0 引　言

随着石油等能源的日趋紧张，清洁能源的使用越来越被人们所重视^[1]。船舶水润滑尾轴承是推进轴系的关键部件，在行驶过程中受到高载荷、低转速、润滑不良等因素的影响，存在产生异常振动噪声等问题，影响船舶轴系的安全和寿命^[2]。

丁腈橡胶表现出优异的化学稳定性、耐水性、耐磨性，其高弹性能有效降低振动，在船舶领域广泛用于制造水润滑尾轴承^[3]。橡胶材料的低模量、高弹性及低速时的高摩擦系数使得轴承与轴颈之间的摩擦系数增大，产生异常振动和噪声^[4]。超高分子量聚乙烯具有较好的自润滑性能，但不耐磨，不适合尾轴承长时间复杂工况运行的要求，利用上述2种材料的性能优点，制备符合水润滑尾轴承工作要求的高性能合物材料，开展丁腈橡胶与超高分子量聚乙烯的共混改性研究。Yan等^[5]制备了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）/石墨/丁腈橡胶（NBR）复合材料，在船舶水润滑尾轴承试验台上进行摩擦学试验，研究了复合材料摩擦学性能和振动性能。曹源^[6]以丁腈橡胶为基体，通过添加不同量地超高分子量聚乙烯（12%、50%、100%）制得3种复合材料，发现一定添加量的超高分子量聚乙烯可明显改善丁腈橡胶水润滑轴承的摩擦学性能，最佳添加量为丁腈橡胶量的50%。Orndorff^[7]在丁腈橡胶中加入UHMWPE、石墨等填料共混改性，研究发现该新型橡胶能有效降低水润滑尾轴承地摩擦因数和磨损量。黄健^[8]通过以超高分子量聚乙烯为基料，向基料中加入超高分子量聚乙烯质量的0%、12%、50%、100%的丁腈橡胶粉末，研究不同比例橡塑共混材料的水润滑摩擦学特性，研究结果表明向超高分子量聚乙烯基料中加入50%的丁腈橡胶共混材料具有优异的摩擦学性能和优良的综合性能。

水润滑尾轴承的作用是支承螺旋桨轴，由于螺旋桨轴悬伸布置且螺旋桨重量大，水润滑尾轴承在长期承受尾轴螺旋桨结构应力下尾轴承的变形随时间的增加而缓慢增加，进而发生蠕变现象，加剧了轴承的振动^[9]。Luo等^[10]等提出了与时间相关的超弹性本构模型，以哑铃形橡胶试片为研究对象，对其进行应力松弛和蠕变试验，基于试验结果识别相应的参数，该模型能较准确地预测哑铃形橡胶试片和橡胶隔振器的蠕变特性。周亚博等^[11]考虑了橡胶轴承材料蠕变特性，建立了水润滑轴承的无限长线接触模型，通过蠕变模型，分别得到了橡胶蠕变对润滑膜压力和膜厚的影响，得到润滑膜的压力均随着蠕变时间变小，润滑膜厚随着蠕变时间变大的结论。Johann等^[12]分析了蠕变对摩擦接头耦合叶片非线性振动的影响，提出一种非线性模态特性的分析方法，得出蠕变不仅会导致接触预载的减小，而且对非线性振动行为有更为复杂的影响。Leng等^[13]对橡胶因蠕变而失效等问题开展研究，建立了一种能描述橡胶材料和橡胶振动系统的非线性蠕变行为的蠕变本构模型，该模型能够预测橡胶振动系统的蠕变性能。Angiolo F等^[14]考虑三维非线性粘弹性模型，基于0ldroyd导数、Jaumann导数和Cotter-Rivin导数，研究了附着在速率型粘弹性弦上质量的有限振幅水平振动运动。

