立式水潤滑可傾瓦軸承-轉子試驗臺設計*

張 旭 陳昌敏 荊建平

(上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240)

我國引入的三代核電堆型AP1000的核島主泵采用立式水潤滑屏蔽泵。該泵轉子和電機轉子一同浸沒在冷卻劑中[1-7]，因而，支撐轉子的導軸承也必須采用核反應堆冷卻劑潤滑，即水潤滑。

上述水潤滑屏蔽泵的部分尺寸和工作參數如表 1所示。

表1 AP1000的核島主泵水潤滑徑向軸承部分參數

水潤滑軸承是核主泵中最關鍵的部件之一，也是核主泵技術引進中隱患最多的部件[8]。國內學者對該水潤滑軸承進行了大量的仿真和試驗[8-9]。其中，實現對各工況下水膜壓力分布的測量，無疑對驗證液體動壓潤滑理論與測量軸承的動靜特性有重要的意義。

對于固定瓦軸承，尤其是臥式布置的固定瓦軸承，對載荷-偏心和潤滑膜壓力的測量技術已經非常成熟。CHILDS、CHATTERTON等學者采用浮動軸承加載，即將轉子固定在浮動安裝的軸承上施加靜載荷的方式，設計了若干軸承試驗臺[10-14]。上述試驗臺通過在軸上或固定圓瓦軸承瓦面上埋置傳感器，測得了臥式轉子-軸承系統的瓦面壓力分布，如圖 1所示。

和固定瓦軸承不同，為了保證瓦塊的自由運動，測量可傾瓦軸承瓦面壓力時，無法將傳感器從軸承座置入軸瓦表面，而需要從瓦背置入。又由于軸承采用一般狀態下具有一定導電能力的水進行潤滑，且內部存在一定供水背壓，由此帶來傳感器出線密封、絕緣等問題。因此對軸承潤滑膜壓力分布的測量尚未涉及水潤滑可傾瓦軸承。

另外，立式軸承和臥式軸承對軸承安裝精度要求有很大的不同。在廣泛采用的臥式軸承試驗臺布置中[10-12]，軸承的自重和加載方向是相同的。在軸頸起飛之后，液膜力即可抵消重力的作用。且由于液膜力隨液膜厚度減小顯著增加，由此在軸頸傾斜時，浮動安裝的軸承會受到潤滑膜提供的隨傾斜角度增大的回正力矩。因而，臥式軸承試驗臺有很強的抗軸承傾斜擾動能力。其約束機構通常形式簡單,如圖2所示。

圖2 浮動軸承約束機構(框內)[12]

而對于立式軸承試驗臺，通過下文分析可知，軸承的重力影響大不相同，初始間隙不均往往導致轉子起飛失敗。有鑒于此，本文作者對核主泵立式水潤滑可傾瓦軸承進行縮比，通過反向加載、瓦上置入壓力傳感器陣列手段，采用適合立式轉子加載工況的軸承約束機構，研制了立式四瓦可傾瓦水潤滑軸承試驗臺，為水潤滑導軸承的靜動力學特性、故障診斷、壽命預測的深入研究提供試驗條件。

1 基本結構和工作原理

建立的試驗臺如圖 3、圖 4所示。在試驗臺中，轉子架于2個角接觸徑向軸承之間，由膜片聯軸器與三相異步電機(配有變頻器)相連。

圖3 試驗臺結構

圖4 試驗臺照片

試驗軸承為剖分式結構，安裝于兩導軸承中央，通過4個滾珠支角支于支撐架上。軸承參數通過縮比計算得到，縮比中保證了寬徑比、相對間隙和Summerfeld數相同。縮比參數如表2所示。

表2 軸承縮比前后參數

軸承上下兩端面各有一組正交的位移傳感器，用于測量轉軸渦動。軸承座上開有出、入水口，與潤滑系統相連，上下端裝有水封，以保持內部壓力。

整個試驗臺按照功能可分為測量系統、加載激勵和軸承約束系統、供水和密封系統、數據采集系統。下面將進一步介紹各部分系統。

1.1 加載、激勵和軸承約束系統

如圖 5所示，試驗臺通過固連在支撐架上的液壓油缸施加徑向載荷。載荷施加點位共兩處，分別對應瓦向加載和瓦間加載，兩處加載點相隔45°。與每種加載工況相對應，每個加載槽左右各有一激勵點位，分別位于加載槽順時針45°處和逆時針45°處。試驗時可以旋轉試驗軸承，以實現瓦向、瓦間2種靜載荷加載方式。

