水润滑橡胶轴承振动噪声特性分析

ｙ — Ｍ Ｍ
有 限元 方 法求解 得 到 系 统 的 复 特征 值 ， 据 特 征 值 根 的实部 说 明 系统是 否稳定 ： 实部 是正 值 ， 应 的虚 若 相 部被认 为 是可 能发 生 的摩擦 噪声 的频 率 ； 模 态 具 若
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其 中， ］［ ］ ［ ］ ［ 、ｃ 和 Ｋ 分别 为 系统 的 质量 矩 阵 、 阻尼矩 阵和 刚度 矩阵 ； 是 位 移 向量 ； 阵 ［ 】 ｛ ｝ 矩 是
于 动摩擦 力 时 ， 能导致 摩 擦粘 滑效 应 ， 生振 动 噪 可 产 声； 当摩擦 力 随运 动速度 的增 加 而减小 时 ， 擦 系数 摩 为 负斜率 ， 能激 发运 动部件 产生 自激 振动 ； 可 当运动 部件 的不 同固有频 率靠 近 时 ， 摩擦 力 能使模 态耦 合 ， 激发 强烈 振动 而产 生 噪声 。 目前 被大 多数 人应 用于 实 际工程 问题 的 机理 为 模 态 耦 合 机理 ， 即摩 擦 噪声
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水润 滑橡 胶轴 承 工 作介 质 为 水 ， 低 速重 载 运 在 行 时不 易 建 立 润 滑 … 。 由 于橡 胶 材 料 有 一 定 的 弹
第３ ０卷 ， 总第 １５期 ７ ２１ ０２年 ９月 ， ５期 第
《节 能 技 术 》
ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳ ＥＲＶＡＴＩ ＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ． ０， ｕ １ ３ Ｓ ｍ．Ｎｏ ７ ．１ ５
Ｓ ｐ ｅ ｅ ． ０１ Ｎｏ ５ ｅ ｔｍｂ ｒ ２ ２， ．
水 润 滑 橡胶 轴 承 振 动 噪 声特 性 分析
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关键词 ： 润滑橡胶 轴 承 ； 动噪 声 ； 态耦 合 水 振 模 中 图分 类 号 ： ６ ４ ２ Ｕ ６ ．１ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ２— ３ ９（ ０ ２ ５— ３ ２— ５ １０ ６ ３ ２ １ ）０ ０ ９ ０
Ａｎ ｌｓｓｏ ｉｔｏ ｌＮｏｓ ｆＷ ａ ｅ ｂｒｃ ｔ ｄ Ｒｕｂ ｒＢｅ ｒｎｇ ａ ｙ ｉ ｆＦｒｃｉ ｎａ ｉｅ ｏ ｔ ｒ Ｌｕ ｉａ ｅ ｂｅ ａ ｉ ｓ
性 和非线 性特性 ， 在低 速 、 载 时 ， 往 工作 在 边 界 重 往 润滑状态 ， 成轴 ～轴承之 间的运动 不连续 ， 而 出 造 进 现摩擦 振动 和噪声 。２ Ｏ世 纪 ７ ０年 代 开始 国外 就对 水 润滑 轴承摩 擦导 致 的振 动 噪声 问题 进行 研 究 ， 结 果表 明该振 动噪声 特性 与轴 一轴承 组成 的摩擦 系统
ｓ ｆｗａ ｅ，ａ ｄ ｔ ｅｔ ｎ ｅ ｃ ｏ ｉ ｔ ｂ ｌ ｙ ｉ ａ ｏ ｓｃ ｎ ｉｉｎ ｓｇ ｉ ｅ ｏｔ ｒ ｎ ｈ ｅ ｄ ｎ ｙ ｔ ｎｓａ ｉ ｔ ｎ ｖ ｒ ｕ ｏ ｄ ｔｏ ｓｉ ａｎ ｄ．