截止到目前，对于水润滑橡塑共混材料尾轴承因蠕变行为导致船舶出现异常振动的原因机理尚不明确。本文以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）为基体添加基体材料质量50%的丁腈橡胶（NBR）粉末制成的橡塑材料为研究对象，在自主制造的能够实时监测试块蠕变应变量的试验台上，开展在不同工况下计入蠕变效应前后的振动特性试验，与丁腈橡胶轴承试块和超高分子聚乙烯轴承试块在相同工况下的振动特性对比。研究50% NBR添加量的橡塑轴承材料振动性能是否优良，探究发生蠕变效应前后橡塑轴承材料振动特性的影响规律，为开发共混新型水润滑轴承材料减振机理提供参考。

1 试　验 1.1 试验设备与方案 1.1.1 试验设备

如图1所示，蠕变振动特性试验在自主研制的环块摩擦磨损试验台上进行，该实验台由稳定平台、驱动系统、加载系统、测量装置、数据采集系统、对磨副和中间连接结构组成。可以采集记录环块摩擦试验的摩擦学特性、振动噪声和位移变化量等各项综合性能技术指标。

试验轴承穿过水箱，采用橡胶密封圈密封，由2个滚动轴承支撑，通过中间加载装置对轴承试块进行动态加载。在轴承试块和加载装置之间安装拉压力传感器，另一端连接显示仪表监测实际载荷，直线轴承上端布置IEPE压电式加速度传感器，测量垂向方向的振动加速度信号。在夹具上方垫片安装中航ZH-21型电涡流位移传感器，通过监测垫片的位移变化量间接监测试块的形变量，获得轴承试块的实时蠕变应变值。扭矩转速传感器连接东华动态信号采集分析系统（DHDAS），监测并记录转速和扭矩信号实时变化曲线。试验台所用传感器基本参数如表1所示。

1.1.2 试验材料

北京化工研究院研制的丁腈橡胶具有极细的粒径，仅有100 nm，在共混过程中能够使橡胶粒子完全分散，适用于与其他高分子材料共混，因此选择纳普VP-401（密度为0.3～0.5 g/cm³，凝胶含量 > 85%），超高分子量聚乙烯同样选择粒径较小，相对分子量较高的GUR-4150（相对分子量为9.20×10⁶、粒径为120 μm、特性粘度为3000 cm³/g、粘度系数为3700 cm³/g）。丁腈橡胶和超高分子量聚乙烯共混物的制备流程如图2所示，具体的制备工艺如下：

1）粉末处理。采用120目和60目的筛网分别对超高分子量聚乙烯粉末和丁腈橡胶粉末过筛，对过筛的粉末烘干处理。

2）搅拌共混。将粉末按照表2中的份数进行称重配比，倒入高速搅拌器中进行搅拌共混，转速为35000 r/min，时间为30 s，冷却后重复搅拌3次。

3）高压成型。将共混后的粉末倒入模具中，加压30 MPa，持续20～30 min，保证里面空气完全排出。

4）高温硫化。采用平板硫化机（XLB-400×400，武汉华鑫昌轻工机械有限公司）进行高温硫化成型，上下温度200℃，压力为10 MPa，时间30～40 min。

5）定型切割。加热后，持续加压冷却，将成型的材料进行切割，试块尺寸为6.5 mm×10 mm×15.5 mm。

试验采用的摩擦副为铜环（ZCuSn10Zn2），外径为35 mm，宽度为10 mm，主轴穿过铜环，采用铜环套筒和紧缩螺母进行固定，防止试验过程发生移动。

1.1.3 试验设计

为能够完整考察水润滑尾轴承产生蠕变行为后的振动特性，对不同材料的水润滑尾轴承在不同载荷下进行蠕变振动特性试验，在试验开始前将试块分为2个部分，一部分根据船舶实际运行工况设置参数开展振动特性试验，一部分开展蠕变试验，参照《ASTM D2990-17 Standard Test Methods for Tensile, Compressive, and Flexural Creep and Creep-Rupture of Plastics》标准进行压缩蠕变，蠕变试验后记录应变蠕变值和蠕变前后试块的质量变化。为保证试验试块摩擦系数不会在短期内大幅度进行变化，轴承试块装载完毕后先进行10 min的磨合试验。试验载荷分别设置25 N（0.380 MPa）、40 N（0.611 MPa）、55 N（0.840 MPa）、70 N（1.069 MPa）4个载荷，主要考察转速范围30～1200 r/min内的振动试验，每个转速工况下运行2 min，获取较为可靠的摩擦振动等数据信息，试验程序如图3所示。