加載和激勵機構還需要配合約束機構使用。約束機構需將軸承的運動約束在加載力和激勵力平面內，同時保證軸承能夠在該平面內自由運動。臥式軸承試驗臺軸承浮動多采用繩吊掛的方式[12-13]。

若將吊掛法用于立式軸承試驗臺，據此討論圖 6中軸承安裝傾斜對系統造成的影響。軸承安裝完成后，由于掛繩長度不一致，造成軸承傾斜θ0。此時軸承邊緣不與轉子接觸的條件是：

圖6 掛繩長度不一致造成的軸承傾斜(a)和糾正傾斜所需克服的重力矩(b)

θ0<θ0,max=arctan(ψ/λ)

(1)

以文中試驗件為例，間隙比ψ=0.1%，寬徑比λ=1，得到:

θ0,max=0.057°

而滿足此條件要求掛繩長度差別滿足下式：

Δs<Δsmax=2lsinθmax

(2)

其中l為懸掛點到軸承重心的水平距離。當掛點在軸承座邊緣時,Δs能夠取到最大值，即

Δsmax=0.26 mm

和臥式軸承不同，只有當水膜力矩大于軸承重力矩時，才能改變軸承姿態。此時，根據靜平衡條件，在軸承最終平衡的位置水膜力和重力矩相等，即：

Mfilm(θstatic)=mgl

(3)

注意到θstatic在存在初始傾斜θ0時不可能為0。因若θstatic為0，水膜厚度沿軸向處處相等，無法產生偏轉力矩。也就是說，立式軸承試驗臺在軸承安裝產生一初始偏角時，不可能通過水膜力使得軸承回到與軸頸平行狀態。因此，和臥式軸承試驗臺不同，對于立式軸承試驗臺，其初始狀態軸承與軸頸的平行度的精確調節尤其重要。

進一步地，即使軸承被一等長平行繩組吊掛至和轉子呈平行狀態，若對軸承施加靜載荷，軸承的水平移動將在繩中產生一回正力(如圖 7所示)，其大小為

圖7 掛繩偏角產生的回正力

Frope=mgtanα

(4)

其中α為繩偏角。此時軸承在外加靜載荷、回正力和水膜力下平衡：

Fstatic=Frope+Ffilm

(5)

此時若認為水膜力和外載荷相等，則將在測量中引入一系統誤差，且繩長越短，軸承偏心越大，該誤差越大。

考慮到實現精確調節繩長的難度，以及采用繩吊掛時產生的測量系統誤差。文中設計了如圖8所示的滾珠支角。其由支座、調節螺桿、鎖緊螺母、球碗和滾珠(降低約束機構和軸承座之間的摩擦力)組成。支座上的孔為螺孔，與鎖緊螺母組成雙螺母調節機構。通過調整螺桿伸出長度來調節被試軸承安裝平面。

圖8 滾珠支腳及安裝示意

此時要實現公式(2)中的高度容差，允許的各螺桿間最大轉角差為

(6)

以M5細牙螺紋為例，螺紋導程p=0.5 mm，最大轉角差為

Δφ=187.2°

此時較為容易實現對軸承姿態的調節。

1.2 測量系統

試驗臺所測量的參數有轉軸轉速與鍵相、外加徑向載荷、水膜壓力分布、轉軸渦動軌跡、瓦面溫度和軸承進出口水壓。

其中轉速和鍵相通過安裝在轉速盤齒和鍵槽的電渦流傳感器獲得(如圖 9所示)。水膜壓力脈動通過埋入瓦塊的傳感器陣列獲得(如圖10所示)，每瓦共10只；每瓦另埋3只熱電偶，用于獲得瓦面溫度。轉軸渦動通過安裝在軸承上下兩端的電渦流傳感器獲得。其余各壓力參數通過相應流體回路上壓力表讀出。

圖9 轉軸渦動(a)和鍵相、轉速(b)的測量

圖10 傳感器安裝孔布置(a)和瓦塊裝配方式(b)

1.3 供水和密封系統

核主泵在正常運轉時，一回路冷卻水壓力約為2.41 MPa(如表1所示)。由于有這一供水背壓，核主泵軸承工作在全水膜狀態下。

為了保證水膜狀態和實際情況一致。試驗臺使用如圖11所示回路為被試軸承提供一定的供水背壓(試驗中為2 MPa)，液壓泵1出口壓力通過溢流閥2調定，被試軸承8進出口壓力通過調速閥5和減壓閥10調定。蓄能器7用于吸收來自水泵的壓力波動，被試軸承上下游壓力通過壓力表6、9讀出。

