金屬塑料軸瓦表面形貌對摩擦性能的影響

王春艷，李玉福

（1.長春師范大學計算機科學與技術學院，吉林長春 130032；2.長春水務集團有限責任公司，吉林長春 130012）

水力發電依靠水力推動發電機組中的轉子運轉而進行發電，機組運行時需要保證轉子和軸瓦間不發生接觸而磨損轉子。傳統的巴氏合金軸瓦在機組運行過程中易發生軸瓦表面與轉子直接接觸的情況，造成轉子的磨損。為了避免轉子磨損，彈性金屬塑料軸瓦取代傳統的巴氏合金軸瓦越來越多的應用于大型水力發電機組中。金屬塑料軸瓦的表層材料由聚四氟乙烯（PTFE）構成，通過銅絲焊接到鋼坯基體上，其具體形式如圖1所示。聚四氟乙烯材料有較強的抗腐蝕能力和較好的摩擦性能，在機組啟停階段可以減少軸瓦表面和轉子端面的接觸，降低轉子磨損的概率。

金屬塑料軸瓦最早始于前蘇聯。從1990年開始，我國在水力發電機上陸續試運行和使用金屬塑料瓦推力軸承。金屬塑料瓦瓦面材料是聚四氟乙烯復合材料，具有與傳統金屬瓦不同的摩擦特性，為此人們針對其潤滑理論和實際應用進行了研究[1-7]。隨著生產的發展，尤其是隨著水力發電機組單機容量的不斷增加，金屬塑料瓦的應用得到了迅速的推廣。雖然取得較為滿意的運行效果，但使用過程中仍然出現一些問題[8]，比如瓦面劃傷等現象。引起軸瓦瓦面劃傷的原因有很多，如軸瓦表面形貌等。受限于軸瓦的加工方式，軸瓦表面存在一定形式的形貌分布，這些形貌分布改變了軸瓦的壓力分布和潤滑效果。本文從軸瓦表面形貌對摩擦性能的影響的角度出發，建立軸瓦工作時的理論模型，實驗測量軸瓦的表面形貌，數值分析軸瓦表面形貌對軸瓦摩擦性能的影響。

圖1 金屬塑料軸瓦結構

1 理論模型

在工作時，軸瓦表面由于動壓效應形成一層潤滑介質膜，在水力發電機組中，通常用水作為潤滑介質，形成的控制方程可表示為：

其中，ue為潤滑介質的卷吸速度，為轉子轉速和軸瓦速度的平均值。η是潤滑介質的黏度，本文工況中，水作為潤滑介質，其黏度值為0.000754，Pa·s，ρ 是潤滑介質的密度，本文中，介質的密度為1×103kg/m3，由于水的黏度較小，黏度隨壓力變化不明顯，所以忽略潤滑介質的黏壓特性。方程(1)中的h 代表形成的潤滑介質膜的厚度，其具體表示形式為：

其中，潤滑介質厚度為接觸體參數Bx，By，彈性變形v以及上下表面粗糙度δ1，δ2的函數。

彈性變形v 可以表示成：

在求解過程中，根據載荷平衡關系對整體方程組進行封閉：

對方程(1)～(4)進行數值離散，用迭代法進行求解，利用載荷平衡作為判斷收斂的條件，理論分析軸瓦的表面形貌對摩擦性能的影響。

2 軸瓦表面形貌的實驗測量

為了表征軸瓦表面的形貌分布，本文采用三坐標測量儀對軸瓦的表面形貌進行了測量，三坐標測量儀實驗臺如圖2所示:

圖2 三坐標測量儀實驗臺

由于三坐標測量儀是測量零件上某一點的高度數據。為了能全面地表示軸瓦的表面形貌，在軸瓦上取若干個點，測量其表面高度分布。所取的測量點分布形式如圖3所示：

圖3 軸瓦表面測量點分布

測量軸瓦表面的高度分布結果如圖4所示。圖4中離散的數據點為實測表面高度數據。對測量的離散數據進行擬合處理，得到較為光滑的可以反映軸瓦整體表面高度分布的數據。相比于未處理的離散數據點，擬合后的結果適于數值計算分析。

圖4 軸瓦表面高度測量結果

圖5 理想工況和實際工況形成的摩擦因數

3 數值計算與結果分析

第二節建立了軸瓦運行時的控制方程，第三節實驗測量了軸瓦的表面形貌。在本節中，將實驗測量的軸瓦表面形貌耦合到控制方程中，數值計算考慮表面形貌時的軸瓦壓力和潤滑介質分布情況。為了綜合考慮軸瓦的摩擦性能，將壓力和潤滑介質分布表示成摩擦因數的形式。軸瓦運動形成的摩擦因數由潤滑介質的剪切應力構成，潤滑介質所形成的剪切應力τl可通過公式(5)進行計算：

將計算的剪切應力在整體計算區域中積分，形成拖曳力，然后除以與軸瓦所承擔的載荷即可得到軸瓦運行時的摩擦因數：

計算理想光滑表面時軸瓦形成的摩擦因數和考慮實際表面形貌后形成的摩擦因數隨軸瓦轉速的分布如圖5所示。當水力發電機組啟動和停止階段，機組運轉速度相對較低，考慮表面形貌時形成的摩擦因數相對較大，當機組平穩運轉后，速度相對較高，實際工況和理想工況形成的摩擦因數基本一致。

4 結語

本文建立了金屬塑料軸瓦工作時的控制方程，實驗測量了軸瓦的表面形貌，結合軸瓦運行時的摩擦因數分析了軸瓦工作時不同表面形貌對摩擦性能的影響，在機組啟動和停止階段，由于表面形貌的存在，形成的摩擦因數相對較大。

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