因自主制造的环块摩擦磨损试验台架采用环块的摩擦副形式，是针对单一试块进行测试来反应轴承材料的整体情况，在轴承试块中，载荷不均匀分布，主要受力部位所承受的载荷约为总载荷的0.28787，因此比压p计算方式中的修正系数取0.28787，如下式：

$ p = {F \mathord{\left/ {\vphantom {F {(\alpha dl)}}} \right. } {(\alpha dl)}}。$

(1)

式中：$p$为轴承比压，${\rm{Pa}}$；$F$为施加的载荷，N；$\alpha $为修正系数取0.28787；$d$为轴颈直径，$ \mathrm{m} $；$l$为尾轴承试块长度，$ \mathrm{m} $。

1.2 蠕变结果分析 1.2.1 蠕变试验结果分析

如图4所示为丁腈橡胶、超高分子量聚乙烯、UN50这3种试块在相同载荷作用下，应变随时间变化的曲线图，3种材料的应变均随着载荷的增大而增加，随时间的增长呈现上升趋势。在前3600 s时间里，蠕变速率最大，3种材料的形变量均变化较快，以70 N载荷为例，前3600 s发生的蠕变量如表3所示。

在相同的载荷条件下，UN50、超高分子量聚乙烯、丁腈橡胶的应变量随时间的变化展现出不同趋势，丁腈橡胶的瞬时蠕变速率和蠕变量大于超高分子量聚乙烯和UN50，并且在经历大约18000 s后缓慢进入稳定蠕变阶段，而UN50与超高分子量聚乙烯轴承试块约在7200 s进入稳定蠕变阶段，在相同的条件下产生的应变量也最小，这是由于丁腈橡胶典型的热固性弹性体，具有很好的弹性，在持续受到载荷作用时产生的弹性变形较大，UN50由于丁腈橡胶以岛相的形式分布在超高分子量聚乙烯基体中，这种结构使材料的晶相不连续，其拉伸性能和弹性都出现了下降，丁腈橡胶的增加虽降低了聚合物材料的弹性模量和硬度，却提高了黏着性，使得橡塑共混材料在长时间的载荷作用下能够产生较小的蠕变量，显示出优异抗蠕变性能。

1.2.2 时间硬化蠕变模型

船舶在正常航行或停靠过程中水润滑尾轴承持续受加载力作用，因此主要受时间和载荷作用下的蠕变行为。试验过程中保持温度不变，以时间和载荷为变量，主要考虑轴承的时间硬化蠕变模型，如下式：

$ {\dot \bar \varepsilon ^{cr}} = A{({\bar \sigma ^{cr}})^n}{t^m}。$

(2)

式中：$ {\dot \bar \varepsilon ^{cr}} $为等效蠕变应变率；$ {\bar \sigma ^{cr}} $为等效蠕变应力；$t$为总时间；$A$、$n$、$m$分别为幂法则乘数、等阶应力阶次、时间阶次。对式(2)进行积分得：

$ {\bar \varepsilon ^{cr}} = f(\sigma ,t) = \frac{A}{{m + 1}}{({\bar \sigma ^{cr}})^n}{t^{m + 1}}。$

(3)

对式(2)取对数，可得：

$ \ln \varepsilon = \ln \frac{A}{{m + 1}} + n\ln \sigma + (m + 1)\ln t。$

(4)