圖11 供水壓力回路

作為以水作潤滑劑的配套措施，所有部件需有防銹能力。試驗臺軸承座采用不銹鋼制造，考慮到不銹鋼和巴氏合金親合性差，瓦塊采用45鋼加工，表面作鍍鉻處理。傳感器背面引線處采用702硅膠密封。

測量水膜壓力的傳感器安裝在可傾瓦塊上，其引線通過軸承座上開孔引出。引線孔處需要密封，以保證潤滑回路不在該處卸荷。

引線的密封采用穿孔橡膠片組，在孔緣切縫以便于置線。外部用二分的金屬夾殼夾緊(圖12所示為半邊夾殼)，擰裝于軸承座上。橡膠片孔徑略小于引線直徑，外徑略大于夾殼內徑，保證預緊之后產生足夠大的密封壓力。

圖12 引線密封示意

2 試驗結果

對試驗臺的各項功能指標進行了測試，其中轉速1 588 r/min測試工況的部分結果如下。

如圖13所示，瓦面溫度隨載荷總體不斷上升，變化幅度約為10 ℃。圖14所示為潤滑水背壓隨載荷的變化，進出口壓力為每次試驗之前調定，進口壓力設定值接近2 MPa，出口壓力值平均比入口壓力低0.98 MPa，且該值保持穩定。說明試驗容器有良好的保壓性能。

圖13 1 588 r/min轉速下瓦向承載溫度-載荷曲線

將某一傳感器測得的轉軸渦動信號按周期疊加在一起，如圖15所示為設定工況下，連續的450個周期的轉子在某方向渦動的分量值。能夠看出每周期的位移曲線基本重合，說明試驗臺工作狀態穩定，有良好的重復性。

圖15 某通道測得位移(450周期疊加)

圖16、17所示為1 588 r/min轉速下轉子軸心軌跡圖和取其中一個通道所測位移分量的頻譜圖，能夠看到轉頻信號在其中占主導成分。

圖16 1 588 r/min轉速下軸心軌跡

圖17 1 588 r/min轉速下軸心軌跡頻譜

壓力傳感器所測得物理量為壓力的變化率。提取轉頻信號做插值處理得到如圖 18、19所示的壓力變化率云圖。

圖18 壓力變化率云圖和轉子軌跡圖(1)

圖19 壓力變化率云圖和轉子軌跡圖(2)

云圖中，近端為電機端，右側為該時刻軸心位置和軌跡。可以看出，壓力變化率云圖的峰值點相位大約比軸心軌跡提前90°，預測了峰值和谷值出現的位置，驗證了測試結果的合理性。

如圖 20、 21所示為1 588 r/min轉速下瓦間和瓦向承載2種加載方式下軸心平衡位置軌跡(轉軸順時針方向轉動)。由于靜載荷施加在軸承座上，因此隨著載荷不斷增加，軸心靜平衡位置向上移動。從2條軸心平衡位置軌跡可以看到軸承交叉剛度的影響。

圖20 瓦間承載工況軸心平衡位置軌跡

圖21 瓦向承載工況軸心平衡位置軌跡

3 結論

(1)按照相似準則對AP1000核主泵進行縮比設計，在滿足其Summerfeld數、寬徑比和間隙比的要求下，設計出適合試驗研究的軸承試件；通過比較臥式軸承試驗臺和立式軸承試驗臺在加載時對于軸承約束的不同，給出了適合立式軸承試驗臺的浮動軸承約束機構方案。

(2)結合AP1000核主泵全水膜條件，設計了供水和密封系統，保證了軸承能夠獲得一定的供水背壓，使其與核主泵軸承實際的運轉條件相符；裝備了與加載激勵系統相符合的傳感器系統，實現了對測算被試軸承動靜特性所需要的載荷、軸承-軸頸相對位移、水膜壓力、轉速、鍵相、瓦溫、供水壓力等參數的測量。

(3)對立式可傾瓦水潤滑軸承試驗臺進行性能測試，結果表明試驗臺轉速、壓力等參數控制準確，運行狀態良好，能夠開展核主泵水潤滑軸承動靜特性的試驗研究。