摘 要

尾管轴承是船舶动力推进装置中的重要组成部分，起着支撑船舶螺旋桨轴和维持船舶轴系稳定运行的作用。尾管轴承的摩擦性能和润滑性能对于船舶轴系的稳定性有着很大的影响，其使用寿命以及工作时的稳定性直接影响到了船舶航行时的安全性能。

本文聚焦于研究水润滑尾管轴承材料的振动行为对其摩擦学性能的影响规律，以聚合物为试验材料，选定试验工况为干摩擦和水润滑、载荷为30N、50N、70N、90N，频率为1HZ、2HZ、5HZ、8HZ为主要的试验参数，在Rtec多功能摩擦磨损试验机上进行室验，对在材料在不同工况下的摩擦系数和振动噪声进行记录，使用Adoble Audition CC、LabView2014、RtecViewer等软件对数据处理分析，得出以下结论：当试样的工作环境及所受载荷相同时，随着试样表面的相对滑动速度的增加，摩擦系数逐渐变大，噪声幅值增加。而当试样表面的相对滑动速度一定时，摩擦系数随载荷增加变化不大，但噪声出现的频率范围增加。水润滑能够降低试样表面的摩擦系数，且在试样表面的相对滑动速度较高时尤为明显。本文意在为水润滑尾管轴承材料的振动研究以及相关摩擦副的选择提供一定依据和参考价值。

关键词：水润滑；振动；摩擦系数；噪声。

Abstract

Stern tube bearing is an important part of the ship's power propulsion device. It plays the role of supporting the propeller shaft of the ship and maintaining the stable operation of the ship's shafting system. The friction performance and lubricating performance of the tail pipe bearing have a great influence on the stability of the ship's shafting system. Its service life and stability at work directly affect the safety performance of the ship during navigation.

This article focuses on the study of the effect of the vibration behavior of water-lubricated liner bearing materials on their tribological properties. Polymers were used as test materials. The selected test conditions were dry friction and water lubrication, and the loads were 30N, 50N, 70N, and 90N. The frequency is 1HZ, 2HZ, 5HZ, and 8HZ are the main test parameters. Laboratory tests are performed on the Rtec multi-functional friction and wear tester to record the friction coefficient and vibration noise of the material under different working conditions, using Adoble Audition CC, LabView2014, RtecViewer and other software data processing analysis, draw the following conclusions: When the working environment of the sample and the load is the same, with the increase of the relative sliding speed of the sample surface, the friction coefficient becomes larger gradually, and the noise amplitude increases. . When the relative sliding speed of the sample surface is constant, the friction coefficient does not change much with the increase of the load, but the frequency range of the noise increases. Water lubrication can reduce the coefficient of friction on the surface of the specimen and is particularly evident when the relative sliding speed of the specimen surface is high. This article is intended to provide a certain basis and reference value for the study of the vibration of the water lubricated liner bearing material and the selection of the relevant friction pair.

Keywords: water lubrication; vibration; friction coefficient; noise.

目录

第1章 绪论 1

1.1船舶水润滑尾管轴承的摩擦振动行为研究的目的及意义 1

1.1.1目的 1

1.1.2意义 1

1.2对船舶尾管轴承的振动行为研究的历史及发展 1

1.3国内外对船舶水润滑尾管轴承的摩擦振动行为的研究 2

1.4船舶尾管轴承振动噪声的产生 3

1.5总结 4

第2章 实验设备及应用软件的介绍与实验工况设计 5

2.1实验设备 5

2.2应用的软件 5

2.2.1Rtec介绍 5

2.2.2Adoble Audition CC介绍 7

2.2.3LabView2014介绍 10

2.3实验工况设计 12

2.4本章小结 12

第3章 实验数据的采集及整理 14

3.1实验过程 14

3.1.1环境噪声测试 14

3.1.2实验过程 16

3.2数据记录及预处理 17

3.2.1相同载荷下噪声与频率的关系 17

3.2.2相同频率下噪声与载荷的关系 19

3.2.3相同载荷、相同频率下噪声随润滑介质的变化 20

3.3本章小结 21

第4章 数据处理与分析 22

4.1相对滑动速度与摩擦噪声之间的规律 22

4.2 载荷与摩擦噪声之间的关系 24

4.3 润滑介质对摩擦系数和摩擦噪声的影响规律 25

4.4 噪声另外的表达方式 27

4.5 本章小结 28

第5章 结论与展望 29

5.1 结论 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1船舶水润滑尾管轴承的摩擦振动行为研究的目的及意义

