王 瑞 賈 謙,2 袁小陽(yáng)

1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，7100492.西安交通大學(xué)城市學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，西安，710018

0 引言

石墨軸承是在金屬軸承的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)并發(fā)展起來(lái)的炭質(zhì)軸承，炭質(zhì)軸承有著不同于金屬軸承的特性，如自潤(rùn)滑、耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量小等[1-2]。某核主泵中使用石墨可傾瓦推力軸承承載軸向載荷，但其軸系在高溫高壓、強(qiáng)腐蝕強(qiáng)輻射的液體等極其惡劣的工況下工作，該推力軸承的磨損將直接影響主泵的壽命[3-5]。由此，本文研究的石墨水潤(rùn)滑推力軸承對(duì)主泵的工作性能起決定性作用。

軸承的性能一般通過(guò)額定工況下的潤(rùn)滑性能來(lái)衡量，但本文研究的核主泵可傾瓦推力軸承在服役期間需要經(jīng)歷多次啟停，由于主泵系統(tǒng)的特殊性不能采用高壓頂起系統(tǒng)，因此對(duì)啟停階段低黏介質(zhì)潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑性能和摩擦學(xué)性能要求較高[6-7]。對(duì)于推力軸承，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某臨界值時(shí)，摩擦副完全脫開(kāi)形成完整的液膜，該界限轉(zhuǎn)速稱為“起飛轉(zhuǎn)速”，對(duì)應(yīng)的膜厚稱為“起飛膜厚”[8]。在轉(zhuǎn)速未到達(dá)起飛轉(zhuǎn)速時(shí)液膜并未完全形成，軸承處于邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)，在這種狀態(tài)下軸承的摩擦副將會(huì)劇烈磨損，這對(duì)軸承及整機(jī)的可靠性和壽命有極其嚴(yán)重的影響[9]。當(dāng)最小油膜厚度小于連續(xù)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑相關(guān)尺寸要求時(shí)，推力軸承會(huì)發(fā)生磨損，惰轉(zhuǎn)曲線將大幅度下移，長(zhǎng)時(shí)間低速惰轉(zhuǎn)運(yùn)行，可能導(dǎo)致推力軸承燒瓦，核主泵無(wú)法再次啟動(dòng)[10]。因此，水潤(rùn)滑軸承起飛轉(zhuǎn)速及磨損的量化研究對(duì)提高起飛性能、減小軸承的磨損有著重要意義[11]。

本文以核主泵半尺寸立式軸承為研究對(duì)象，建立石墨水潤(rùn)滑可傾瓦推力軸承的模型，采用摩擦副粗糙度作為衡量指標(biāo)，理論計(jì)算起飛轉(zhuǎn)速，進(jìn)行起飛臺(tái)架試驗(yàn)；進(jìn)行小試樣試驗(yàn)與啟停臺(tái)架試驗(yàn)，通過(guò)質(zhì)量磨損率Km來(lái)量化磨損結(jié)果，二者試驗(yàn)結(jié)果相互對(duì)比討論。

1 石墨水潤(rùn)滑推力軸承起飛轉(zhuǎn)速的量化

某核主泵軸系為立式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，含兩個(gè)徑向軸承和一個(gè)雙向推力軸承，為動(dòng)壓軸承。圖1是主泵軸系的結(jié)構(gòu)圖，主泵軸系由轉(zhuǎn)子、葉輪、上飛輪、下飛輪、徑向石墨軸承及推力石墨軸承等幾部分組成。針對(duì)軸系中的推力軸承，設(shè)計(jì)制備了半尺寸試驗(yàn)推力軸承，試驗(yàn)推力軸承參數(shù)如表1所示。計(jì)算時(shí)，載荷取全載W1、半載W2和四分之一載荷W3三組進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 某核主泵立式軸系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Vertical shafting diagram of a nuclear main pump

表1 試驗(yàn)推力軸承參數(shù)

1.1 起飛轉(zhuǎn)速的理論仿真

對(duì)于該屏蔽泵的立式轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，在啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子升速到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，推力盤與瓦面完全脫開(kāi)并形成完整水膜，進(jìn)行有效的潤(rùn)滑和支撐，此轉(zhuǎn)速即為起飛轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的膜厚即為起飛膜厚。為了說(shuō)明轉(zhuǎn)速、載荷和膜厚三者的關(guān)系，以推力軸承承載力方程為例[12]，最小膜厚

