周俊麗 阮 琪 楊 帥 王 賀 賈 謙

(1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)質(zhì)量技術(shù)檢測檢驗(yàn)中心 內(nèi)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(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院 陜西西安 710048；4.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 陜西西 安710049;5.西安交通大學(xué)城市學(xué)院機(jī)械工程系 陜西西安 710018)

隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的快速發(fā)展，我國在機(jī)械工業(yè)方面的重大裝備正在逐漸實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但是一些應(yīng)用于特殊場合的關(guān)鍵零部件，如高參數(shù)滑動(dòng)軸承、機(jī)械密封等的核心技術(shù)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(shù)滑動(dòng)軸承，其設(shè)計(jì)及試驗(yàn)技術(shù)對(duì)我國發(fā)展新一代核電及航空發(fā)動(dòng)機(jī)至關(guān)重要[3]。推力軸承在核主泵、水輪機(jī)組等立式設(shè)備中起著重要作用，其工作時(shí)候的穩(wěn)定性會(huì)直接影響到整個(gè)機(jī)組的安全，不容忽視[4]。因此對(duì)于推力軸承的潤滑狀態(tài)檢測是一項(xiàng)重要的工作，通常檢測的指標(biāo)包括潤滑膜的厚度、溫升及壓力等指標(biāo)，其中對(duì)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(duì)推力軸承十分重要。

針對(duì)推力軸承的試驗(yàn)研究，研究者們已做過大量的工作。歐陽武等[6-7]針對(duì) AP1000 核主泵水潤滑軸承長壽命、高可靠的設(shè)計(jì)需求，建立了核主泵半尺寸水潤滑徑向軸承試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)除了支持現(xiàn)象模擬和模型驗(yàn)證，還可提供可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)條件支持軸承考核性試驗(yàn)，研究成果為核主泵水潤滑全尺寸軸承研制提供了試驗(yàn)技術(shù)參考。王瑞等人[8]在立式軸承試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了石墨軸承啟停試驗(yàn)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(duì)于改善軸承潤滑性能，提高機(jī)組壽命起著關(guān)鍵作用。為了實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)軸承潤滑油膜厚度這一關(guān)鍵參數(shù)的精密動(dòng)態(tài)檢測，張平、張小棟等[9-10]構(gòu)建了基于雙路光纖的油膜厚度動(dòng)態(tài)精密檢測模型，以對(duì)光纖傳感器的非線性特性進(jìn)行補(bǔ)償，并對(duì)油膜厚度動(dòng)態(tài)信號(hào)中的噪聲進(jìn)行濾除。同時(shí)，研究人員還采用超聲方法進(jìn)行潤滑膜厚度的測量。如國內(nèi)的研究人員采用超聲作為測量手段對(duì)滑動(dòng)軸承的潤滑膜檢測進(jìn)行了相關(guān)的理論和試驗(yàn)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(jié)果。

本文作者研究的對(duì)象是核主泵推力軸承摩擦副，其潤滑介質(zhì)黏度較低且工作于高溫高壓等極端工況下，與之相關(guān)的潤滑膜超聲檢測技術(shù)對(duì)檢測精度要求更高。與以上文獻(xiàn)的研究相比文中在理論分析及試驗(yàn)中引入溫度、壓力等環(huán)境因素，進(jìn)行環(huán)境因素對(duì)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(tài)的超聲檢測模型

1.1 核主泵推力軸承基本結(jié)構(gòu)

由于滑動(dòng)軸承工作時(shí)軸承表面和軸頸表面有相對(duì)滑動(dòng)，從減少摩擦、磨損和因摩擦引起的發(fā)熱方面考慮軸承必須進(jìn)行潤滑?；瑒?dòng)軸承的潤滑形式有流體動(dòng)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(duì)象為核主泵，核主泵是核電站的心臟，其主要功能就是驅(qū)動(dòng)核島內(nèi)高放射性高溫高壓水循環(huán)，將反應(yīng)堆芯核裂變的熱能傳遞給蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，從而推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。一個(gè)核電站有多個(gè)主泵，典型的核主泵軸系結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，整個(gè)軸系由4個(gè)徑向軸承、1個(gè)雙向推力軸承、機(jī)械密封、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)子及葉輪等組成，其中4個(gè)徑向軸承分別為電機(jī)導(dǎo)軸承1#、2#以及葉輪導(dǎo)軸承1#、2#。

推力軸承摩擦副的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子組成。

圖1 典型的核主泵軸系及軸承結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

1.2 潤滑狀態(tài)的超聲檢測模型

推力軸承摩擦副的典型結(jié)構(gòu)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(jī)組，推力軸承被使用在核主泵中，潤滑的介質(zhì)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(zhì)為去離子水，推力盤的材料為高強(qiáng)度不銹鋼。從圖2中可以看出，潤滑介質(zhì)在軸瓦和推力盤之間因?yàn)閯?dòng)壓效應(yīng)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(qū)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(dāng)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(hào)在固-液、固-液界面的反射信號(hào)會(huì)產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，此時(shí)就可以采用一系列的輕質(zhì)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(jié)構(gòu)Fig 2 Typical structure of friction pair of thrust bearing

對(duì)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(shù)R可以利用式(1)來進(jìn)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(hào)的頻域幅值;Ac為超聲波在參考界面上反射信號(hào)的頻域幅值;Rc為超聲波在參考界面上的反射系數(shù);f為超聲波的發(fā)射頻率;K為潤滑膜的剛度系數(shù);Z和Z′為潤滑膜上下2個(gè)固體層的聲阻抗。

