王春艷，李玉福

（1.長(zhǎng)春師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032；2.長(zhǎng)春水務(wù)集團(tuán)有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130012）

水力發(fā)電依靠水力推動(dòng)發(fā)電機(jī)組中的轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)行發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行時(shí)需要保證轉(zhuǎn)子和軸瓦間不發(fā)生接觸而磨損轉(zhuǎn)子。傳統(tǒng)的巴氏合金軸瓦在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生軸瓦表面與轉(zhuǎn)子直接接觸的情況，造成轉(zhuǎn)子的磨損。為了避免轉(zhuǎn)子磨損，彈性金屬塑料軸瓦取代傳統(tǒng)的巴氏合金軸瓦越來(lái)越多的應(yīng)用于大型水力發(fā)電機(jī)組中。金屬塑料軸瓦的表層材料由聚四氟乙烯（PTFE）構(gòu)成，通過(guò)銅絲焊接到鋼坯基體上，其具體形式如圖1所示。聚四氟乙烯材料有較強(qiáng)的抗腐蝕能力和較好的摩擦性能，在機(jī)組啟停階段可以減少軸瓦表面和轉(zhuǎn)子端面的接觸，降低轉(zhuǎn)子磨損的概率。

金屬塑料軸瓦最早始于前蘇聯(lián)。從1990年開(kāi)始，我國(guó)在水力發(fā)電機(jī)上陸續(xù)試運(yùn)行和使用金屬塑料瓦推力軸承。金屬塑料瓦瓦面材料是聚四氟乙烯復(fù)合材料，具有與傳統(tǒng)金屬瓦不同的摩擦特性，為此人們針對(duì)其潤(rùn)滑理論和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究[1-7]。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，尤其是隨著水力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加，金屬塑料瓦的應(yīng)用得到了迅速的推廣。雖然取得較為滿意的運(yùn)行效果，但使用過(guò)程中仍然出現(xiàn)一些問(wèn)題[8]，比如瓦面劃傷等現(xiàn)象。引起軸瓦瓦面劃傷的原因有很多，如軸瓦表面形貌等。受限于軸瓦的加工方式，軸瓦表面存在一定形式的形貌分布，這些形貌分布改變了軸瓦的壓力分布和潤(rùn)滑效果。本文從軸瓦表面形貌對(duì)摩擦性能的影響的角度出發(fā)，建立軸瓦工作時(shí)的理論模型，實(shí)驗(yàn)測(cè)量軸瓦的表面形貌，數(shù)值分析軸瓦表面形貌對(duì)軸瓦摩擦性能的影響。

圖1 金屬塑料軸瓦結(jié)構(gòu)

1 理論模型

在工作時(shí)，軸瓦表面由于動(dòng)壓效應(yīng)形成一層潤(rùn)滑介質(zhì)膜，在水力發(fā)電機(jī)組中，通常用水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，形成的控制方程可表示為：

其中，ue為潤(rùn)滑介質(zhì)的卷吸速度，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和軸瓦速度的平均值。η是潤(rùn)滑介質(zhì)的黏度，本文工況中，水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，其黏度值為0.000754，Pa·s，ρ 是潤(rùn)滑介質(zhì)的密度，本文中，介質(zhì)的密度為1×103kg/m3，由于水的黏度較小，黏度隨壓力變化不明顯，所以忽略潤(rùn)滑介質(zhì)的黏壓特性。方程(1)中的h 代表形成的潤(rùn)滑介質(zhì)膜的厚度，其具體表示形式為：

其中，潤(rùn)滑介質(zhì)厚度為接觸體參數(shù)Bx，By，彈性變形v以及上下表面粗糙度δ1，δ2的函數(shù)。

彈性變形v 可以表示成：

在求解過(guò)程中，根據(jù)載荷平衡關(guān)系對(duì)整體方程組進(jìn)行封閉：

對(duì)方程(1)～(4)進(jìn)行數(shù)值離散，用迭代法進(jìn)行求解，利用載荷平衡作為判斷收斂的條件，理論分析軸瓦的表面形貌對(duì)摩擦性能的影響。

2 軸瓦表面形貌的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為了表征軸瓦表面的形貌分布，本文采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)軸瓦的表面形貌進(jìn)行了測(cè)量，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示:

圖2 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x實(shí)驗(yàn)臺(tái)

由于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是測(cè)量零件上某一點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)。為了能全面地表示軸瓦的表面形貌，在軸瓦上取若干個(gè)點(diǎn)，測(cè)量其表面高度分布。所取的測(cè)量點(diǎn)分布形式如圖3所示：

圖3 軸瓦表面測(cè)量點(diǎn)分布

測(cè)量軸瓦表面的高度分布結(jié)果如圖4所示。圖4中離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)為實(shí)測(cè)表面高度數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)量的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到較為光滑的可以反映軸瓦整體表面高度分布的數(shù)據(jù)。相比于未處理的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，擬合后的結(jié)果適于數(shù)值計(jì)算分析。

圖4 軸瓦表面高度測(cè)量結(jié)果

圖5 理想工況和實(shí)際工況形成的摩擦因數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

第二節(jié)建立了軸瓦運(yùn)行時(shí)的控制方程，第三節(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了軸瓦的表面形貌。在本節(jié)中，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量的軸瓦表面形貌耦合到控制方程中，數(shù)值計(jì)算考慮表面形貌時(shí)的軸瓦壓力和潤(rùn)滑介質(zhì)分布情況。為了綜合考慮軸瓦的摩擦性能，將壓力和潤(rùn)滑介質(zhì)分布表示成摩擦因數(shù)的形式。軸瓦運(yùn)動(dòng)形成的摩擦因數(shù)由潤(rùn)滑介質(zhì)的剪切應(yīng)力構(gòu)成，潤(rùn)滑介質(zhì)所形成的剪切應(yīng)力τl可通過(guò)公式(5)進(jìn)行計(jì)算：

將計(jì)算的剪切應(yīng)力在整體計(jì)算區(qū)域中積分，形成拖曳力，然后除以與軸瓦所承擔(dān)的載荷即可得到軸瓦運(yùn)行時(shí)的摩擦因數(shù)：

計(jì)算理想光滑表面時(shí)軸瓦形成的摩擦因數(shù)和考慮實(shí)際表面形貌后形成的摩擦因數(shù)隨軸瓦轉(zhuǎn)速的分布如圖5所示。當(dāng)水力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)和停止階段，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)速度相對(duì)較低，考慮表面形貌時(shí)形成的摩擦因數(shù)相對(duì)較大，當(dāng)機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后，速度相對(duì)較高，實(shí)際工況和理想工況形成的摩擦因數(shù)基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了金屬塑料軸瓦工作時(shí)的控制方程，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了軸瓦的表面形貌，結(jié)合軸瓦運(yùn)行時(shí)的摩擦因數(shù)分析了軸瓦工作時(shí)不同表面形貌對(duì)摩擦性能的影響，在機(jī)組啟動(dòng)和停止階段，由于表面形貌的存在，形成的摩擦因數(shù)相對(duì)較大。

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