大推力水潤滑軸承瓦面材料試驗*

張金慧，李偉，王偉光，付嵩

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

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大推力水潤滑軸承瓦面材料試驗*

張金慧，李偉，王偉光，付嵩

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

摘要大推力水潤滑推力軸承是三代核電的核心部件，大推力水潤滑推力軸承的關鍵是瓦面材料的選擇。根據要求，選擇了兩種新的復合材料替代石墨材料，并從其機械性能、摩擦磨損等方面對該材料進行對比試驗，驗證了該種材料應用于水潤滑推力軸承的可行性。

關鍵詞摩擦磨損；沖擊功；復合材料

國家重大科技專項經費資助(2010ZX06001-013-14)

0引言

對于水潤滑推力軸承來說，關鍵是軸瓦摩擦副材料的選擇。傳統的水潤滑軸承材料是石墨，石墨材料具有良好的自潤滑性能，耐高溫，耐輻照，在水潤滑軸承中有著廣泛的應用，但是石墨材料也有其局限性。石墨的抗沖擊性較差，一般來講石墨材料的沖擊功只有2.5kJ/m2左右，這一點成為限制大推力水潤滑軸承發展的制約因素。因為在主泵承受沖擊或安裝過程中軸瓦受到沖擊的情況下，石墨瓦面表面有可能局部脫落，這時軸承在運行中，就有可能造成燒瓦事故，所以研究一種新的耐磨損、耐沖擊的瓦面材料對提高大推力軸承的承載力乃至機組的安全運行都是至關重要的。

1材料選取

磨損是一個復雜的過程，影響磨損的因素很多，但從本質上講，所有提高耐磨性的措施都是通過改善增強相與基體相的結合強度來實現的。從材料因素來看，主要的因素包括基體組織、增強顆粒、溫度與熱處理及制備方法等。其中顆粒增強相是影響復合材料的主要因素。復合材料之所以具有較高的耐磨性，關鍵就是增強顆粒的作用。樹脂基復合材料的摩擦磨損性能很大程度上取決于填料，不同填料對聚合物摩擦磨損性能的提高程度是不同的，其提高機理也不相同[1]。

綜上所述，并考慮摩擦系數及磨損量兩個重要指標，我們選定了兩種新的復合材料PEEK CA30及PEEK FC30作為研究的重點。其中PEEK CA30為30%碳纖維增強型PEEK，PEEK FC30為填加10%PTFE、10%石墨、10%碳纖維。纖維增強PEEK不僅可提高材料的力學性能，同時還可改善材料的摩擦學性能。這是因為當纖維增強PEEK復合材料在摩擦副表面滑動時，轉移膜中的磨損炭纖維為基體碎屑可以減少與摩擦面的直接接觸，從而可以減少接觸壓力和表面應力，同時由于摩擦界面溫度較高，部分磨損炭纖維轉化為石墨，使轉移膜具有良好的潤滑性能。因此增強后PEEK材料比純PEEK材料具有更好的機械性能，更耐磨，具有更好的導熱系數[2-3]。

表1　三種材料的物理性能

從表1中可以看出PEEK復合材料的沖擊強度約為石墨材料的2倍，抗壓及抗折等參數均優于石墨。為進一步驗證PEEK復合材料的性能我們對PEEK進行了摩擦磨損試驗。

2試驗及測試

2.1　試驗方法

摩擦磨損試驗的結果能夠反映材料的摩擦磨損性能，摩擦磨損試驗方法直接影響到試驗結果，為保證測得的試驗數據能夠接近實際工況，對摩擦磨損試驗進行模擬實際工況試驗，以便得到實際工況的摩擦磨損性能指標。

2.2　試驗環境

對磨環：PEEK CA30及PEEK FC30

對磨：高鉻鋼

對磨環境：去離子水

施加載荷：50N、100N、200N

對磨時間：10h

對磨速度：2m/s

2.3　摩擦系數測試

摩擦系數表明了材料或摩擦副在摩擦過程中的運動阻力，摩擦系數的大小直接反映了材料的摩擦性能，但對于相同的材料摩擦系數并不是定值，它還與摩擦副表面狀態、潤滑介質、周圍環境及工作參數有關[4]。圖1~圖3為在上述試驗環境下測得的PEEK FC30及PEEK CA30的摩擦系數曲線。