根据试验数据绘制不同轴承试块的$\ln \varepsilon \sim \ln t$、$\ln \sigma \sim \ln t$曲线，从而确定相关参数。式中：$\ln \varepsilon \sim \ln t$的斜率为$m + 1$；截距为$\ln \left[ {A/(m + 1)} \right] + n\ln \sigma $；此处斜率m取均值；而$\ln \sigma \sim \ln t$曲线图的斜率为$n$；截距为$\ln \left[ {A/(m + 1)} \right] + (m + 1)\ln t$；斜率$n$同样取均值。将得到的$m$、$n$值代入式(3)，最终得到参数$A$的值，最终分别得到UN50，超高分子量聚乙烯，丁腈橡胶的时间硬化蠕变模型参数值及表达式，如表4所示。

在求出不同轴承材料的蠕变模型表达式后，对时间硬化蠕变模型进行验证，得到时间硬化模型曲线与蠕变试验曲线的对比图如图5所示。可知，蠕变初始阶段，丁腈橡胶的拟合函数斜率大，拟合值比试验值小，随着时间的增加，拟合值逐渐增大靠近试验值，而超高分子量聚乙烯和UN50在55 N、70 N载荷下出现相似的情况，在25 N、40 N下的试验值与拟合值接近，经分析得，时间硬化模型主要认为应变-时间呈现出幂函数的性质，试验值与拟合值在试验前期出现偏差，实际为函数本身特性导致。

1.3 蠕变振动试验结果分析 1.3.1 时域分析

水润滑尾轴承振动信号的时域波形图能够表征振动随时间的变化情况，直观地反应出信号振动特征，取不同工况下水润滑轴承蠕变前后的振动信号进行分析。如图6和图7所示，分别为超高分子量聚乙烯、丁腈橡胶、UN50在不同载荷下产生蠕变效应前后各转速随振动加速度的总均方根值及摩擦系数变化对比图，蠕变后的工况用“C-”表示。

在相同的载荷条件下，轴承试块的振动加速度均方根值与转速和载荷成正比，摩擦系数与转速和载荷成反比，在发生蠕变效应后表现为数值的增大，趋势没有发生改变。丁腈橡胶在振动加速度信号上表现出较为显著的偏高，振动加速度信号明显偏大，这是由于丁腈橡胶的摩擦系数相对较大，最大摩擦系数为0.4957，发生蠕变后，摩擦系数增大至0.6204，增幅25.16%。转速达到180 r/min后，转速发生突变，丁腈橡胶的润滑状态发生改变，其振动均出现了显著增幅，引起剧烈振动并伴随振鸣音，尽管转速的升高使得润滑状态和摩擦系数逐渐趋于稳定，但由此产生的摩擦热和磨损增多，导致橡胶与铜环之间的接触面积增大，从而转变为凹面接触。此时，橡胶的减振作用减弱，振动加速度呈现出稳定上升的趋势。而丁腈橡胶发生蠕变行为后，接触面积进一步增大，原本形成的弹塑流体动力润滑效果减弱，其弹性和塑性特性也发生变化，破坏已经形成的水囊，导致润滑状态恶化，增加橡胶轴承的振动，加速度均方根值平均增幅22.026%。超高分子量聚乙烯因其卓越的自润滑性能，能够在30～600 r/min的转速范围内保持较低的摩擦系数（0.0357～0.10505），在此转速区间内，试块与铜环之间的相对运动在受到外力作用时产生的振动相对较小。当转速升到800 r/min后，由于超高分子量聚乙烯材料本身硬度高，弹性小，其振动加速度信号明显增大，随着转速的进一步增加，超高分子量聚乙烯试块与铜环之间形成的润滑水膜遭到破坏，虽然摩擦系数趋于平稳，但加剧了振动状态，振动变得也越来越复杂，在产生蠕变效应后加速度均方根值平均增幅18.88%，较丁腈橡胶略低。相比之下，UN50保留了超高分子量聚乙烯良好的自润滑性能，在整个升速过程展现出相对稳定的振动特性，在即使在800 r/min的高速运转下，也没有产生显著且剧烈的振动，在发生蠕变效应后振动加速度幅值相较于蠕变前的幅值仅增加了13.32%，这是因为50%的丁腈橡胶加入到超高分子量聚乙烯中，增大了橡塑共混物的分子松弛程度，使共混橡塑体内产生了集中应力点，保留了一定的弹性，提高了柔韧性，形成了良好的缓冲效果，一定程度上能够有效降低蠕变效应，而且这种结构在高速旋转时不仅能够降低塑性变形，还易于形成流体润滑，从而降低了振动。