Ｉ ｒ ｅ ｏ ａ ｌｚ ｈ ｍｐ ｃ ｎ ｉ ｉ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｎａｙ ｅ ｔ ｅ ｉ ａ ｔｏ ｖｂ ａｉｎ ｎ ｉｅ ｏ ｔｒｌ ｂ ｃ ｔ ｄ ｒ ｂ ｅ ｅ ｒｎｇ，ｔ ｉ ａ ｅ ｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｅ ａ ａｙ ｉ ｆｔ ｅ ｉ ａ ｔｏ ｈｅ ｉ ｒ ｔｏ ｏ ｓ ｆｗａｅ ｕ ｒ ａｅ ｕ ｂ ｒｂ ａ ｉ ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒｆ ｃ ｓ ｓｏ ｈ ｎ ｌ ｓｓｏ ｈ ｍｐ ｃ ｆｔ ｒ ｂ ｒｍａｅ ａ ’Ｓ ｆｉｔｏ ｏ ｆｉ ｉｎ 。ｅａ ｔｃ ｍｏ ｕ ｕ ｕｂ ｅ ｔ ｒ ｌ ｒｃｉ ｎ ｅ ｅｆｃｅ ｔ ｌ ｓｉ ｄ ｌ ｓ．ｄｅ ｓｔ ｎ ｈ ｈ ｃ ｎｅ ｓ ｏ ｕ ｅ ａ ｅ ． Ｔｈ ｉ ｎ ｉ ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ｉｋ ｓ ｆ ｒ ｂｂ ｒ ｌｙ ｒ ｙ ｅ ｇ ｅ ｔ ｒｔ ｒｃｉ ｎ ｃ ｅ ｃ ｅ ｔ ｈ ｒ ｂ ｏｕ ｅ ｉ ｓａ ｉｉ ｅ ｏ ｉ ｃ ｅ ｓ ｒ ａｅ ｈｅ ｆｉｔｏ ｏ ｆ ｉｎ ，ｔ ｅ ｍｏ ｅ ａ ｓ ｌ ｔ ｎ ｔｂ ｌｔ ｔｎｄ ｔ ｎ ｒ ａ ｅ，ｒ ｓ ｌｉ ｇ ｉ ｈ ｎ ｒ ａ ｅ ｉ ｙ ｅ ｕ ｔｎ ｎ ｔ ｅ ｉ ｃ ｅ ｓ ｄ
曼 心
（） １
式（ ） １ 由于 引 入 了 摩 擦 力 的 作 用 ， 系统 运 动 该 方程 的质量 矩 阵项 与 刚 度矩 阵项 都 为非 对 称 矩 阵 ，
因此该 系 统 的特 征 值 可 能为 复 数 ， 以通 过模 态 分 可
析得 到该 系统 的 特征 值 。在 进 行 模 态分 析 前 ， 进 需 行非线 性 静力分 析 ， 以确定 系统 稳态 滑动 的状态 ， 并
接 触 面间 的非对 称 接触 摩 擦 耦 合 刚度 矩 阵 ， 耦合 它 了接触 面之 间 的法 向相 对位 移和 切 向摩 擦力 。 由于 ［ 是非 对 称 矩 阵 ， 得 上 式 中的 刚度 项 Ｋ］ 使
Ｏ
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有非 正实 部 ， 该 阶模态 将被 认为 是稳 定 的。 则 １２ 水润 滑橡胶 轴承 振 动噪声 数 学模型 ． 水 润滑 橡胶 轴承 系统 可简 化为 如 图 １ 所示 的 四
自由度 的轴 一 承模 型 。 轴
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也 是非 对称矩 阵 。从 物 理 意 义上 讲 ， 刚度 矩 阵 的不 对称 达 到一定 程度 时 ， 可能 导 致 系 统 内部 的能 量馈
作者简 介： 王隽 （９ ６～） 男 ， １７ ， 高级工程 师 ， 主要 从事船舶 轴系
传 动研 究 工 作 。
・
３ ２・ ９
胶轴 承 振动 噪声 特性 的影 响 。
根据 上述模 型得 到水 润 滑橡胶 轴承 系统 的 四 自
由度运 动 方程 （ ） １。
１ 水润 滑橡胶 轴承 振动噪声 机理 和数 学模型
是 由摩擦 耦合诱 发 和轴 承 系统 中各部 件 的模 态 参数
匹配 不 当引起 的 系统 不 稳 定 现 象 ， 而 产 生 自激 振 从
动 ］ 。
得到那 些要 被 添加 到质量 、 刚度 矩 阵的耦合 项 。
在 四 自由度 模 型 的基 础 上 ， 轴 承系 统做 如 下 对
简化 ： 惯性 力对 轴 一轴 承 接 触 面 问法 向力 的影 响远
１ １ 水 润滑橡 胶轴 承振 动 噪声机 理 ． 水 润滑橡 胶轴 承 的振 动噪声 主要 是轴 和轴 承之 间的摩擦 产 生 的。 目前 摩 擦 噪 声 机理 主要 有 ： 张弛
