水润滑复合橡胶尾轴承摩擦学问题研究

【摘要】：水润滑尾轴承是舰船推进系统的重要组成部分,其性能的优劣对舰船航行的快速性、安全性、隐蔽性、经济性等有着重要的影响。尽管水润滑橡胶尾轴承已有100多年的使用史,但其基础研究仍然薄弱,尤其在其摩擦振动的产生机理方面。故而开展以减振降噪为目的的水润滑尾轴承材料研制,摩擦振动产生机理的理论及试验研究,具有重要的理论意义及军事应用价值。 文中结合国家自然科学基金项目,开展水润滑橡胶尾轴承相关摩擦性能、摩擦振动产生机理等关键问题的研究。主要工作如下： (1)建立了水润滑橡胶尾轴承摩擦振动的非线性分析模型；分析了模型的稳定性,求解了其数值解,得到了其振动位移随时间t的变化规律,分析了正压力、温度等因素对分析模型稳定性的影响。 (2)在丁腈橡胶中加入UHMWPE和石墨粉末进行共混改性,制备了一种低摩擦的新型水润滑尾轴承用复合橡胶材料SPB-N。其物理力学性能达到中国船标CB/T76——92008和美国军标MIL-DTL-17901C (SH)的要求。其摩擦系数达到了美国军标MIL-DTL-17901C (SH)的标准,在低速下更优于标准。局部最大比压可达到0.70MPa。 (3)通过试验设计,试验台架的改进,以模拟全幅轴承摩擦副的形式,进行了SBR和SPB-N两种新材料的试块试验。测试了不同比压、不同橡胶层厚度、不同橡胶层硬度的试块摩擦系数随速度的变化规律,并分析了其影响机理。针对橡胶层的硬度和厚度及其交互作用对摩擦系数影响的显著程度,进行了双因素有交互作用的正交分析。结果表明,试块的动摩擦系数随橡胶层厚度、硬度的降低而降低,二者对水润滑橡胶轴承摩擦性能均有影响；橡胶材料的厚度、硬度及其交互作用三者对水润滑橡胶尾管轴承摩擦性能的影响中,以橡胶层的厚度最为显著,硬度次之,厚度和硬度的交互作用最弱。设计时应优先保证橡胶层厚度值。与SBR相比,共混改性制备的复合橡胶SPB-N试块因其优良的自润滑性能,而具有更优越的低速性能。 (4)研究了粘-滑现象的产生机理及影响因素。通过试验设计,借助高速相机拍摄试块橡胶层随试验轴转动时的振动情况,编写相应的图像处理软件来提取追踪点的振动信息,以一种直观直接的方式研究了试块橡胶层粘-滑现象发生的规律。辅以正交试验法,研究了速度、比压、橡胶层的硬度、厚度、润滑条件等因素对水润滑橡胶轴承表面粘-滑现象的影响程度。结果显示,各因素对试验指标的影响按大小排序如下：润滑条件、比压、橡胶层硬度、橡胶层厚度,即在润滑充足下,增加橡胶层硬度,降低比压及橡胶层的厚度可以降低橡胶轴承的粘-滑效应。 (5)在舰船水润滑尾轴承试验台架上进行尾轴承摩擦性能和振动试验,分析了速度、载荷、橡胶层的硬度、材料的变化等对轴承摩擦性能的影响。测试结果与理论计算、试块试验结果比较接近,验证了相应的理论分析。