由图6可知，试块在70 N时的时域均方根值最大，绘制载荷条件下3种轴承试块蠕变前后的时域波形图，如图8和图9所示。

可知，在同一载荷下，随着转速的升高，时域波形图振幅越来越大，在低转速时出现周期性的规律信号，高转速下这一周期性的时域信号消失，变得更加复杂。在发生蠕变效应后，振幅进一步增大，时域信号变得更加密集，与图7变化趋势相吻合。在产生蠕变效应后，轴承试块在不同转速下的最大振幅均增大，其中丁腈橡胶轴承试块表现较为明显，转速在1200 r/min时，最大振幅由蠕变前的40.068 m/s²增大至蠕变后的46.58 m/s²增大，增幅16.25%。而超高分子量聚乙烯因其塑性较大，蠕变效应带来的增幅为26.72%。UN50轴承试块蠕变前后的振幅波动较小，在转速为1200 r/min时，最大振幅由蠕变前的30.574 m/s²增大至蠕变后的34.601 m/s²增大，增幅13.17%。50%NBR的加入增大了橡塑共混物的分子松弛程度，提高了柔韧性，在产生蠕变行为后其吸收和分散振动能量的特性并没有受到显著影响。

1.3.2 频域分析

为了更直观地理解振动随转速的变化规律，图10和图11分别为70 N载荷下3种不同轴承试块在1 kHz频段蠕变前后中低频随转速变化的振动特性频域曲线图。3种轴承试块在1 kHz的振动加速度信号幅值均随转速的升高而显著变化，与时域曲线信号相吻合，表明转速对振动幅值具有直接影响。在正常工作下，UN50在转速增加后，主频在87.5 Hz附近，自出600 r/min后出现峰值频率在600 Hz附近的频带，而以主频为基频得谐波分量仅出现在主频与频带之间，当频率超过680 Hz以后，振幅值没有明显的波动。而橡胶轴承非线性振动对轴承本身的影响会较大，超高分子量聚乙烯轴承在高转速下的振动幅值明显，UN50制成的轴承在低速重载下的振幅主要处于低频附近，高转速下主要呈现出低频的大幅振动和中频的小幅振动。

在轴承试块发生蠕变后，橡胶轴承频谱中的主频在170～250 Hz间，主频段没有发生明显偏移，幅值增大，在180 r/min时的主频幅值从2.44 m/s²增大至2.98 m/s²，增幅22.13%，当转速达到600 r/min后，伴随出现较多的频带和谐波分量，转速升高至800 r/min，非线性振动特征进一步增强，在500～800 Hz出现新的谐波分量。超高分子量聚乙烯与UN50在转速60～800 r/min时主频依然在200 Hz以下，但在每个频率下的幅值增大，转速升高至600 r/min时，超高分子量聚乙烯开始出现频率在350 Hz附近的频带以及主频和频带之间的谐波分量加剧，当转速升高至1200 r/min后，超高分子量聚乙烯表现出对中频的敏感，主频转移至520 Hz附近并伴随幅值较大的分量，主频从5.319 m/s²增大至5.986 m/s²，增幅12.5%。UN50在300 r/min以下时与超高分子量聚乙烯表现出相同的趋势，在蠕变效应的影响下均表现为主频和基频幅值的增大，转速达到600 r/min后，主频从87.5 Hz附近转移至210 Hz附近，虽然频谱也变得更加复杂，但是UN50中50%NBR加入的优势开始显现，对比超高分子量聚乙烯和丁腈橡胶轴承，其主频的幅值从3.465 m/s²增大至3.745 m/s²，增幅8.1%，虽然也出现400 Hz附近的频带，其谐波分量明显少于超高分子量聚乙烯和丁腈橡胶轴承，说明丁腈橡胶的加入显著提高了其稳定性，有效抑制了由蠕变行为导致的非线性振动在中低频段的扩散和增强。

