主泵電機推力軸承用新型限位銷結構*

付嵩，張金慧，李偉，王偉光

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

*國家重大科技專項經費資助(2010ZX06001-013-14)；國家國際科技合作專項資助(2011DFB01660)

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主泵電機推力軸承用新型限位銷結構*

付嵩，張金慧，李偉，王偉光

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

*國家重大科技專項經費資助(2010ZX06001-013-14)；國家國際科技合作專項資助(2011DFB01660)

摘要限位銷是推力軸承中很重要的一個部件，它能夠起到限制靜止部件推力軸瓦隨推力盤擺動的作用。論述了一種新型限位銷的結構，即在不銹鋼表面噴涂碳化鎢增加限位銷的耐磨性，通過試驗對比，驗證了表面噴涂工件具有與碳化鎢工件同等的耐磨性及抗沖擊性。而用表面噴涂工藝代替整體碳化鎢結構，能夠簡化限位銷的安裝結構，減少了軸承結構件數量。

關鍵詞水潤滑推力軸承；磨損；表面噴涂；碳化鎢

0引言

由于摩擦力的存在，當軸承運行時推力瓦會隨推力盤運動，為限制推力瓦的運動，需要在推力瓦基和軸承座之間增加限位銷。所以在軸承工作時，限位銷與瓦基之間就會產生摩擦，這就要求限位銷材料必需耐摩。而由于水潤滑軸承運行環境的特殊性，適用于普通油潤滑推力軸承的滲氮等表面硬化工藝在水中會生銹，該方式不再適用于水潤滑軸承。所以必須開發一種適用于水潤滑推力軸承的限位銷結構，使其即耐磨又不會生銹。

1國內外解決方案

1.1國外解決方案

國外某公司對此問題的其中一種解決方案是采用碳化鎢材料。其結構為銷子采用碳化鎢材料，而在瓦基上與銷子接觸的地方鑲嵌一碳化鎢插塊，這樣便可依靠碳化鎢的耐磨性解決限位銷的磨損問題。其結構見圖1、圖2。

由于碳化鎢硬度較高，加工困難，所以為了將其與瓦基固定，在插塊上增加了兩塊壓板固定碳化鎢插塊，但是這樣不僅增加了結構的復雜性，而且兩壓板為懸臂樑結構，也增加了結構的不穩定性。

1.2國內解決方案

目前提高材料耐磨性的方法有采用高耐磨材料、表面強化等方法。文中提到的國外即采用高耐磨材料，但是材料的表面硬度越高，材料的脆性也越大，所以該結構具有結構復雜、抗沖擊性差的缺點。

為減化結構及增加限位銷的抗沖擊性，我們對該結構進行了優化。因此在設計限位銷時采取了表面強化的方式，即在不銹鋼表面噴涂碳化鎢耐磨層[1]，如圖3所示。

由圖3可以看出，該結構易于加工，相對碳化鎢結構減少了兩個壓板，使結構更簡單，并且由于其基材為不銹鋼，所以它的抗沖擊性能也優于全碳化鎢結構。

2試驗測試

為證明該結構的可行性，我們對噴涂方案試制了樣件并對其進行了一系列試驗，并與碳化鎢結構的試驗結果進行了對比見圖4。

2.1摩擦系數測試

采用水潤滑摩擦磨損試驗機測定表面噴涂碳化鎢及整體碳化鎢樣件的摩擦系數隨時間變化曲線。圖5、圖6、圖7分別為表面噴涂碳化鎢及整體碳化鎢樣件的摩擦系數的變化對比曲線。

由試驗可以看出碳化鎢噴涂試塊與碳化鎢硬質合金具有相近的摩擦系數。在水潤滑條件下，隨摩擦時間的增加，碳化鎢硬質合金涂層經歷短期的磨合階段后，摩擦系數趨于穩定；在100N載荷下，碳化鎢硬質合金涂層的平均摩擦系數為0.149，隨載荷的增加，碳化鎢硬質合金涂層的摩擦系數略有增大，在500N載荷下，平均摩擦系數達到0.176。碳化鎢硬質合金涂層展現出與碳化鎢硬質合金相似的摩擦學特性，可以得出碳化鎢硬質合金涂層完全達到了硬質合金材料耐磨性能的結論。

2.2水潤滑摩擦溫度測試

在水潤滑條件下，隨摩擦時間的增加，碳化鎢硬質合金涂層水介質溫度逐漸增大；在100N載荷下碳化鎢硬質合金涂層60min的摩擦磨損過程中，水介質溫升為6.9℃，隨著載荷增加，對磨副材料之間摩擦導致的水介質溫升逐漸增大，在500N載荷下，水介質溫升為24.5℃。碳化鎢硬質合金涂層與碳化鎢硬質合金在摩擦磨損過程中水介質溫差基本相同，進一步驗證了涂層具有與硬質合金材料相同的摩擦學特性。

