（弧）面式橡膠軸承的應(yīng)用也越來(lái)越少。用于艦船推進(jìn)軸系的水潤(rùn)滑橡膠軸承主要采用平面板條式、（剖分）整體硫化式。此外，以橡膠軸承為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的聚合物合金軸承，如 Duramax DMX、三笠 FFB 等，也多采用與橡膠軸承類似的平面板條式或整體硫化式結(jié)構(gòu)，如圖 7 所示。對(duì)于大型軍用艦船來(lái)說(shuō)，由于推進(jìn)軸直徑較大，整體式結(jié)構(gòu)對(duì)硫化工藝要求高，故平面板條式橡膠軸承應(yīng)用最為廣泛，如 Duramax Romor I、三笠 FFB Segmental Type 與Barrel Type。

20 世紀(jì) 90 年代，美國(guó)發(fā)展出具有整體潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的橡膠軸承，其中代表性的產(chǎn)品是 Duramax Romor C 型PAB（Partial Arc Bearing）[12, 14]。該類型軸承是在原平面板條式橡膠軸承 Romor I 為基礎(chǔ)，將原多根復(fù)合式板條設(shè)計(jì)成上、下兩半復(fù)合式軸瓦，軸瓦由丁腈橡膠通過(guò)特殊工藝粘結(jié)在超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）背襯上。采用整體式潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的橡膠軸承，在底部承載區(qū)不設(shè)置流水溝槽，不破壞潤(rùn)滑水膜的連續(xù)性，同時(shí)，軸承左、右舷側(cè)的大直徑溝槽在推進(jìn)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可釋放潤(rùn)滑水，相對(duì)平面板條式軸承，可在更低的轉(zhuǎn)速下形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑。

圖 7 Class I，Class III 類板條形式與 Romor I 板條的不同材料結(jié)構(gòu)復(fù)合Fig. 7 MIL-DTL-17901（SH）Class I and Class III bearing strips and Romor I bearing strip on laminated design concept

圖 8 橡膠軸承結(jié)構(gòu)形式Fig. 8 Rubber bearings structure form

Duramax Romor C（見(jiàn)圖 9）滿足 MIL-DTL-17901C（SH）Class V 的要求，性能優(yōu)于 Romor I，可使推進(jìn)軸系在更為安靜的狀態(tài)下運(yùn)行，其在美國(guó)新建與新研潛艇上將取代 Romor I 型軸承[2]。

樹(shù)脂基復(fù)合材料尾軸承在誕生之初，采用與鐵梨木軸承、橡膠軸承類似的板條式結(jié)構(gòu)。隨著復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展以及設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步，于 20 世紀(jì) 60年代左右產(chǎn)生了大扇形塊結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料尾軸承。從 80 年代開(kāi)始，產(chǎn)生了多槽、雙槽整體、雙槽剖分以及新型 Pametrada 等整體式潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 9）。多槽結(jié)構(gòu)是在復(fù)合材料軸瓦內(nèi)表面周向均勻設(shè)置縱向溝槽，在底部承載區(qū)不開(kāi)槽，采用該結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料尾軸承尤其適合于泥沙含量高的環(huán)境；雙槽、剖分雙槽以及新型 Pametrada 結(jié)構(gòu)，是在扇形塊形式基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，可使尾軸承在更低的轉(zhuǎn)速下形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑，是潤(rùn)滑性能最為優(yōu)異的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)形式之一。

目前，以 Thordon 為代表的均質(zhì)聚合物合金軸承和以 Feroform，ACM，Orkot，Railko，Wartsila 等為代表的樹(shù)脂基疊層復(fù)合材料軸承，相對(duì)于橡膠軸承硬度高，具有更好的機(jī)械加工性能，此外，由于技術(shù)的進(jìn)步，軸承結(jié)構(gòu)可不受材料成型工藝的約束，在設(shè)計(jì)上更為靈活，可以最大程度發(fā)揮出新型潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。如圖 11 所示為國(guó)外采用了整體潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的聚合物合金尾軸承與樹(shù)脂基疊層復(fù)合材料尾軸承。

隨著材料成型工藝的進(jìn)步，橡膠尾軸承與復(fù)合材料尾軸承之間在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的界限已逐步模糊，在不考慮維修性等工程實(shí)際問(wèn)題的前提下，兩者均向相同的結(jié)構(gòu)形式，即整體式潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)演變。

圖 9 整體潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的橡膠軸承Fig. 9 Water lubricated rubber bearing of full lubrication interface and structure

圖 10 新型整體式潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)示例Fig. 10 New types of full lubrication interface and structure for water-lubricated bearings

3 柔性支承技術(shù)

