水泵水輪機導葉自潤滑軸瓦的使用研究

趙 陽

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱150040）

0 前言

水輪機的滑動部位，如導葉軸瓦、連桿軸瓦等，最初采用加注潤滑脂的方式進行潤滑，但由于環境保護及機組保養維護的要求，無油潤滑的軸瓦在水電行業中被大量采用［1，2］。

水電行業中使用的自潤滑軸承基本分為兩類，一大類為金屬基的自潤滑軸承即我們常說的金屬軸瓦；另一大類為非金屬類的自潤滑軸承［3］。

1 金屬基自潤滑軸瓦的分類

金屬基體的自潤滑軸瓦分為三類。

1.1 梯度自潤滑軸瓦

梯度自潤滑軸瓦是以低碳 （冷軋）鋼板、不銹鋼板或青銅板為基體，球形青銅粉為中間層，改性塑料為摩擦表面層，三層結合為一體的自潤滑軸承材料，其結構示意圖如圖1所示。表面塑料層即為固體潤滑劑，其材料為改性聚四氟乙烯或改性的聚甲醛。中間層是采用粉末冶金法生產出多孔的金屬基體，如多孔的青銅，然后浸漬固體潤滑劑。在與摩擦副對磨時，軸瓦表面發生磨損，此時其表層的固體潤滑劑從軸承表面釋放并機械地通過配合端面的凸凹不平而粘附在接觸面上。固體潤滑劑的傳遞膜是堅固的并能提供最小的摩擦表面，形成比較穩定固體潤滑膜，達到自潤滑的功效。如國產的FZ-1、FZ-2屬于此種類型的自潤滑軸瓦［4－8］。

圖1 梯度自潤滑軸瓦結構示意圖

1.2 粉末冶金整體燒結固體自潤滑瓦

粉末冶金整體燒結固體自潤滑瓦以低碳 （冷軋）鋼板、不銹鋼板或青銅板為基體，結構示意圖如圖2所示，以燒結含有固體潤滑劑的金屬合金為摩擦表面層的兩層自潤滑復合軸承材料，自潤滑機理同梯度自潤滑軸瓦，固體潤滑劑的材料為石墨或改性聚四氟乙烯 （PTFE）。它是把固體潤滑劑以粉末的形式作為組元添加到金屬基體材料中，通過壓制成形、燒結，形成自潤滑復合材料，其潤滑材料本身含有固體潤滑劑。金屬基體分為鐵基、銅基、鋅基、鎳基、青銅基幾種，水電行業中采用銅合金作為燒結基體材料的較多［9，10］。如國產的 FZ-6、進口的 DEVA-BM均屬于這種類型的軸瓦。

圖2 粉末冶金整體燒結軸瓦結構示意圖

1.3 金屬基鑲嵌型自潤滑瓦

銅基鑲嵌的自潤滑軸瓦，以高強度的銅合金為基體，其上分布有若干通孔或盲孔，孔中填充固體潤滑劑，同時軸承摩擦層表面還涂有幫助跑合的固體潤滑膜，軸承工作時，固體潤滑劑在擠壓、剪切和摩擦熱的作用下向摩擦表面轉移形成固體潤滑模，實現軸承的自潤滑。固體潤滑劑基本為石墨或PTFE兩種材料。如國產的FZ-5、進口的OILES均屬于這種類型的軸瓦。

圖3 金屬基鑲嵌型軸瓦結構示意圖

2 非金屬類的自潤滑軸瓦分類

非金屬自潤滑軸瓦，無論基體材料還是潤滑材料均采用非金屬材料，也基本分為三類。

2.1 聚合物基的自潤滑軸瓦

聚合物基的材料主要有聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚酰亞胺、環氧樹脂、聚醚醚銅。

聚合物基的自潤滑軸瓦分為熱塑性樹脂基及熱固性樹脂基材料。熱塑性材料主要為聚四氟乙烯及聚酰胺類。熱固性材料主要以酚醛樹脂為粘合劑，有機、無機填料為填充材料，添加纖維及彈性材料進行增強、混合后熱壓成型的軸承套［11－15］。如進口的賽龍材料就屬于聚合物類的自潤滑材料。