(1)

起飛膜厚一般與軸承和軸瓦接觸面的摩擦副有關(guān)，完整水膜必須保證膜厚大于兩個(gè)表面的粗糙度之和[12]，即

hmin≥hf=S(μ1+μ2)

(2)

式中，hf為起飛膜厚，μm；S為安全裕度；μ1、μ2為摩擦副表面粗糙度，μm。

使用MATLAB程序計(jì)算可傾瓦推力軸承膜厚，該程序的功能為：在輸入軸承的基本參數(shù)后，選擇載荷和轉(zhuǎn)速，即可求解軸承當(dāng)前工況下的受力及膜厚情況(最小膜厚、支點(diǎn)膜厚和瓦塊受力情況等)，程序的基本流程見(jiàn)圖2。

圖2 推力軸承計(jì)算流程圖Fig.2 Thrust bearing calculation flowchart

輸入試驗(yàn)軸承的基本參數(shù)(表1)，分別計(jì)算轉(zhuǎn)速?gòu)?到額定轉(zhuǎn)速1800 r/min的三種載荷下最小膜厚曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種載荷下軸承最小膜厚圖Fig.3 Minimum film thickness of bearing under three loads

三條最小膜厚曲線大致走勢(shì)相同，隨著載荷的增大，最小膜厚逐漸減小，此規(guī)律與文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果相近。在0～300 r/min內(nèi)最小膜厚增加較快，可推斷起飛膜厚可能處于300 r/min以內(nèi)。為驗(yàn)證軟件的正確性，計(jì)算文獻(xiàn)[14]中受力軸承的最小膜厚，與其對(duì)比發(fā)現(xiàn)最小膜厚誤差在5%以內(nèi)，可基本認(rèn)為軟件計(jì)算結(jié)果正確。

初定起飛膜厚處于300 r/min以內(nèi)，對(duì)0～300 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行較為細(xì)小的劃分，可得到盡可能多的最小膜厚與支點(diǎn)膜厚的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種載荷下的膜厚曲線Fig.4 Film thickness curve under three loads

為了保證擬合曲線的精度，令表示數(shù)據(jù)離散程度的R2在0.999以上，得到了三條最小膜厚的擬合曲線以及三個(gè)膜厚關(guān)于轉(zhuǎn)速的三階多項(xiàng)式方程。試驗(yàn)軸承的推力盤與石墨瓦的表面粗糙度分別為0.8 μm和1.6 μm，根據(jù)式(1)，取安全裕度S為1.5，得到最小膜厚hmin≥hf=3.6 μm。代入方程反求出膜厚為3.6 μm時(shí)的轉(zhuǎn)速：n1=216 r/min、n2=120 r/min和n3=76 r/min(圖4)。n1、n2、n3分別為全載W1、半載W2與四分之一載荷W3的理論起飛轉(zhuǎn)速，hz1是全載W1最小膜厚為3.6 μm時(shí)所對(duì)應(yīng)的支點(diǎn)膜厚，hz1=4.5 μm。

1.2 起飛轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)?zāi)M

改造已有的半尺寸立式軸承試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，見(jiàn)圖5。試驗(yàn)臺(tái)主要分為試驗(yàn)臺(tái)主體、變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載裝置、高壓油站和潤(rùn)滑與冷卻系統(tǒng)5個(gè)部分，采用靜壓加載方式，為配合水潤(rùn)滑低速啟停試驗(yàn)，將原有的大轉(zhuǎn)速低扭矩電機(jī)更換為額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min的大扭矩變頻調(diào)速電機(jī)以保證啟動(dòng)力矩，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部進(jìn)行防銹處理。

圖5 半尺寸立式軸承試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Half-size vertical bearing test bench

