趙 陽

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

0 前言

水輪機(jī)的滑動部位，如導(dǎo)葉軸瓦、連桿軸瓦等，最初采用加注潤滑脂的方式進(jìn)行潤滑，但由于環(huán)境保護(hù)及機(jī)組保養(yǎng)維護(hù)的要求，無油潤滑的軸瓦在水電行業(yè)中被大量采用［1，2］。

水電行業(yè)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(jié)合為一體的自潤滑軸承材料，其結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(fā)生磨損，此時其表層的固體潤滑劑從軸承表面釋放并機(jī)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(wěn)定固體潤滑膜，達(dá)到自潤滑的功效。如國產(chǎn)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(jié)構(gòu)示意圖

1.2 粉末冶金整體燒結(jié)固體自潤滑瓦

粉末冶金整體燒結(jié)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(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，以燒結(jié)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(fù)合軸承材料，自潤滑機(jī)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(jié)，形成自潤滑復(fù)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(yè)中采用銅合金作為燒結(jié)基體材料的較多［9，10］。如國產(chǎn)的 FZ-6、進(jìn)口的 DEVA-BM均屬于這種類型的軸瓦。

圖2 粉末冶金整體燒結(jié)軸瓦結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(zhuǎn)移形成固體潤滑模，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)的FZ-5、進(jìn)口的OILES均屬于這種類型的軸瓦。

圖3 金屬基鑲嵌型軸瓦結(jié)構(gòu)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(huán)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(jī)、無機(jī)填料為填充材料，添加纖維及彈性材料進(jìn)行增強(qiáng)、混合后熱壓成型的軸承套［11－15］。如進(jìn)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(qiáng)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(jī)械性能、摩擦系數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)纖維材料、TX為適應(yīng)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(qiáng)度玻璃纖維定向，由增強(qiáng)的環(huán)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(huán)氧樹脂中，環(huán)氧樹脂中加入固體潤滑劑，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 玻璃纖維基的軸瓦結(jié)構(gòu)示意圖

如進(jìn)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(yōu)良的軸瓦應(yīng)具有性能、尺寸穩(wěn)定，摩擦系數(shù)低，抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，此節(jié)將對水電行業(yè)常用的軸瓦材料的性能進(jìn)行比較。

3.1 產(chǎn)品樣本的性能指標(biāo)

軸瓦廠家產(chǎn)品樣本給出的性能指標(biāo)見表1。

表1 軸瓦廠家產(chǎn)品樣本性能指標(biāo)

3.2 軸瓦性能試驗(yàn)對比結(jié)果

模擬水輪發(fā)電機(jī)組自潤滑軸瓦的使用場景，采用美國進(jìn)口UMT-3摩擦試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行不同材料自潤滑軸瓦的摩擦系數(shù)及磨損量對比試驗(yàn)。

UMT-3摩擦試驗(yàn)機(jī)的工作原理：運(yùn)動方式為往復(fù)運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在滑行或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動過程中，上試樣固定不動下式樣作單向滑行或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，用應(yīng)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(shù)為Fx／Fz的比值，摩擦系數(shù)由試驗(yàn)機(jī)對每個摩擦信號在有效區(qū)間計算平均值，得到摩擦系數(shù)測試值。速度、時間、載荷為定值，整個試驗(yàn)由預(yù)先編好的程序來控制自動完成，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計算機(jī)自動采集，質(zhì)量磨損用電子天平來測量。

UMT-3摩擦試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)參數(shù)：載荷范圍：1～1000N；最高分辨率：50nm；轉(zhuǎn)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(jìn)行性能試驗(yàn)，獲得如圖5～6所示的結(jié)果。

圖5 摩擦系數(shù)對比結(jié)果

圖6 磨損量對比結(jié)果

3.3 軸瓦受力分析結(jié)果比較

根據(jù)3.1，3.2的性能比較結(jié)果可知，不同材料的軸瓦各項性能指標(biāo)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(shù)也比金屬軸瓦高。

考慮軸瓦材料的彈性模量不同，對水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉進(jìn)行剛強(qiáng)度的有限元分析計算，具體計算結(jié)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(dǎo)葉變形及導(dǎo)葉應(yīng)力均有一定影響。同等載荷條件下，非金屬軸瓦導(dǎo)葉變形大，軸瓦的壓應(yīng)力也偏高。

圖7 不同軸瓦導(dǎo)葉變形計算結(jié)果

圖8 不同軸瓦導(dǎo)葉壓應(yīng)力計算結(jié)果

4 結(jié)論

水泵水輪機(jī)工況復(fù)雜，過渡工況較多，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)自潤滑瓦材料的選擇就顯得尤為重要。

由3節(jié)可知，選用同等間隙的導(dǎo)葉軸瓦，彈性模量較小的非金屬軸瓦導(dǎo)葉變形較大，導(dǎo)葉軸瓦的壓應(yīng)力較高。在受力較大的位置，應(yīng)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(guī)關(guān)注的軸瓦的抗壓強(qiáng)度及摩擦系數(shù)外，材料的彈性模量對導(dǎo)葉變形及應(yīng)力的影響也不容小覷。同時材料的吸水膨脹率、線膨脹系數(shù)與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行也息息相關(guān)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。