圖1　100N PEEK FC30與高鉻鋼

圖2　200N PEEK FC30與高鉻鋼

圖3　100N PEEK CA30與高鉻鋼

由圖1、圖2、圖3曲線可見PEEK FC30與高鉻鋼在水潤滑環境，100N載荷下摩擦系數約為0.08；在200N載荷下摩擦系數約為0.03，隨載荷增加，摩擦系數降低。 PEEK CA30與PEEK FC30具有相似的摩擦系數曲線。

2.4　磨損測試

在摩擦磨損試驗中，磨損量是評定材料的耐磨性，控制產品質量和研究磨損機理的一個重要指標，也是磨損試驗方法的重要內容，表2列出PEEK FC30與PEEK CA30在2.2工況下的比磨損率。

表2　PEEK FC30及PEEK CA30試驗結果對比

由表2可以看出PEEK FC30因含PTFE及石墨，所以摩擦系數要優于PEEK CA30，而PEEK CA30含30%的碳纖維，磨損率低于PEEK FC30，說明PEEK CA30更耐磨。

在摩擦磨損試驗后，除了通過摩擦系數和磨損量評價其材料性能外，摩擦磨損表面微觀分析也是評價材料摩擦學性能的重要手段。特別是以機理研究和新材料開發為目的的摩擦-磨損試驗，試驗后的表面微觀形態可為揭示其磨損機理提供重要依據。采用掃描電鏡觀察試驗后的PEEK FC30、PEEK CA30及其高鉻鋼對磨副的表面磨損形貌，如圖4所示。

(a)PEEK FC300

(b)高鉻鋼

(c)PEEK CA30

(d)高鉻鋼

由圖4可見磨損后表面PEEK塑性變形，并存在磨坑、磨平的碳纖維和粘著的PTFE片，表現為磨粒磨損和疲勞磨損，高鉻鋼表面存在明顯劃痕和粘著的PEEK磨屑，表現為磨粒磨損和粘著磨損。

由于本次試驗主要測試了兩種新材料的摩擦磨損性能，所以并沒有測試石墨的摩擦系數，不過在以往的試驗中，同等條件下石墨的摩擦系數為0.1~0.2。

3結語

由以上試驗可以看出，PEEK FC30及PEEK CA30的摩擦磨損性能與石墨材料處于同一水平，而其抗沖擊性能是石墨材料的2倍。因此PEEK FC30與PEEK CA30完全可以用于水潤滑推力軸承的瓦面材料，而在大推力水潤滑推力軸承中PEEK FC30及PEEK CA30復合材料更有優勢。不過需要說明的是由于PEEK FC30中含有PTFE成分，其耐輻照性能較差，所以其不適用于主泵電機等有輻照的環境中；而PEEK CA30則耐輻照，它在水潤滑推力軸承中的應用更加廣泛。

參考文獻

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[2]潘育松，熊黨生.聚醚醚酮復合材料摩擦學性能研究現狀.工程塑料應用，2006.

[3]賈均紅，陳建敏，周惠娣，等.炭纖維增強聚醚醚酮復合材料在水潤滑下的摩擦學行為.高分子材料科學與工程，2005.

[4]溫詩鑄，黃平.摩擦學原理.北京：清華大學出版社，2012.

[5]北京兆迪科技有限公司.ANSYS Workbench 14.0結構分析快速入門、進階與精通[M].北京：電子工業出版社,2014.

[6]歐江.基于有限元的立式電機機座的瞬態響應分析[J].機械研究與應用,2006,19(5):42-43.

[7]毛文貴,李建華,傅彩明.立式電機機座的動態性能仿真研究[J].大電機技術,2010,(3):31-34.

Research on Bushing Surface Material of Large Thrust

Water-Lubricated Bearing

ZhangJinhui,LiWei,WangWeiguang,andFuSong

(Harbin Electric Power Equipment Co.,Ltd.,Harbin 150066, China)

AbstractLarge thrust water-lubricated bearing is the core component of the third generation nuclear power, and the key of it is the choice of bearing bushing materials. According to requirements, two kinds of new composite materials are selected to replace graphite material and comparatively experiment of them is carried out from aspects of mechanical property, friction and wear etc. The feasibility of them used in water-lubricated bearing is verified finally.

Key wordsFriction and wear；impact energy；composite material

收稿日期：2015-09-14

作者簡介：張金慧男1978年生；畢業于哈爾濱理工大學電機專業，現從事大中型異步電機及軸承的設計工作.

中圖分類號：TM304

文獻標識碼：B

文章編號：1008-7281(2015)06-0031-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.10