環境因素對推力軸承潤滑膜超聲檢測精度的影響*

周俊麗 阮 琪 楊 帥 王 賀 賈 謙

(1.國家能源集團神東煤炭集團質量技術檢測檢驗中心 內蒙古鄂爾多斯 017209； 2.中檢西部檢測有限公司 陜西西安710032；3.西安理工大學機械與精密儀器工程學院 陜西西安 710048；4.西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室 陜西西 安710049;5.西安交通大學城市學院機械工程系 陜西西安 710018)

隨著經濟和科技水平的快速發展，我國在機械工業方面的重大裝備正在逐漸實現國產化，但是一些應用于特殊場合的關鍵零部件，如高參數滑動軸承、機械密封等的核心技術尚未完全掌握，形成了短板[1-2]。特別是有高速、重載等極端服役要求的高參數滑動軸承，其設計及試驗技術對我國發展新一代核電及航空發動機至關重要[3]。推力軸承在核主泵、水輪機組等立式設備中起著重要作用，其工作時候的穩定性會直接影響到整個機組的安全，不容忽視[4]。因此對于推力軸承的潤滑狀態檢測是一項重要的工作，通常檢測的指標包括潤滑膜的厚度、溫升及壓力等指標，其中對于潤滑膜厚度的檢測難度最大[5]。因此，研究潤滑膜厚度的精確檢測對推力軸承十分重要。

針對推力軸承的試驗研究，研究者們已做過大量的工作。歐陽武等[6-7]針對 AP1000 核主泵水潤滑軸承長壽命、高可靠的設計需求，建立了核主泵半尺寸水潤滑徑向軸承試驗平臺，該平臺除了支持現象模擬和模型驗證，還可提供可靠性強化試驗條件支持軸承考核性試驗，研究成果為核主泵水潤滑全尺寸軸承研制提供了試驗技術參考。王瑞等人[8]在立式軸承試驗臺上進行了石墨軸承啟停試驗檢測，獲取了軸承在啟停過程中的溫升、軸心軌跡變化和磨損情況。

研究軸承的膜厚變化對于改善軸承潤滑性能，提高機組壽命起著關鍵作用。為了實現滑動軸承潤滑油膜厚度這一關鍵參數的精密動態檢測，張平、張小棟等[9-10]構建了基于雙路光纖的油膜厚度動態精密檢測模型，以對光纖傳感器的非線性特性進行補償，并對油膜厚度動態信號中的噪聲進行濾除。同時，研究人員還采用超聲方法進行潤滑膜厚度的測量。如國內的研究人員采用超聲作為測量手段對滑動軸承的潤滑膜檢測進行了相關的理論和試驗研究探索[11-14]；國外的DWYER-JOYCE[15]研究超聲波油膜厚度的測量方法，并取得了良好的結果。

本文作者研究的對象是核主泵推力軸承摩擦副，其潤滑介質黏度較低且工作于高溫高壓等極端工況下，與之相關的潤滑膜超聲檢測技術對檢測精度要求更高。與以上文獻的研究相比文中在理論分析及試驗中引入溫度、壓力等環境因素，進行環境因素對推力軸承潤滑膜超聲檢測精度的影響研究。

1 推力軸承潤滑狀態的超聲檢測模型

1.1 核主泵推力軸承基本結構

由于滑動軸承工作時軸承表面和軸頸表面有相對滑動，從減少摩擦、磨損和因摩擦引起的發熱方面考慮軸承必須進行潤滑。滑動軸承的潤滑形式有流體動壓潤滑、流體靜壓潤滑、邊界潤滑及固體膜潤滑等4種。文中研究的對象為核主泵，核主泵是核電站的心臟，其主要功能就是驅動核島內高放射性高溫高壓水循環，將反應堆芯核裂變的熱能傳遞給蒸汽發生器產生蒸汽，從而推動汽輪機發電。一個核電站有多個主泵，典型的核主泵軸系結構如圖1(a)所示，整個軸系由4個徑向軸承、1個雙向推力軸承、機械密封、聯軸器、轉子及葉輪等組成，其中4個徑向軸承分別為電機導軸承1#、2#以及葉輪導軸承1#、2#。

推力軸承摩擦副的結構如圖1(b)所示，可以看出，該核主泵水潤滑推力軸承摩擦副主要由石墨瓦塊、推力盤及轉子組成。

圖1 典型的核主泵軸系及軸承結構Fig 1 Typical nuclear main pump shafting and bearing structure (a)nuclear main pump shafting; (b)water lubricated thrust bearing