2.2 編織型自潤滑軸瓦

編織型自潤滑瓦的材料主要包含纖維、樹脂及添加劑，纖維是軸瓦的骨架，起到增加強度、韌度及抗沖擊能力的作用，樹脂是纖維及添加劑的粘合劑，添加劑即固體潤滑劑，起到改善機械性能、摩擦系數，提高潤滑性能及抗磨損性能的作用。

如ORKOT的TLMM及TXMM，指的基體纖維材料為TL和TX，TL為標準纖維材料、TX為適應于干磨條件的纖維材料，ORKOT采用的添加劑即潤滑劑為二硫化鉬及聚四氟乙烯，通過聚酯纖維樹脂將纖維與潤滑劑層壓制成。

2.3 玻璃纖維基體的自潤滑瓦

玻璃纖維基體的自潤滑瓦基體采用纏繞的高強度玻璃纖維定向，由增強的環氧樹脂浸漬。

表面潤滑層由聚四氟乙烯和聚酯纖維纏繞，浸漬在環氧樹脂中，環氧樹脂中加入固體潤滑劑，結構示意圖如圖4所示。

圖4 玻璃纖維基的軸瓦結構示意圖

如進口的GGB-HPM及DEVATEX-522均屬于此種類型的自潤滑軸瓦。

3 軸瓦性能比較

一種性能優良的軸瓦應具有性能、尺寸穩定，摩擦系數低，抗壓能力強的特點，此節將對水電行業常用的軸瓦材料的性能進行比較。

3.1 產品樣本的性能指標

軸瓦廠家產品樣本給出的性能指標見表1。

表1 軸瓦廠家產品樣本性能指標

3.2 軸瓦性能試驗對比結果

模擬水輪發電機組自潤滑軸瓦的使用場景，采用美國進口UMT-3摩擦試驗機，進行不同材料自潤滑軸瓦的摩擦系數及磨損量對比試驗。

UMT-3摩擦試驗機的工作原理：運動方式為往復運動或旋轉運動，在滑行或旋轉運動過程中，上試樣固定不動下式樣作單向滑行或旋轉運動，用應變傳感器測量試樣在z方向的變形，同時也測定了滑行過程中切向力Fx（摩擦力）和法向力Fz（載荷），摩擦系數為Fx／Fz的比值，摩擦系數由試驗機對每個摩擦信號在有效區間計算平均值，得到摩擦系數測試值。速度、時間、載荷為定值，整個試驗由預先編好的程序來控制自動完成，試驗數據由計算機自動采集，質量磨損用電子天平來測量。

UMT-3摩擦試驗機的技術參數：載荷范圍：1～1000N；最高分辨率：50nm；轉速：0.001～5000r／min；最大往返行程：24.5mm；頻率范圍：0.1～50Hz；最大線速度：0.1mm／s～50m／s。

通過對不同材料的自潤滑軸瓦進行性能試驗，獲得如圖5～6所示的結果。

圖5 摩擦系數對比結果

圖6 磨損量對比結果

3.3 軸瓦受力分析結果比較

根據3.1，3.2的性能比較結果可知，不同材料的軸瓦各項性能指標有很大的不同。非金屬軸瓦的彈性模量較小，僅為金屬軸瓦的1%，而其吸水膨脹率和線膨脹系數也比金屬軸瓦高。

考慮軸瓦材料的彈性模量不同，對水輪機導水機構導葉進行剛強度的有限元分析計算，具體計算結果如圖7～8所示。由圖可知，同一工況條件下，軸瓦的彈性模量對導葉變形及導葉應力均有一定影響。同等載荷條件下，非金屬軸瓦導葉變形大，軸瓦的壓應力也偏高。

圖7 不同軸瓦導葉變形計算結果

圖8 不同軸瓦導葉壓應力計算結果

4 結論

水泵水輪機工況復雜，過渡工況較多，導水機構自潤滑瓦材料的選擇就顯得尤為重要。

由3節可知，選用同等間隙的導葉軸瓦，彈性模量較小的非金屬軸瓦導葉變形較大，導葉軸瓦的壓應力較高。在受力較大的位置，應盡可能選擇銅基鑲嵌的金屬軸瓦。

選擇自潤滑軸瓦材料時，除常規關注的軸瓦的抗壓強度及摩擦系數外，材料的彈性模量對導葉變形及應力的影響也不容小覷。同時材料的吸水膨脹率、線膨脹系數與導水機構的長期安全穩定運行也息息相關，應重點關注。