1.1.1目的

水润滑的尾管轴承已经被广泛的用于船舶的推进系统，水润滑尾管轴承性能的优劣性直接影响到船舶本身，包括其安全性、航行、经济性等方面有着重要影响。而在军事方面，也要求到船舶的隐蔽性。水润滑尾管轴承在噪声的降低方面相对于其他的润滑方式更加明显，但其在噪声降低方面的研究很少，特别是在噪声产生方面的实验研究。而船舶在其不同的运行状态，尾管轴承的摩擦振动以及其摩擦噪声都是不同的，所以本文将以船舶不同的运行状态为基础，研究尾管轴承的摩擦振动与摩擦噪声之间的关系。

1.1.2意义

由于水润滑的尾管轴承早噪声降低方面相对的油润滑有着明显的效果，且在环境保护上也有着先天的优势（水润滑无污染），因此也来也多的船舶选择水润滑。对水润滑尾管轴衬摩擦振动行为的研究时，可以对尾管轴承的摩擦振动以及摩擦噪声产生的高频运行状态进行预知。当然，尾管轴承的振动和噪声的产生不仅仅取决于其运行状态，还包括尾管轴承的材料。在船舶的不同运行状态，例如：低速、重载、高速等，其振动频率方向也不相同。而不同的尾管轴承材料对尾管轴承的摩擦振动也有一定的影响，不同的材料会有不同的噪声频率，不同的振动方向。对不同状态下不同材料的尾管轴承的振动行为的观察，可以针对在某个运行状态下的轴承振动去设计出更加稳定的尾管轴承。

本文的研究意在为船舶尾管轴承材料以及摩擦副材料的选择上提供一定的参考价值，包括船舶的运行状态上给与一定的参考。

1.2对船舶尾管轴承的振动行为研究的历史及发展

在船舶尾管轴承的振动研究方面，在船用螺旋桨轴承新型低噪声的研究上发现了新的船用螺旋桨轴承低噪声水润滑材料的硬度和摩擦性能。针对水润滑船舶螺旋桨轴承的低噪声设计要求，采用纳米压电陶瓷材料制备了新型水润滑材料， 研究结果表明：新开发的邵氏硬度为85A的轴承材料的摩擦系数小于邵氏硬度为76A的轴承材料的摩擦系数。这种材料不仅具有较高的硬度，而且具有较好的摩擦性能，可以满足船舶螺旋桨轴承的低噪声设计要求^[1]。

在摩擦系数方面，在使用腈基复合材料增强碳纳米管作为船舶尾管轴承的材料时对其摩擦系数在不同条件下的水润滑状态进行研究，并且对其复合材料的机械性能进行测试，最后的结果表明：由于碳纳米管在腈基体上的有效增强和自润滑作用，在水润滑条件下，碳纳米管可显着提高丁腈橡胶的力学性能和降低摩擦系数。 随着压力的增加，腈/CNT纳米复合材料的摩擦系数在水润滑条件下降低，这是因为纳米复合材料的表面变形有利于水膜的成型。但随着水温的升高，腈/碳纳米管纳米复合材料的摩擦系数在水润滑条件下有所提高，这是由于工作膜较薄且真实接触面积增大所致^[2]。

在弹性流体动力润滑（EHL）条件下研究了表面形貌对摩擦噪声的影响。通过在金属盘样品的表面上进行激光纹理化来制造2种凹纹理表面形貌。摩擦噪声和不同表面形貌的摩擦特性在改进的JPM-1双盘摩擦测试仪上测试。分析了不同工作条件和表面形貌对线接触EHL条件下摩擦噪声的影响，并用有限元分析对结果进行了验证。研究结果表明当负载和转速的变化对线路接触摩擦噪声有显着影响。由于线路接点对通常在部分EHL条件下工作，所以摩擦噪声特性与干摩擦特性类似：具有较大摩擦系数的表面将辐射较强的摩擦噪声。具体的形貌可以改善表面的润滑特性，并有效降低摩擦噪声的声压级。凹槽纹理的存在可以中断接触区域的应力分布并减弱表面凹凸的影响，从而减少自激振动。同时，适当的表面形貌结构也有助于润滑油膜的形成，从而降低系统的摩擦噪音和摩擦能量^[3]。