核主泵推力軸承的工況及結構參數見表1。

1.2 潤滑狀態的超聲檢測模型

推力軸承摩擦副的典型結構包括三部分，分別是軸瓦、潤滑膜和推力盤，如圖2所示。文中研究的背景是核電機組，推力軸承被使用在核主泵中，潤滑的介質為油或水。以AP1000主泵的推力軸承為例，其軸瓦的主要材料為硅化石墨，潤滑介質為去離子水，推力盤的材料為高強度不銹鋼。從圖2中可以看出，潤滑介質在軸瓦和推力盤之間因為動壓效應形成一層具有一定厚度的水潤滑膜，潤滑膜的厚度一般在幾十微米甚至上百微米。

采用超聲彈簧模型法很適合檢測這一厚度區間的潤滑膜厚度值h。超聲彈簧模型法也叫剛度模型法，顧名思義從原理可以描述為當推力軸承摩擦副表面的潤滑膜厚度h小于超聲的波長λ，超聲信號在固-液、固-液界面的反射信號會產生重疊現象，此時就可以采用一系列的輕質彈簧來代替軸承的潤滑膜，如圖2所示。

圖2 推力軸承摩擦副的典型結構Fig 2 Typical structure of friction pair of thrust bearing

對于文中的超聲檢測模型，超聲波在固體和潤滑膜界面上的反射系數R可以利用式(1)來進行定義[16]。

(1)

式中：A為超聲波在潤滑膜與固體界面上反射信號的頻域幅值;Ac為超聲波在參考界面上反射信號的頻域幅值;Rc為超聲波在參考界面上的反射系數;f為超聲波的發射頻率;K為潤滑膜的剛度系數;Z和Z′為潤滑膜上下2個固體層的聲阻抗。

根據超聲波在潤滑膜與固體交界面處的時域反射信號經快速傅里葉變換可獲得超聲波在該界面上的頻域幅值A。同理，根據超聲波在潤滑膜與參考交界面處的時域反射信號經快速傅里葉變換可獲得Ac。潤滑膜厚度h的表達式為

(2)

式中：h為潤滑膜厚度值；ρ是潤滑膜的密度；c為超聲在潤滑膜中傳播的速度;Z和Z′為超聲在穿越金屬和潤滑膜時的聲阻抗。

文中采用剛度模型法對潤滑膜厚度進行測量，并根據潤滑膜厚度與推力軸承瓦面及推力盤的粗糙度之間的關系來判斷處于何種潤滑狀態，具體的判斷流程如圖3所示。

2 環境因素的分析及試驗設計

2.1 環境因素的分析和量化表征

研究的推力軸承在運行過程中和潤滑膜相關的環境因素可表征為溫度、壓力、流量、振動等軸承的潤滑及動力學特性參數。文中主要考慮的是軸承靜特性參數中的溫度t和壓力p。圖4所示為根據表1中相關的工況參數計算得到的推力軸承在額定轉速下的t和p分布。可見該時刻推力軸承瓦面潤滑膜的t在20.6～24.9 ℃之間變化，平均值約為22.7℃，壓力p在0.21～1.7 MPa之間變化，平均值約為0.96 MPa。而在更多的實測數據中表明，核主泵水潤滑推力軸承的潤滑膜工作溫度會在20～80 ℃、工作壓力p會在0.1～2.5 MPa范圍內變化。由于文中研究的推力軸承工況復雜，所以實測數據中t和p的變化范圍比圖1中單個工況下通過計算獲得的t和p理論值變化范圍要大。

圖4 推力軸承額定工況下的溫度和壓力分布Fig 4 Temperature and pressure distribution of thrust bearing under rated condition

文中研究對象為核主泵推力軸承，以水潤滑推力軸承為例進行研究。溫度t和壓力p等環境因素將通過式(2)中潤滑膜的密度ρ來影響潤滑膜厚度h的大小，進而影響對潤滑狀態的判斷。圖5所示為水的密度受t、p的影響曲線。可以看出，水的密度ρ受壓力影響較小，對溫度變化較為敏感。根據圖中的密度變化可知，受t、p的影響，ρ的值在0.999 4～0.971 7 kg/ m3范圍內變化。