在測(cè)量水膜厚度時(shí)，采用美國(guó)BENTLY 3300XL 8mm電渦流傳感器系統(tǒng)進(jìn)行電渦流位移測(cè)量。圖6所示為起飛膜厚測(cè)試的傳感器布置方案，傳感器布置在兩個(gè)瓦塊之間并固定在推力軸承座上，徑向按照徑向偏支系數(shù)固定在6片瓦塊支點(diǎn)形成的圓上，以保證測(cè)得的膜厚為支點(diǎn)處的膜厚(此處未考慮推力盤的傾斜情況)。傳感器端面在靜態(tài)下與推力盤表面距離為1.2 mm，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推力盤由于液膜的作用而上浮，傳感器可測(cè)得支點(diǎn)處的上浮情況，即為支點(diǎn)膜厚。為了保證支點(diǎn)膜厚測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度，采用三個(gè)測(cè)點(diǎn)相互間隔120°來(lái)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖6 起飛膜厚測(cè)試原理圖Fig.6 Take-off film thickness test schematic diagram

圖7 起飛臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Take-off bench test data curve

1.3 理論與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比與討論

由于傳感器測(cè)得的膜厚為全載W1時(shí)支點(diǎn)處的膜厚，因此需與全載W1理論支點(diǎn)處的膜厚進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

(1)試驗(yàn)測(cè)得的支點(diǎn)膜厚走勢(shì)與理論支點(diǎn)膜厚大體趨勢(shì)相同。

(2)在轉(zhuǎn)速較低時(shí)(0～80 r/min)，試驗(yàn)支點(diǎn)膜厚與理論出入較大(試驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定，而理論結(jié)果則保持均勻上升)，分析原因可能是轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由于推力盤和軸瓦的粗糙度導(dǎo)致試驗(yàn)未生成完整水膜，而理論膜厚采取全膜潤(rùn)滑的計(jì)算方法。

(3)隨著轉(zhuǎn)速的增加(90 ～ 180 r/min)，試驗(yàn)曲線與理論曲線愈發(fā)接近，可認(rèn)為已逐漸形成完整的潤(rùn)滑水膜。在轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，理論曲線與試驗(yàn)結(jié)果第一次相交，并隨著轉(zhuǎn)速的增大二者曲線逐漸纏繞，因此認(rèn)為試驗(yàn)轉(zhuǎn)速ns=180 r/min時(shí)，試驗(yàn)已經(jīng)產(chǎn)生完整水膜進(jìn)行潤(rùn)滑。

試驗(yàn)測(cè)得的起飛轉(zhuǎn)速(ns=180 r/min)與理論計(jì)算結(jié)果(n1=216 r/min)的誤差為20%，這可能與試驗(yàn)所采用推力盤與軸瓦的粗糙度有關(guān)，另一方面安全裕度S的取值也將影響二者的誤差。

2 石墨水潤(rùn)滑推力軸承磨損的量化

從推力軸承啟動(dòng)到到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)，整個(gè)瓦塊與推力盤的潤(rùn)滑過(guò)程可分為邊界潤(rùn)滑階段、不連續(xù)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段和流體動(dòng)壓潤(rùn)滑階段。瓦塊磨損的主要原因是在未達(dá)到起飛轉(zhuǎn)速時(shí)與推力盤接觸產(chǎn)生的干摩擦與邊界摩擦，多次的啟停會(huì)加劇瓦塊的磨損，嚴(yán)重影響核主泵推力軸承的壽命[15]。因此有必要對(duì)啟停階段瓦塊的磨損情況進(jìn)行研究，便于找出應(yīng)對(duì)措施和改造辦法。

2.1 石墨-不銹鋼摩擦副的小試樣試驗(yàn)

石墨-不銹鋼摩擦副小試樣試驗(yàn)是為模擬臺(tái)架啟停試驗(yàn)中石墨瓦塊與不銹鋼推力盤摩擦的過(guò)程。

(1)試驗(yàn)儀器。用于小試樣試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器一般為各種型號(hào)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。在試驗(yàn)室里做試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品是材料加工成的小件。基于以上條件，選擇UMT-2摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。摩擦因數(shù)通過(guò)力傳感器感受載荷力N和水平摩擦力F并轉(zhuǎn)化成信號(hào)輸出，然后由計(jì)算機(jī)利用公式μf=F/N求出。磨損量用質(zhì)量磨損率Km來(lái)代表，質(zhì)量磨損率是單位滑動(dòng)距離上每單位面積摩擦表面質(zhì)量的減少量，單位為kg/m3，即