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振动 机 理 、 擦力 一速 度 曲线 负 斜 率 机 理 以及 摩 擦 摩 噪声 的模 态耦 合 机理 ｊ 当运 动界 面静 摩 擦 力大 。
文应用 模 态 耦Ｏ Ｏ 理 分 析水 润 滑 橡 胶 轴 承 振 动 噪 合 机 ０ Ｍ
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声 ， 用 复模态 分 析 方 法 求解 。复模 态分 析 是 通 过 并
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王 隽 杨 ， 俊 张雪冰 周 ， ， 忆 肖 ， 武汉 科 ４０６ ３ ０ ４； ４０ ３ ） ０ ０ ０ （． １ 武汉 第二船 舶设 计研 究所 ， 湖北
２ 重庆 大学 机械 传动 国家重点 实验 室Leabharlann Baidu， ． 重庆 摘
要： 用 Ａ Ａ Ｕ 应 Ｂ Ｑ Ｓ有 限元 分析软 件 建立 了水 润滑 轴承 的振 动 噪 声分 析 模 型 ， 获得 了不 同
ｏ ｃ ａ ｉ ｌ ｒｎｍｉ ｉｎ Ｃ ｏ ｇｉｇＵ ｉｅｓｙ ｈｎ ｑｎ ０ ０ ０， ｈ ａ ｆ Ｍｅｈｎｃ ａ ｓ ｓ ｏ ， ｈ ｎｑｎ ｎｖｒｉ ，Ｃ ｏｇ ｉｇ４ ０ ３ Ｃ ｉ ） ａＴ ｓ ｔ ｎ
Ａｂｔａ ｔＴ ｅｖ ｒｔ ｇｎ ｉ ｏｅ ｏ ａ ｒｕ ｒ ａｅ ｅｒ ｇｉ ｅｔｂｉ ｅ Ｂ Ｑ Ｓｆ ｉ ｎ ｌ ｉ ｓｒｃ ：ｈ ｉ ａ ｎ ｏｓ ｍ ｄ ｌ ｆ ｔ ｂ ｃｔ ｂ ａ ｎ ｓ ｌｈ ｄｉ Ａ Ａ Ｕ ｎｔ ａａｙ ｓ ｂ ｉ ｅ ｗ ｅｌ ｉ ｄ ｉ ｓ ａ ｓ ｎ ｉ ｅ ｓ
小 于 弹性力 的影 响 。这样水 润 滑橡胶 轴承 系统 的动
力 学方 程可 表示 为 ［ ］ ｛ ｝＋［ 】 Ｃ｛ ｝＋（ Ｋ 一［ 】 ｛ 【］ ） ｝＝ ｛ ｝ ０ （） ２
水 润 滑橡胶 轴 承系统 的稳 定性 不仅 取决 于结 构 固有特 性 ， Ｏ Ｏ Ｍ Ｏ 胶 之 间 的耦 合 关 系 。本 还取 决 于 轴 和橡
ｐ ｓ ｉ ｌｔ ｆ ｆｉｔｏ ｏ ｓ ． Ｌｅ ｓ ｄ ｎｓ ｕ ｂｅ ａｅ ｉｌ ｉ ｔ ｂ ｌ ｙ ｔ ｎ ｓ ｏ ｓ ｌｅ ｂｓ ｌ ｔ ｖ ｌ ｅ ａ ｄ ｏ ｓｂｉ ｙ ｏ ｒｃｉ ｎ ｎ ｉｅ ｉ ｓ ｅ ｅ ｒ ｂ ｒ ｍ ｔｒａ ｎｓａ ｉｉ ｅ ｄ ｔ ｍａｌ ｒ ａ ｏ ｕ ｅ ａ ｕ ｎ ｔ
收 稿 日期
２１ ０ ２—０ ２ ４— ５
修 订 稿 日期
２１ ０ ０ ２— ７—１ ９
基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目（ １７ ５ １ ； ５ １５ ２ ） 教育部“ 长
江 学 者 和 创 新 团 队 发展 计 划 ” Ｉ Ｔ ７３） （Ｒ ０ ６
密切相 关 ， 其是 摩 擦 副 材料 的性 能 和结 构 。本 文 尤 将重 点分析 橡胶材 料特性 和橡 胶层 厚度 对水 润滑橡
条 件 下橡 胶 轴承 的失稳倾 向 ， 重点分析 了橡 胶材 料 的摩擦 系数 、 弹性 模 量 、 密度 和 橡胶 层 厚 度 对 水 润滑橡胶 轴 承振动 噪 声的影 响 。研 究结 果表 明摩擦 系数越 大， 失稳倾 向绝 对值增 大 ， 生摩擦 噪 声 产 可能性 增 大 ； 密度 较 小的橡胶 材料 失稳倾 向的绝 对值较 小 ， 利 于减 小轴 承 系统 的摩擦 噪 声 ； 有 而减 小橡胶 层厚 度也 有利 于减 小摩 擦噪 声 ， 为水 润滑橡胶 轴承 材料 选型和 结构优 化提供 了参考 和借鉴 。