根據(jù)超聲波在潤滑膜與固體交界面處的時(shí)域反射信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換可獲得超聲波在該界面上的頻域幅值A(chǔ)。同理，根據(jù)超聲波在潤滑膜與參考交界面處的時(shí)域反射信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換可獲得Ac。潤滑膜厚度h的表達(dá)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(shí)的聲阻抗。

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

2 環(huán)境因素的分析及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境因素的分析和量化表征

研究的推力軸承在運(yùn)行過程中和潤滑膜相關(guān)的環(huán)境因素可表征為溫度、壓力、流量、振動(dòng)等軸承的潤滑及動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)。文中主要考慮的是軸承靜特性參數(shù)中的溫度t和壓力p。圖4所示為根據(jù)表1中相關(guān)的工況參數(shù)計(jì)算得到的推力軸承在額定轉(zhuǎn)速下的t和p分布?？梢娫摃r(shí)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(shí)測數(shù)據(jù)中表明，核主泵水潤滑推力軸承的潤滑膜工作溫度會(huì)在20～80 ℃、工作壓力p會(huì)在0.1～2.5 MPa范圍內(nèi)變化。由于文中研究的推力軸承工況復(fù)雜，所以實(shí)測數(shù)據(jù)中t和p的變化范圍比圖1中單個(gè)工況下通過計(jì)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(duì)象為核主泵推力軸承，以水潤滑推力軸承為例進(jìn)行研究。溫度t和壓力p等環(huán)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(jìn)而影響對(duì)潤滑狀態(tài)的判斷。圖5所示為水的密度受t、p的影響曲線?？梢钥闯?，水的密度ρ受壓力影響較小，對(duì)溫度變化較為敏感。根據(jù)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(nèi)變化。

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

聲速還會(huì)受到水溫的影響，一般認(rèn)為聲音在固體、液體或是氣體介質(zhì)中傳播，介質(zhì)密度愈大，則音速愈快。20 ℃時(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)

采用超聲技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)工況下的推力軸承摩擦副的潤滑膜厚度進(jìn)行檢測。根據(jù)研究的核主泵推力軸承，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)選用了如圖6(a)所示的推力軸承試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)主要由試驗(yàn)軸承、驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、超聲測試系統(tǒng)等組成。超聲測試系統(tǒng)由軟件部分和硬件部分兩部分組成，軟件部分包括數(shù)據(jù)處理與分析單元、信號(hào)控制單元及顯示與交互單元；硬件部分包括多通道數(shù)據(jù)采集裝置、脈沖信號(hào)發(fā)生裝置及超聲換能器等。

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

試驗(yàn)可提供的載荷最大為2 MPa。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速可在400～1 800 r/min范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。超聲波發(fā)射接收儀激發(fā)壓電片產(chǎn)生超聲脈沖，信號(hào)經(jīng)反射后，由高速采集卡實(shí)時(shí)采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和記錄。利用采集到的超聲波反射信號(hào)，結(jié)合超聲波膜厚測量計(jì)算模型即可得到實(shí)驗(yàn)軸承潤滑油膜的厚度分布的情況。試驗(yàn)推力軸承的瓦塊結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示，為金屬基體上鑲嵌石墨的結(jié)構(gòu)，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(nèi)徑為100 mm。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 200 r/min，測試時(shí)超聲的頻率為5～10 MHz,測點(diǎn)數(shù)量為8個(gè)。

3 溫度和壓力對(duì)超聲檢測精度的影響

圖7所示為通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測獲得的在啟、停及額定轉(zhuǎn)速下各測點(diǎn)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(zhuǎn)速下h的測量值為23.0～43.6 μm，平均值為33.4 μm?？筛鶕?jù)圖3判斷，在啟、停階段h與表面粗糙度相當(dāng)，所以此時(shí)軸承處于邊界潤滑狀態(tài)；在額定轉(zhuǎn)速下，處于流體潤滑狀態(tài)。圖7中各測點(diǎn)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(jìn)行計(jì)算時(shí)，溫度選為室溫20 ℃，壓力選為0.1 MPa(1個(gè)大氣壓)時(shí)的水的密度9.8 kg/ m3。

圖7 推力瓦塊各測點(diǎn)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(jīng)根據(jù)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(guān)水的密度變化。根據(jù)圖5中有關(guān)水的密度變化，并根據(jù)軸承實(shí)際工況把密度選為4組，根據(jù)這4組密度重新對(duì)8個(gè)測得的潤滑膜厚度平均值進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別如表2和表3所示。表2所示為啟、停階段考慮環(huán)境因素的h測試結(jié)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(huì)增加。h最大時(shí)為3.6 μm，比不考慮t和p影響時(shí)的2.6 μm增加了38.5%。

表2 啟、停階段考慮環(huán)境因素的h測試結(jié)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(zhuǎn)速下考慮環(huán)境因素的h測試結(jié)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(shí)為46.7 μm，比不考慮t和p影響時(shí)的33.4 μm增加了39.8%。

表3 額定轉(zhuǎn)速下考慮環(huán)境因素的h測試結(jié)果Table 3 Test results of lubricating film thickness considering density variation at rated speed

4 結(jié)論

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

(2)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了推力潤滑狀態(tài)的超聲檢測試驗(yàn)，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(shù)據(jù)。

(3)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)考慮了環(huán)境因素后，在啟、停階段及額定轉(zhuǎn)速下推力軸承膜厚檢測值分別最大增加38.5%和39.8%。