橡胶尾轴承的粘-滑行为与摩擦噪声之间的映射关系研究

Water-lubricated rubber stern tube bearings are the important supporting parts of the propulsion system of underwater vehicle (e.g. submarine). Its frictional noise, which generates under the low velocity or heavy load conditions, severely threats the survivability and concealment performance of the underwater vehicles. Stick-slip phenomenon, which generates on the wear surfaces of rubber stern tube bearings, is the main reason to generate frictional vibration and radiate noise. This study is aimed at investigating the stick-slip and frictional noise behaviours of the water-lubricated rubber stern tube bearing. Firstly, an integrated experiment platform is designed and developed to examine the stick-slip and frictional noise behaviours of the stern tube bearing rubber material online. Secondly, the simulation experiments are conducted to research the adhesion friction force and deformation behaviours of stern tube bearing rubber material during the wear process, and reveals the stick-slip mechanism. Meanwhile, the frictional vibration and noise signals are collected online, and combine with the fluid-solid coupling numerical simulation of the water-lubricated rubber stern tube bearing, the key characteristics of the frictional vibration and noise can be found. Thirdly, the mapping relations between the frictional noise and stick-slip behaviours are investigated to reveal the generation mechanism of frictional noise, and gain its key factors. Finally, we can obtain the methods of decreasing or avoiding the frictional noise of water-lubricated rubber stern tube bearing using reducing its stick-slip behaviours for increasing the mute level, survivability and concealment performance of the underwater vehicles.

水润滑橡胶尾轴承是潜艇等水下航行器推进系统的重要支撑部件，其在低速重载工况下辐射的摩擦噪声严重影响水下航行器的隐蔽性能和生存能力。橡胶尾轴承摩擦界面的粘-滑行为是产生摩擦噪声的主要原因之一。申请项目聚焦于水润滑橡胶尾轴承的粘-滑行为和摩擦噪声行为研究，设计研发实时监测橡胶尾轴承摩擦界面的粘-滑行为和摩擦噪声行为模拟实验台；进行低速重载工况下的模拟实验，探讨橡胶尾轴承粘附摩擦力的形成和粘-滑位移的特征，揭示粘-滑行为机理；实时采集摩擦振动和摩擦噪声信号，结合流固耦合数值计算，寻找水润滑橡胶尾轴承的关键振动和摩擦噪声特征；研究粘滑行为和摩擦噪声行为之间的映射关系，揭示摩擦噪声的产生机理，确定产生摩擦噪声的关键影响因素；最后，获得通过调控水润滑橡胶尾轴承的粘-滑行为达到减小或避免产生摩擦噪声的方法措施，为提升水下航行器的静音水平、提高其隐蔽性能和生存能力提供参考依据。

水润滑橡胶尾轴承是潜艇等水下航行器推进系统的重要支撑部件，其在低速重载工况下辐射的摩擦噪声严重影响水下航行器的隐蔽性能和生存能力。橡胶尾轴承摩擦界面的粘-滑行为是产生摩擦噪声的主要原因之一。经典理论认为粘-滑行为是两摩擦副之间的周期性粘附接触和剪切分离，并伴随着粘附接触过程中的能量累积效应和滑动过程中的能量耗散效应。同时，也改变着摩擦界面形貌。本研究聚焦于粘-滑过程中的摩擦界面塑性变形、摩擦振动、摩擦噪声，基于粘-滑行为在聚合物材料表面产生了垂直于滑行方向的平行条纹，探讨了摩擦振动的倍频现象以及摩擦噪声和摩擦振动的产生机理，对深入理解摩擦振动噪声行为和利用粘滑行为具有重要理论意义和实际应用价值。.首先，论文系统研究了载荷、滑动速度两个重要参数对尾轴承丁腈橡胶内衬材料的摩擦磨损性能（摩擦系数、表面粗糙度、质量磨损率和行程质量磨损率）的影响规律；通过对丁腈橡胶磨损表面和磨粒的考察，深入分析了摩擦副之间摩擦力的形成；进而探讨丁腈橡胶磨粒的形成过程。结果表明，丁腈橡胶与不锈钢盘之间以粘附摩擦力和滞后摩擦力为主；低速高载下，摩擦副之间主要以磨料磨损为主；高速轻载下，摩擦副之间主要以疲劳磨损为主。.其次，通过粘-滑现象在聚合物材料表面诱发垂直于滑动方向、平行的、有规律的条纹，探讨了载荷、速度、测试时间对条纹的影响规律。研究表明，摩擦力的增加，导致条纹高度增加；粘-滑行为的最大摩擦力、降幅和粘滑周期随速度增加而变小；与此同时，条纹的高度和周期长度同样随速度增加而变小；条纹有效地改善了聚合物在低速和低载工况下的自润滑性能。粘-滑行为在聚合物表面诱发条纹的现象，有望成为聚合物材料表面图形化处理的一种方法。.发现在滑移阶段，微观界面的粘附接触突然分离，摩擦力突然下降，波动增大，摩擦系统失稳，诱发振动噪声。通过检测摩擦噪声声压级发现，摩擦噪声的产生与粘-滑降幅有关，降幅越大，摩擦噪声越明显。采用二硫化钼和氧化锌纳米晶须改性复合材料，显著改善了摩擦表面的粘-滑行为，降低了摩擦系数和产生摩擦噪声的临界速度。.本研究的成果有利于对水润滑尾轴承的粘-滑行为和摩擦诱导振动噪声行为的深入理解，所开发的改性材料具有制备水润滑复合材料尾轴承的应用前景。