摩擦激励下螺旋桨推进轴系弯扭耦合振动研究

    0 前言

    舰艇螺旋桨推进轴系中，艉支承多采用水润滑橡胶轴承。螺旋桨、轴系的自重以及不良的轴系对中状态使艉轴承成为轴系中负荷最大的支承[1]。在开、停机以及低速重载工况下，过大的负荷往往会破坏轴颈与艉轴承间良好的水膜润滑状态[2]，使其落入“边界润滑”或“混合润滑”区域，促使轴颈与轴承直接接触，并加速橡胶轴承的磨损[1]。无明显外激励条件下，系统仍可能产生异常振动、噪声，严重影响舰船的隐身性能[3]。

    对螺旋桨推进轴系摩擦诱导振动、噪声的研究多集中于水润滑轴承摩擦机理、承载机理和润滑机理的一般性试验研究[1, 4-6]以及轴承中异常振动、噪声的针对性试验测试[7-9]。大多数研究者从黏滑运动的角度解释摩擦噪声[7-9]，认为水润滑轴承-轴颈摩擦副的固有特性是引起推进轴系振动噪声的根本原因。文献[10]则认为单纯将摩擦噪声看作界面行为是片面的，轴承啸叫、颤振是轴承-轴颈摩擦特性与轴系系统特性相互作用的结果。实际上，对于诸多的摩擦诱导振动问题，如制动噪声[11]、车床摩擦振荡[12]以及钻杆的颤振[13]，从非线性摩擦和轴系整体动力学耦合的角度解释摩擦噪声的成因机制已被广泛接受[14-15]。

    国内外关于螺旋桨推进轴系摩擦诱导振动理论研究的文献报道较少，国内尚鲜有相关研究报道。KRAUTER[10]利用 3 自由度模型模拟艉轴承处轴颈扭转振动与界面摩擦的耦合，研究指出自激振动的原动力为摩擦负阻尼，形成机制为系统模态失稳。SIMPSON 等[16]利用 2 自由度模型模拟摩擦作用下艉轴承-轴颈系统的动力学行为，分析了物理参数对系统稳定性的影响规律。文献[10, 16]定性给出了推进轴系摩擦扭转自振的基本规律，但分析模型局限于轴承处的局部结构。再者，模型中法向接触载荷被设为常量，而实际上由于转轴涡动运动的存在，法向载荷是波动量，或者说，摩擦-扭转-横向振动耦合作用客观存在。尤其是在无法形成良好水膜的低速重载状况下，这种耦合将体现地更为强烈。因此过于简化的集总参模型无法详尽地呈现摩擦激励下实际轴系的整体非线性动力学行为和特征。

    鉴于此，本文以一类低速重载螺旋桨推进轴系为研究对象，分析了非线性摩擦-扭转振动-横向振动的耦合作用，建立了推进轴系摩擦诱导振动的非线性动力学模型，并通过数值计算研究了摩擦自激振动与系统物理参数的匹配性机制，为螺旋桨推进轴系异常振动、噪声机理研究提供了新思路。

    1 摩擦-扭转振动-横向振动耦合