(3)

式中，m為材料磨損質(zhì)量，g；s為相對(duì)滑動(dòng)距離，m；Aα為接觸表面積，m2。

(2)試樣制備。為了研究核主泵瓦塊的磨損情況，采用了一種新型石墨材料，材料性能參數(shù)見(jiàn)表2。小試樣試驗(yàn)采用石墨試驗(yàn)銷-不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)試驗(yàn)盤的面-面接觸形式進(jìn)行摩擦。將該新型石墨材料制成φ6×15 mm的石墨試驗(yàn)銷和φ40×5 mm的不銹試驗(yàn)盤，見(jiàn)圖8。

表2 石墨試樣物理性能參數(shù)

(a)石墨試驗(yàn)銷 (b)不銹鋼試驗(yàn)盤圖8 基本摩擦學(xué)試驗(yàn)試樣Fig.8 Basic tribology test specimen

(3)試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定。小試樣試驗(yàn)主要模擬軸承實(shí)際工作時(shí)候的PV值(P為軸承工作時(shí)比壓，V為工作時(shí)轉(zhuǎn)速)，具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定描述如下：主泵的全載W1、n1=216 r/min，半載W2、n2=120 r/min，四分之一載荷W3、n3=76 r/min。根據(jù)表1計(jì)算可知軸承在達(dá)到起飛轉(zhuǎn)速時(shí)三種載荷的PV值分別為4.86 MPa·m/s、1.35 MPa·m/s和0.43 MPa·m/s。因此試驗(yàn)分別在相同的PV值下進(jìn)行，試驗(yàn)的壓力值設(shè)定為5 MPa，石墨銷的直徑為6 mm，由F=pπr2換算為機(jī)器施加的載荷：Q1=137 N、Q2=38 N和Q3=12 N，試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)速度均設(shè)為1 m/s。

(4)試驗(yàn)結(jié)果。摩擦因數(shù)試驗(yàn)時(shí)間為10 min，磨損量測(cè)試時(shí)間為24 h。得到了該石墨材料的摩擦因數(shù)平均值μf= 0.203，稱重采用BSA124 S電子天平(120 g/0.1 mg)，稱量三種工況下的材料磨損質(zhì)量m(全載工況、半載工況和四分之一載荷工況的材料磨損質(zhì)量分別為m1、m2和m3)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。將磨損的質(zhì)量代入式(3)，可計(jì)算出該新型石墨材料在三種工況下的質(zhì)量磨損率：Km1=1.74×10-3g/m3、Km2=0.95×10-3g/m3和Km3=0.62×10-3g/m3。

表3 三種工況下試驗(yàn)?zāi)p的質(zhì)量

2.2 臺(tái)架啟停試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備。臺(tái)架啟停試驗(yàn)中軸承的材料是性能參數(shù)如表2所示的石墨，以表1試驗(yàn)推力軸承參數(shù)制作石墨可傾瓦推力軸承，試驗(yàn)在上述半尺寸立式軸系試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。

(2)試驗(yàn)過(guò)程。啟停工況是水潤(rùn)滑石墨軸承磨損的主要因素之一，本文在半尺寸立式軸承試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)全載工況下主泵的水潤(rùn)滑石墨推力軸承進(jìn)行啟停試驗(yàn)，主要模擬核主泵低速啟停。試驗(yàn)過(guò)程為：①試驗(yàn)臺(tái)上電，潤(rùn)滑回路開(kāi)啟，測(cè)試系統(tǒng)待機(jī)；②驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速在5 min內(nèi)由0慢慢啟動(dòng)到起飛轉(zhuǎn)速n1=216 r/min，啟動(dòng)過(guò)程監(jiān)測(cè)軸承的運(yùn)行情況及軸瓦的溫升；③運(yùn)行30 min后電機(jī)減速，減速5 min后轉(zhuǎn)速降為0。