而在橡胶材料方面，通过测量水润滑橡胶轴承的摩擦力矩，定量分析了平面型水润滑橡胶轴承的摩擦特性与主轴转速，轴承单元压力和旋转振动载荷之间的关系，建立了摩擦系数模型以正确预测系统在轴承摩擦激励下的振动响应特性。结果表明橡胶轴承的摩擦系数随着主轴转速的增加而减小;完全磨合后橡胶轴承的摩擦系数对主轴转速的变化比初始磨合期更敏感;充分磨合后，轴承单元压力对橡胶轴承的摩擦特性的影响比初始磨合期的影响小;旋转振动载荷对橡胶支座摩擦系数的影响发生在主轴的中间转速范围内^[4]。

1.3国内外对船舶水润滑尾管轴承的摩擦振动行为的研究

近几年来，国内外在船舶尾管轴承的摩擦振动行为研究上不是很多，但在摩擦振动方面的研究不少，J Nam^[5]等在降低噪声方面认为为了去除摩擦噪音，在清洁接触表面之后或者没有任何表面处理之后，通常在摩擦表面上施加润滑剂。随着摩擦的继续，两种情况下润滑性能都会下降，摩擦噪音会重新出现，但摩擦噪音的原因可能会有所不同。因此其最初研究了清洁或污染表面上的润滑剂下的摩擦噪音机理。在摩擦噪声测试过程中，测量了两种润滑情况下的振动和声压，摩擦系数的变化以及接触表面的特性。特别情况下，如通过SEM / EDS分析依次测量接触区域上的表面图像和化学状态。得到的结果表明，清洁表面润滑下的摩擦噪声是由润滑剂的减少引起的，从而导致摩擦系数的增加。对于受磨损表面污染表面的润滑，润滑剂会被磨损杂质混合和污染，然后在没有摩擦系数增加的情况下，摩擦噪音最终发生在摩擦速度曲线的负斜率上。

而在摩擦系数的变化方面，G Zhang 、Y Liu等研究了树脂浸渍和未浸渍的石墨在干燥，油和水环境下使用环形构造相对硬质合金滑动的摩擦行为。使用各种速度来记录摩擦系数，得到的结果是：浸渍石墨在水或油润滑条件下比未浸渍石墨表现出更好的摩擦性能，浸渍石墨在高压速率下仍能保持稳定的摩擦状态。基于扫描电子显微镜和拉曼光谱分析，浸渍和未浸渍石墨之间的不同特性可归因于石墨的结构和润滑剂的润湿性^[6]。

在尾管轴承的工作环境方面，Y Deng ，M Fang^[7]等对在不同温度下的30vol％碳纤维增强聚醚醚酮（CFRPEEK）在不同温度水润滑条件下对AISI 431钢摩擦学行为的影响。在不同的操作条件下在盘上盘式接触测试装置上进行摩擦和磨损测试。通过他们的研究发现：润滑剂温度对CFRPEEK滑动对AISI 431钢的摩擦磨损性能有显着影响。CFRPEEK的平均摩擦系数和磨损率随着润滑剂温度的增加而增加。然而，在不同的水润滑温度下，AISI 431钢的磨损率与CFRPEEK的磨损率没有正相关。此外，分别用环境扫描电子显微镜（ESEM）和光学显微镜成像CFRPEEK和AISI 431钢的原始和磨损表面。CFRPEEK对AISI 431钢滑动的主要摩擦学机制为粘着磨损，润滑剂温度升高可加速磨损。

1.4船舶尾管轴承振动噪声的产生

船舶的尾管轴承在船舶的推进系统中起着至关重要的作用，作为螺旋桨轴的支撑部件，对螺旋桨轴的功率传递效率的影响巨大。而船舶尾管轴承的摩擦振动的产生直接影响到尾管轴承的工作状态，因此对船舶尾管轴承振动的产生机理进行探究从而减少尾管轴承的振动变得越发重要。