1.3.3 总振级

依据GJB763.2-89《舰船噪声限值和测量方法舰船设备结构振动加速度验收限值》的要求，开展对水润滑轴承振动加速度级的研究，频域采用标准的1/3倍频程，中心频率为5～1000 Hz。振动加速度级的数学表达式为：

$ {L_a} = 20\lg ({a_{en}}/{a_0})。$

(5)

式中：${a_{en}}$为 1/3 倍频程中心频段内的振动加速度有效值，${a_0}$为基准加速度值，依据中国《机械工业环境保护设计规范》取10⁻⁶ m/s²基于能量叠加原理，对5～1000 Hz频段内振动加速度进行叠加得到总振级，总振级${L_z}$计算方法如下:

$ {L_z} = 20\lg \frac{{{a_z}}}{{{a_0}}} = 20\lg \frac{{\sqrt {a_{e1}^2 + a_{e2}^2 + a_{e3}^2 + \cdots + a_{en}^2} }}{{{a_0}}}。$

(6)

采用Matlab软件进行编程，计算仿真模型在各中心频率的加速度级数值，如表5所示为轴承试块在70 N载荷条件下5～1000 Hz频段内的振动加速度的总振级，从表中数据可知3种轴承的总振级均随转速的升高而增大，且产生蠕变效应后每个转速下的总振级均增大，当转速小于600 r/min时，总振级UHMWPE<UN50< NBR，当转速处于800 r/min时, 总振级UN50<UHMWPE < NBR，当转速处于1200 r/min时，总振级UN50< NBR <UHMWPE，三者的差距随转速的升高持续增大，当发生蠕变效应后，转速达到 1200 r/min 时，UHMWPE分别比UN50和NBR大2.1 dB和0.8 dB。

2 结　语

本文通过以高分子量聚乙烯为基体添加基体50%质量的丁腈橡胶粉末制成的橡塑共混轴承试块、丁腈橡胶轴承试块和超高分子量聚乙烯轴承试块在自主制造的试验台架上开展蠕变前后的振动特性试验，得到的结论如下：

1）UN50、超高分子量聚乙烯和丁腈橡胶在相同的应力条件下开展蠕变特性试验，发现UN50相较于超高分子量聚乙烯和丁腈橡胶蠕变应变量最小，具有一定的抗蠕变性能，并拟合出3种轴承材料的时间硬化蠕变模型提供理论支撑。

2）在工况不变的情况下，UN50的摩擦系数小于超高分子量聚乙烯和丁腈橡胶，随着转速的升高，试块的振动加速度波形图变得越来越复杂，且振幅越来越大，UN50振幅缓慢增大并展现出了良好的减振性能，频域信号集中在1 kHz以内。

3）在产生蠕变效应后，UN50、丁腈橡胶和超高分子量聚乙烯摩擦系数均得到增大，平均增幅分别为33.66%、42.00%和38.09%，UN50保留了超高分子量聚乙烯良好的自润滑性能和丁腈橡胶的弹性，蠕变过程中形成了良好的缓冲效果，摩擦学特性较为理想。

4）在产生蠕变效应后，UN50、丁腈橡胶和超高分子量聚乙烯在试验工况下轴承振动幅值明显增强，转速升高后，无论是时域信号还是频域信号均产生不同程度的增幅。UN50因有一定比例丁腈橡胶的加入改善了超高分子量聚乙烯基体的塑性，使橡塑共混材料具有明显的减振特性和抗蠕变性，振动幅值明显低于丁腈橡胶轴承试块超高分子量聚乙烯轴承试块，减振效果较优。