傳統(tǒng)的艦船推進(jìn)軸系，尾軸承采用固定安裝方式，尾軸后軸承在螺旋槳的懸臂作用下，軸與軸瓦沿軸線方向接觸不均勻，會(huì)產(chǎn)生“邊緣負(fù)荷”效應(yīng)，造成軸承局部比壓過(guò)大，不僅會(huì)導(dǎo)致軸承局部迅速磨損，降低軸承自身使用壽命，同時(shí)，在低速重載及不均勻載荷作用下無(wú)法形成良好的潤(rùn)滑膜，軸與軸承易形成干摩擦，產(chǎn)生摩擦自激振動(dòng)，繼而產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦振動(dòng)噪聲[4]。

20 世紀(jì) 50 年代末，美國(guó)海軍開(kāi)始在艦船上為尾軸后軸承或螺旋槳軸承設(shè)置調(diào)心裝置（如圖 12 所示），實(shí)踐證明柔性支承技術(shù)即調(diào)心裝置的應(yīng)用，可降低磨損，并顯著改善低速摩擦噪聲問(wèn)題[4]。

圖 11 采用整體式潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的軸承Fig. 11 New types of full lubrication interface and structure for water lubricated bearings

圖 12 美國(guó)海軍艦船上使用的調(diào)心裝置及安裝示意圖Fig. 12 Self-aligning bearing mount installed on U.S. naval ships

調(diào)心裝置是基于橡膠的彈性變形原理，在尾軸后軸承與船體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置彈性橡膠元件，使尾軸后軸承具備隨艇體變形、軸系偏移進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整傾斜狀態(tài)的能力，可增大軸與軸承之間的接觸面積，降低軸承局部比壓，保證受力的均勻性，可有效改善尾軸后軸承局部摩擦嚴(yán)重、低速工況下潤(rùn)滑水膜不易建立等難題[4]。調(diào)心裝置的設(shè)計(jì)，是在保證一定位移變化能力的前提下，通過(guò)材料與結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)使元件具備一定的剛度，并保證裝置的疲勞壽命，從而對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生有利作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)外海軍強(qiáng)國(guó)為提升艦船推進(jìn)軸系綜合性能，針對(duì)水潤(rùn)滑尾軸承開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究，在水潤(rùn)滑材料、結(jié)構(gòu)和支承形式等方面開(kāi)展了扎實(shí)的研究。經(jīng)過(guò)多年的研究，國(guó)外對(duì)水潤(rùn)滑尾軸承潤(rùn)滑、摩擦磨損特性以及摩擦誘導(dǎo)振動(dòng)問(wèn)題機(jī)理有了深刻掌握，并基于理論研究與試驗(yàn)成果開(kāi)發(fā)了新穎豐富的產(chǎn)品與技術(shù)，提升了軸承的性能，較好地抑制了摩擦振動(dòng)的產(chǎn)生。國(guó)內(nèi)在艦船水潤(rùn)滑尾軸承方面也開(kāi)展了研究工作，并開(kāi)發(fā)了產(chǎn)品，但由于起步晚，技術(shù)積累不足，研制的水潤(rùn)滑尾軸承產(chǎn)品與國(guó)外相比還存在較大差距。國(guó)外水潤(rùn)滑尾軸承的發(fā)展可為國(guó)內(nèi)的研究提供有益參考，主要體現(xiàn)在：

1）材料是產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)，應(yīng)重視水潤(rùn)滑軸承材料的研制，深入開(kāi)展改性橡膠、聚合物合金與纖維增強(qiáng)型樹(shù)脂基復(fù)合材料等特種高性能材料的研究；

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以材料為載體，并受材料成型工藝等諸多因素的制約，應(yīng)扎實(shí)開(kāi)展不同材料、不同結(jié)構(gòu)形式的潤(rùn)滑、摩擦磨損特性研究與試驗(yàn)，掌握低噪聲尾軸承設(shè)計(jì)方法；

3）重視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與理論研究、試驗(yàn)驗(yàn)證以及工程產(chǎn)品開(kāi)發(fā)之間的良性互動(dòng)關(guān)系，有力推動(dòng)艦船推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。

[1]王磊, 俞強(qiáng), 劉義軍. 水潤(rùn)滑橡膠軸承摩擦噪聲特性分析及試驗(yàn)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2015, 39(2): 451–454. WANG Lei, YU Qiang, LIU Yi-jun, et al. Characteristic analysis and experimental study on friction-induced noise in water-lubricated rubber bearings[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science & Engineering), 2015, 39(2): 451–454.

