低速重載滑動軸承摩擦性能試驗研究

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.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064；3.渤船造船廠，遼寧 葫蘆島 125004)

低速重載滑動軸承在重載、低速、往復擺動和間歇運動頻繁、泥海水環境條件下工作，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。低速轉動時容易產生間歇性振動現象，影響設備聲學性能。為了研究滑動軸承摩擦振動特性，并提供有效的軸承設計及振動噪聲控制方法，文獻[1]對不同結構參數的水潤滑橡膠合金軸承摩擦噪聲進行了研究，提出平面型摩擦面的結構可以大大減少軸承出現摩擦噪聲的可能性，設計半徑較大的水槽、平面形摩擦面以及選擇摩擦因數較小的摩擦副材料都可減少軸承系統產生摩擦噪聲的可能性。文獻[2]對板條結構參數對水潤滑橡膠軸承摩擦噪聲的影響進行了研究。另外，文獻[3]通過對不同硬度軸承的試驗，發現硬度較低的滑動軸承產生振動時，其振幅高于硬度較高的軸承。在機理研究方面，文獻[4-5]針對水潤滑橡膠軸承建立了一個非線性的雙自由度模型，提出摩擦噪聲的發生主要取決于摩擦速度曲線的斜率值。文獻[6]對TiNi合金、45#鋼與軸承鋼摩擦副配對干滑動摩擦噪聲進行了對比研究，結果表明TiNi合金可以降低摩擦噪聲。文獻[7]對金屬往復滑動摩擦噪聲的機理進行了研究，認為滑動表面在不規則的犁溝或粘著凸體形成區域存在摩擦力動態分力，當動態分力與系統自然頻率接近時，即發生摩擦振動，其與文獻[8-9]的粘著-滑動機理、摩擦力-相對滑動的負斜率機理不盡相同。

文中滑動軸承運行在低速(轉速低于1.2 r/min)重載(徑向載荷為200 kN)的特殊工況下，為了解決其較易發生摩擦振動噪聲的問題，在原有滑動軸承摩擦副的基礎上，選用新型潤滑脂進行潤滑，并對2種不同材料及潤滑槽結構的滑動軸承進行試驗對比分析，以獲得抗摩擦振動性能較好的滑動軸承。

1 試驗原理

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)。摩擦因數試驗試樣取Z1和Z2各1套；摩擦力矩特性試驗試樣取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，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聚合物。

滑動軸承襯套材料為ZCuAl9Mn2，內徑500 mm，寬550 mm，斜槽和潤滑槽尺寸為10 mm×8 mm×5 mm，12對潤滑槽均勻分布于軸承內表面。

1.2 摩擦因數試驗

摩擦磨損試驗在UMT-3摩擦磨損試驗機(圖1)上進行，配對的2種摩擦副材料在試驗機上做往復摩擦運動。試驗機傳動方式為偏心齒輪帶動連桿驅動摩擦副夾具(圖2)做振幅5 mm、頻率2 Hz正弦波形式的相對往復運動，2種摩擦副材料浸泡在海水中，加載力為360 N。

圖1 試驗機及測試組件

圖2 試驗機傳動部件

1.3 摩擦力矩特性試驗

試驗原理如圖3所示。圖中，電液伺服閥主要控制擺動液壓缸使主軸按既定要求做旋轉運動，溢流閥用以調節電磁換向閥的進口壓力，從而模擬施加不同載荷。在電液伺服閥最大開口的情況下，逐步調節伺服閥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缸，使其按正弦角速度轉動，可得出正弦運動摩擦力矩和相對滑動角速度關系曲線。通過對支承軸承與試驗軸承的振動測試，可得出試驗軸承在不同條件下的臨界爬行角速度。

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

2 結果與分析

2.1 摩擦因數試驗

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

圖4 摩擦因數試驗曲線

從圖4可以看出：巴士合金軸承材料使用原潤滑脂時摩擦因數為0.18，不穩定，使用新型潤滑脂時摩擦因數為0.09，小于前者且較穩定。

2.2 摩擦力矩特性試驗

2.2.1 由靜至動時摩擦力矩特性曲線

由靜至動時4種試樣的摩擦力矩特性曲線如圖5所示。

圖5 由靜至動時摩擦力矩特性曲線

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

2.2.2 正弦運動摩擦力矩特性曲線

轉軸向下分別施加50，100，150 kN的載荷，試驗軸以角速度6 deg/s、周期40 s做正弦運動，角速度-摩擦力矩試驗曲線如圖6～圖8所示。

從圖6可以看出，Z1，Z2及Z3滑動軸承副摩擦力矩特性相近。圖6b中，Z2滑動軸承副在2.5和3.5 deg/s附近存在摩擦力矩與角速度的負斜率關系；Z1和Z3滑動軸承副在3.5 deg/s附近存在摩擦力矩與角速度的負斜率關系；Z4滑動軸承副存在多個負斜率較為明顯區域。

圖6 50 kN時摩擦力矩特性曲線

圖7 100 kN時摩擦力矩特性曲線

圖8 150 kN時摩擦力矩特性曲線

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

根據摩擦力-相對滑動的負斜率機理[9]可知，低載荷情況下Z1，Z2，Z3滑動軸承在2.5～3.5 deg/s附近時易出現爬行;載荷大于150 kN時，Z1在3.5 deg/s出現爬行，Z3在3 deg/s附近較易出現爬行，而Z4更易出現爬行。

2.3 臨界爬行角速度試驗

轉軸向下分別施加50，100，150，200 kN的載荷，使轉軸以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，與摩擦力矩曲線負斜率較大時對應的角速度相近。對于MGB軸承，斜槽結構的臨界爬行角速度高于直槽結構。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 結論

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

2)直槽結構的滑動軸承的摩擦力矩、臨界角速度均小于斜槽結構。

3)MGB軸承臨界爬行角速度低于巴士合金軸承，抗摩擦振動性能較好。