2.3表面磨損形貌

采用掃描電鏡觀察試驗后試件表面磨損形貌如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13所示。

由圖可見，經水潤滑摩擦試驗后，表面表現出磨粒磨損特征，存在較淺磨痕和輕微塑性變形，隨載荷增加磨損加劇，磨痕深度逐漸加大，碳化鎢硬質合金涂層表面表現出與碳化鎢硬質合金表面相同的較輕磨粒磨損磨痕特征。

2.4磨損輪廓

推動軸承的磨損輪廓見圖14。

圖 14為在 200 N載荷下，碳化鎢硬質合金涂層和碳化鎢硬質合金的磨損輪廓對比。在 200 N載荷下摩擦試驗后，碳化鎢硬質合金涂層的磨損深度約為 4μm，碳化鎢硬質合金的磨損深度略大，約為 6μm。這一結果再次驗證了硬質合金涂層達到了硬質合金體材料的耐磨性能，甚至具有較好的減摩特性[2-3]。

2.5界面結合測試

圖15為碳化鎢硬質合金涂層與不銹鋼基體界面 C掃描成像圖。該圖顯示碳化鎢硬質合金涂層與不銹鋼基體間界面具有很低的回波幅值，說明涂層與基體界面形成了均勻良好的冶金結合。而圖16中的碳化鎢硬質合金涂層橫截面金相照片也展示了碳化鎢涂層與不銹鋼基體具有良好的冶金結合界面。并且通過與圖17中涂層表面金相對比，可以看出碳化鎢硬質合金涂層平整致密、無微觀缺陷。

因此，通過特殊表面噴涂技術，可以獲得具有與不銹鋼基體界面結合良好、致密的硬質合金涂層。而由于與不銹鋼基體的復合，可以在保證表面耐磨性的前提下使得零部件具有更好的抗沖擊性能。在后面的真機運行試驗中也驗證了該種結構的耐磨損及抗沖擊性。

3試驗件真機運行試驗

為進一步驗證新結構的性能，我們生產了一套試驗件應用于真機試驗。如圖18所示為安裝到試驗瓦上的限位銷插塊。

試驗件在水潤滑推力軸承試驗臺模擬主泵實際工況進行了長時間試驗。其中，由于其它原因，試驗臺在運轉過程中出過幾次大的事故，使得推力軸承在運轉中出現幾次較大的沖擊，但由拆解后的圖19照片可以看出，碳化鎢硬質合金涂層表面仍然良好，無受沖擊后脫落現象，這也證明了碳化鎢硬質合金涂層除具有與碳化鎢等同的耐磨性外，還具有比碳化鎢更好的抗沖擊性能。

4結語

經過對不銹鋼表面噴涂碳化鎢試驗件的實驗室對比試驗及水潤滑推力試驗臺的真機試驗可知，碳化鎢硬質合金涂層與碳化鎢硬質合金具有相似的低摩擦系數，具有相似的磨損形貌和磨損機制，且涂層與不銹鋼基體具有良好的冶金結合界面，可以保證限位銷插塊與限位銷耐磨及抗沖擊防護的使用要求。所以用不銹鋼表面噴涂碳化鎢的限位銷結構代替碳化鎢的限位銷結構的方案是可行的，并且該結構能夠減少推力軸承的結構件，增加推力軸承的可靠性。

參考文獻

[1]劉佐民.摩擦學理論與設計.武漢：武漢理工大學出版社，2009.

[2]CzichosH. 摩擦學-對摩擦潤滑和磨損科學技術的形態分析[M].劉鐘華等譯.北京：機械工業出版社，1984.

[3]溫詩鑄，黃平.摩擦學原理.北京：清華大學出版社，2012.

New Structure of Thrust Bearing Spacer Pin for Reactor

Coolant Pump Motor

FuSong,ZhangJinhui,LiWei,andWangWeiguang

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

AbstractThe spacer pin is a very important part of thrust bearing, and it can limit swinging of thrust bearing bush with thrust disc. This paper describes structure of a new type of spacer pin i.e. spraying tungsten carbide on surface of stainless steel, it can increase abrasive resistance of spacer pin. By experimental comparison, it is verified that abrasive resistance and impact resistance of surface spraying workpiece are equivalent to tungsten carbide workpiece. Replacing integral tungsten carbide structure with surface spraying technology can simplify installation structure of spacer pin, thus decrease amount of bearing structure parts.

Key wordsWater-lubricated thrust bearing；abrasion；surface spraying；tungsten carbide

收稿日期：2015-11-01

作者簡介：付嵩男1987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：TM303.5

文獻標識碼：B

文章編號：1008-7281(2016)01-0015-005

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.05