圖5 溫度和壓力對水的密度的影響Fig 5 Effect of temperature and pressure on the density of water

聲速還會受到水溫的影響，一般認為聲音在固體、液體或是氣體介質中傳播，介質密度愈大，則音速愈快。20 ℃時超聲在水中的聲速c為1 450 m/s，水溫每升高1 ℃，水中聲速大約增大4.6 m/s。

2.2 推力軸承潤滑膜超聲測試試驗設計

采用超聲技術對動態工況下的推力軸承摩擦副的潤滑膜厚度進行檢測。根據研究的核主泵推力軸承，試驗設計時選用了如圖6(a)所示的推力軸承試驗臺，該試驗臺主要由試驗軸承、驅動調速系統、加載系統、超聲測試系統等組成。超聲測試系統由軟件部分和硬件部分兩部分組成，軟件部分包括數據處理與分析單元、信號控制單元及顯示與交互單元；硬件部分包括多通道數據采集裝置、脈沖信號發生裝置及超聲換能器等。

圖6 推力軸承潤滑膜測試試驗臺及軸瓦Fig 6 Thrust bearing lubricating film test bed(a)and bearing bush(b)

試驗可提供的載荷最大為2 MPa。試驗轉速可在400～1 800 r/min范圍內連續調節。超聲波發射接收儀激發壓電片產生超聲脈沖，信號經反射后，由高速采集卡實時采集到計算機中進行處理和記錄。利用采集到的超聲波反射信號，結合超聲波膜厚測量計算模型即可得到實驗軸承潤滑油膜的厚度分布的情況。試驗推力軸承的瓦塊結構如圖6(b)所示，為金屬基體上鑲嵌石墨的結構，在軸承的背面安裝有超聲壓電片。軸承瓦塊的外徑為200 mm、內徑為100 mm。試驗轉速設定為1 200 r/min，測試時超聲的頻率為5～10 MHz,測點數量為8個。

3 溫度和壓力對超聲檢測精度的影響

圖7所示為通過實驗實測獲得的在啟、停及額定轉速下各測點的軸承潤滑膜厚度h的測量值。從圖7(a)中可以看出，在啟、停階段h的測量值為1.6～3.8 μm，平均值為2.6 μm；在額定轉速下h的測量值為23.0～43.6 μm，平均值為33.4 μm。可根據圖3判斷，在啟、停階段h與表面粗糙度相當，所以此時軸承處于邊界潤滑狀態；在額定轉速下，處于流體潤滑狀態。圖7中各測點的潤滑膜厚度未考慮溫度壓力變化的影響，即在采用式(2)進行計算時，溫度選為室溫20 ℃，壓力選為0.1 MPa(1個大氣壓)時的水的密度9.8 kg/ m3。

圖7 推力瓦塊各測點的潤滑膜厚度(μm)Fig 7 Lubricating film thickness at each measuring point of thrust pad(μm) (a)during start-up and shut-down;(b)at rated speed

前文中已經根據圖4中推力軸承額定工況下的溫度和壓力分布獲得了圖5中有關水的密度變化。根據圖5中有關水的密度變化，并根據軸承實際工況把密度選為4組，根據這4組密度重新對8個測得的潤滑膜厚度平均值進行了計算，計算結果分別如表2和表3所示。表2所示為啟、停階段考慮環境因素的h測試結果，表中常溫常壓工況下的h值為2.6 μm，如考慮t和p的影響，則隨著二者的增加，h的精確測量值會增加。h最大時為3.6 μm，比不考慮t和p影響時的2.6 μm增加了38.5%。

表2 啟、停階段考慮環境因素的h測試結果Table 2 Test results of lubricating film thickness considering density change during start-up and shut-down

表3所示為額定轉速下考慮環境因素的h測試結果，表中常溫常壓工況下的h值為33.4 μm，如考慮t和p的影響，h最大時為46.7 μm，比不考慮t和p影響時的33.4 μm增加了39.8%。

表3 額定轉速下考慮環境因素的h測試結果Table 3 Test results of lubricating film thickness considering density variation at rated speed

4 結論

(1)在推力潤滑膜超聲檢測模型中將潤滑介質密度ρ的值作為環境參數溫度t和壓力p的函數，獲得了考慮環境因素的推力軸承潤滑狀態超聲檢測模型。

(2)在試驗臺上進行了推力潤滑狀態的超聲檢測試驗，得到了考慮t和p影響的推力軸承潤滑膜厚度分布檢測數據。

(3)分析數據發現考慮了環境因素后，在啟、停階段及額定轉速下推力軸承膜厚檢測值分別最大增加38.5%和39.8%。