[2]何琳, 帥長(zhǎng)庚, 楊雪. 潛艇螺旋槳軸承降噪技術(shù)研究進(jìn)展[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(10): 3–8. HE Lin, SHUAI Chang-geng, YANG Xue. Research development of noise attenuation for submarine propeller bearing[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(10): 3–8.

[3]姚世衛(wèi), 胡宗成, 馬斌, 等. 橡膠軸承研究進(jìn)展及在艦艇上的應(yīng)用分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2005, 27(S): 27–30. YAO Shi-wei, HU Zong-cheng, MA Bin, et al. The new development of rubber bearing and its application in warships[J]. Ship Science and Technology, 2005, 27(S): 27–30.

[4]ORNDORFF JR R L. Water-lubricated rubber bearings, history and new developments[J]. Naval Engineers Journal, 1985, 97(7): 39–52.

[5]DAUGHERTY T L. Rubber to backing bond strength for stave bearings[R]. Report No. DTNSRCC-80/009, David W. Taylor Naval Ship Research and Development Center, 1984.

[6]SMITH R L, KRAUTER A I, PAN C H T. Laboratory investigation of water-lubricated elastomeric bearings[R]. Ballston Lake, NY: SHAKER Research Corporation, 1981.

[7]BHUSHAN B. Stick-slip induced noise generation in waterlubricated compliant rubber bearings[J]. Journal of Lubrication Technology, 1980, 102(2): 201–210.

[8]KRAUTER A I. Generation of squeal/chatter in water-lubricated elastomeric bearings[J]. Journal of Lubrication Technology, 1981, 103(3): 406–412.

[9]Rubber stamping alternative stern bearing design[Z]. Marine Propulsion, 2013: 66–67.

[10]YAMAJO S, KIKKAWA F. Development and application of PTFE compound bearings[C]//Dynamic positioning conference. Houston: Dynamic Positioning Committee, 2004.

[11]AMOS D. Water-lubricated sterntube bearings combat oil loss[Z]. Marine Propulsion, 2012.

[12]Duramax Marine ROMOR C-Partial Arc Bearing (PAB)[EB/OL]. http://www.alphaver.com/pdf/romor_c_pab_ duramax_-_essais_sous-marine.pdf.

[13]ORNDORFF JR R L, PAUL P B, KEITH L W. Partial arc bearing slab: US2001028751A1[P]. 2001-10-11.

[14]MIL-DTL-17901C. Bearing components, bonded synthetic rubber, water lubricated[S]. 2005.

[15]Duramax Marine. ROMOR I Product information and selection guide[CP].[S. l.]: Duramax Marine, 2012.

[16]HOPPENRATH R. Main propulsion shafting and bearings of German naval vessels[R]. Technical Report No. 474–45, US Naval Technical Mission in Europe, 1945.

[17]Thordon Bearings Inc. Seawater Lubricated Propeller Shaft Bearings[Z]. Thordon Bearings Inc., 2011.

[18]Thordon Bearings Inc. Engineering Manual Version E2006. 1[Z]. Thordon Bearings Inc., 2006.

[19]Thordon Bearings Inc. Naval Forces Using Thordon Seawater Lubricated Propeller Shaft Bearings[Z]. Thordon Bearings Inc., 2012.

[20]ORNDORFF JR R L, SPANGLER R C. SPA super demountable bearing: US6648510 B2[P]. 2003-11-18.

[21]ORNDORFF JR R L. New UHMWPE/Rubber bearing alloy[J]. Journal of Tribology, 1999, 122(1): 367–373.

Analysis on key technologies of noise attenuation for naval ship water-lubricated stern bearings

WANG Lei, LIU Wei, LIU Yi-jun, GUO Quan-li, YU Qiang
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Water-lubricated stern bearings have been widely used in naval ship propulsion shafting. The friction, lubrication and vibration characteristics of water-lubricated stern bearings affected the acoustic stealth condition of naval ships which have been discussed systematically and completely by foreign naval powers. On the research, advanced water-lubricated bearings have been developed and proven to have eliminated the friction induced acoustic noise of propulsion shafting. The development history and current situation of foreign naval ship water-lubricated stern bearing have been reviewed; and a systematic analysis on the key technology of noise attenuation for water-lubricated stern bearing during the course of development have been made in this paper. Some suggestions for the development of naval ship water-lubricated stern bearing of domestic have been proposed.

naval ship；water-lubricated stern bearings；propulsion shafting；friction-induced noise

U664.33

A

1672–7619(2016)12–0009–07

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.002

2016–09–18

總裝備部資助項(xiàng)目；中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心研發(fā)基金資助項(xiàng)目

王磊(1985–)，男，碩士，工程師，主要從事艦船推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。