(3)試驗(yàn)結(jié)果。本文將石墨推力軸承磨損的測(cè)試原理稱為稱重計(jì)算質(zhì)量磨損率，即在試驗(yàn)前后對(duì)推力瓦塊進(jìn)行超聲波清洗烘干稱重，將試驗(yàn)前后的質(zhì)量差代入式(3)計(jì)算出全載工況下的質(zhì)量磨損率。試驗(yàn)結(jié)束后使用精度為1000 g/0.01 g的LT1002E電子天平測(cè)量石墨瓦塊的磨損情況，其中磨損量是從經(jīng)過(guò)了8次重復(fù)啟停過(guò)程的軸瓦上測(cè)得的。試驗(yàn)前后推力瓦塊對(duì)比如圖9所示，軸瓦在試驗(yàn)后有明顯的劃痕磨損，說(shuō)明在啟停階段軸瓦與推力盤并非產(chǎn)生全膜潤(rùn)滑，其摩擦性質(zhì)可能以邊界摩擦為主。主泵啟停試驗(yàn)需要重復(fù)啟停2000余次，本文只進(jìn)行了8次啟停，表4為推力軸承瓦塊磨損測(cè)量數(shù)據(jù)，磨損的質(zhì)量取6塊瓦塊的平均質(zhì)量差。

圖9 2號(hào)瓦塊試驗(yàn)前后對(duì)比圖Fig.9 Comparison chart before and after No.2 tile test

將試驗(yàn)計(jì)算得到的平均質(zhì)量損失ms=0.38 g代入式(3)，計(jì)算出全載180 kN試驗(yàn)質(zhì)量磨損率Kms=1.25×10-3g/m3。試驗(yàn)結(jié)論如下。

(1)所選新型石墨材料的性能優(yōu)良，在臺(tái)架試驗(yàn)中磨損極小，磨損質(zhì)量在0.31～0.43 g之間，質(zhì)量磨損率Kms=1.25×10-3g/m3，適宜在極端工況長(zhǎng)期使用。

表4 推力軸承瓦塊磨損測(cè)量數(shù)據(jù)

(2)試驗(yàn)后有明顯劃痕，說(shuō)明在轉(zhuǎn)子啟停階段確實(shí)有邊界摩擦接觸。

2.3 小試樣試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)的對(duì)比與討論

在上文中，對(duì)全載180 kN、起飛轉(zhuǎn)速216 r/min的工況進(jìn)行了24 h的磨損試驗(yàn)，分析計(jì)算得到Km1=1.74×10-3g/m3。而在臺(tái)架啟停試驗(yàn)中對(duì)全載工況進(jìn)行了8次啟停試驗(yàn)，分析計(jì)算得到Kms=1.25×10-3g/m3，二者的誤差為39.2%。原因可能為以下三點(diǎn)。

(1)由于磨損的時(shí)間較短，得到的磨損質(zhì)量較小，導(dǎo)致稱重測(cè)量不夠精確，可能存在一定誤差。

(2)小試樣試驗(yàn)環(huán)境為恒定的，而臺(tái)架啟停試驗(yàn)則是啟停的變化工況，雖然采取了等PV值的模擬辦法，但結(jié)果還是會(huì)有一定誤差。

(3)小試樣試件與臺(tái)架啟停試驗(yàn)試件尺寸差距過(guò)大，這可能也會(huì)導(dǎo)致磨損的實(shí)際過(guò)程發(fā)生一些變化。

雖然小試樣試驗(yàn)與臺(tái)架啟停試驗(yàn)二者結(jié)果有一定誤差，但小試樣試驗(yàn)依舊能對(duì)大型臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行有效的預(yù)估。這可以顯著降低臺(tái)架試驗(yàn)的成本，并對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行一定的評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

(1)利用摩擦副粗糙度對(duì)起飛轉(zhuǎn)速進(jìn)行了量化，與起飛臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差為20%，證明利用摩擦副的粗糙度來(lái)衡量計(jì)算起飛轉(zhuǎn)速具有一定的可行性。

(2)利用質(zhì)量磨損率對(duì)小試樣試驗(yàn)與啟停臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了量化，二者的結(jié)果誤差為39.2%。小試樣試驗(yàn)可以對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)估或者試驗(yàn)評(píng)價(jià)，但不能完全替代。

(3)本文起飛轉(zhuǎn)速和磨損的量化方法可為水潤(rùn)滑軸承其他參數(shù)的量化提供一定參考。