通过船舶尾管轴承将船舶轴上的振动会传递到船体上从而引起船尾振动和噪声，同样船舶的各方面原因引起船体振动时，也会将振动传递到轴承上，从而使得船舶的安全性变得不稳定。为了减少尾管轴承振动就必须进行船舶尾轴对中，因为其重量和轴承保护的必要性。在尾轴对中的过程中，轴承高度的变化可能会导致每个轴承产生额外的负荷，改变轴承的刚度，影响轴的振动特性和轴承的传动力。

在船舶运行过程中，尾管轴承摩擦振动的产生可以分为两种情况，一种是通过尾管轴承与尾轴相互撞击而产生的噪声，另外一种情况就是尾管轴承与尾轴在正常状态下相互摩擦而产生的噪声。第一种情况是发生在当船舶的尾管轴承与尾轴之间出现较大间隔是产生，而较大间隔的产生一般是尾管轴承或尾轴出现严重磨损是产生，所以当这种情况产生时，应该对尾管轴承进行更换或使用新的尾轴。而第二种情况为船舶运行时的正常情况。在正常情况下，尾轴与尾管轴承之间的摩擦振动的影响因素很多，例如在载荷不同时，船舶尾管轴承与尾轴之间的载荷（也就是摩擦学中的压力F）不同，可以想象，在高载荷时，两者之间的载荷也会增高，从而使得两者之间的摩擦力增加，从而使得尾轴产生的横向振动增加。而在转速较低的时候，尾轴与尾管轴承之间的摩擦面积由于低转速而增加，此时，由于接触面积的加大也会导致摩擦力的增加，从而增加摩擦力。而当尾轴高速运转时，摩擦面积减少，此时其摩擦力较低速时降低，摩擦力降低而振动变小。

1.5总结

总的来说，相对于火车与汽车方面在摩擦振动上面的研究来说，船舶方面的研究在国内相对较少，而船舶尾管轴承的研究则更加匮乏。但作为船舶推进系统的主要部件，其材料性能，工作状态以及环境条件对其性能的影响极为重要，因此对船舶尾管轴承摩擦振动行为的研究在发展上有可观的前景。

可以看见，随着时代的更换，科技的发达，对船舶尾管轴承的摩擦振动行为的就方法日新月异，从国内外研究人员对水润滑尾管轴承的大量实验及研究理论来看，尾管轴承的摩擦振动行为的研究还应该更加深入的进行。目前的研究成果已经取得了一定成就，给后面研究的人指引了研究方向。

第2章 实验设备及应用软件的介绍与实验工况设计

2.1实验设备

在此次毕业设计（论文）中所用到的实验设备包括：抛光机、多功能摩擦磨损机、ICON MicU、Superlux/舒柏乐S241/U电容录音麦克风等。会在下面内容介绍其用处及功能。

抛光机是用来对实验试样的实验表面进行打磨，得到合适的实验表面，从而在实验时能得到合适的数据。ICON MicU、Superlux/舒柏乐S241/U电容录音麦克风两者是在实验时对声音的录取所需要的设备。本实验的主要仪器是多功能摩擦磨损机，所有的实验都是在此机器上进行的。

2.2应用的软件

在本次的实验及数据处理过程中所用到的软件有Rtec等软件。其中Rtec是多功能摩擦磨损机所携带的软件，主要用于对实验时摩擦系数的记录，而Adoble Audition CC则是在实验时作为声音录制的终端对实验时所获得的声音数据进行记录。LabView2014是对所得到的声音数据进行数据处理。

2.2.1Rtec介绍

Rtec作为多功能摩擦磨损机的携带软件是对摩擦系数的实时记录，也是在实验时能对多功能摩擦磨损机进行载荷和频率的设定而不需要手动加载，大量的节省了试验时间。在数据记录时能通过设定达到每秒钟500次的数据记录。使得实验数据更加精确与接近实际。

Rtec中还有另一个数据的处理软件RtecViewer，是一个可以将数据整合和滤波的软件，具体的使用如下。

图2.2.1RtecViewer开启页面

如图2.2.1所示是RtecViewer的开启页面，可以通过“Open”按钮打开我们所需要的数据，数据是我们保存在自己所建立文件夹里，在需要同时将2个或多个数据一起整合时则需要通过开启页面的“Add”按钮添加文件。

图2.2.2RtecViewer添加文件页面

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