金属塑料轴瓦表面形貌对摩擦性能的影响

王春艳，李玉福

（1.长春师范大学计算机科学与技术学院，吉林长春 130032；2.长春水务集团有限责任公司，吉林长春 130012）

水力发电依靠水力推动发电机组中的转子运转而进行发电，机组运行时需要保证转子和轴瓦间不发生接触而磨损转子。传统的巴氏合金轴瓦在机组运行过程中易发生轴瓦表面与转子直接接触的情况，造成转子的磨损。为了避免转子磨损，弹性金属塑料轴瓦取代传统的巴氏合金轴瓦越来越多的应用于大型水力发电机组中。金属塑料轴瓦的表层材料由聚四氟乙烯（PTFE）构成，通过铜丝焊接到钢坯基体上，其具体形式如图1所示。聚四氟乙烯材料有较强的抗腐蚀能力和较好的摩擦性能，在机组启停阶段可以减少轴瓦表面和转子端面的接触，降低转子磨损的概率。

金属塑料轴瓦最早始于前苏联。从1990年开始，我国在水力发电机上陆续试运行和使用金属塑料瓦推力轴承。金属塑料瓦瓦面材料是聚四氟乙烯复合材料，具有与传统金属瓦不同的摩擦特性，为此人们针对其润滑理论和实际应用进行了研究[1-7]。随着生产的发展，尤其是随着水力发电机组单机容量的不断增加，金属塑料瓦的应用得到了迅速的推广。虽然取得较为满意的运行效果，但使用过程中仍然出现一些问题[8]，比如瓦面划伤等现象。引起轴瓦瓦面划伤的原因有很多，如轴瓦表面形貌等。受限于轴瓦的加工方式，轴瓦表面存在一定形式的形貌分布，这些形貌分布改变了轴瓦的压力分布和润滑效果。本文从轴瓦表面形貌对摩擦性能的影响的角度出发，建立轴瓦工作时的理论模型，实验测量轴瓦的表面形貌，数值分析轴瓦表面形貌对轴瓦摩擦性能的影响。

图1 金属塑料轴瓦结构

1 理论模型

在工作时，轴瓦表面由于动压效应形成一层润滑介质膜，在水力发电机组中，通常用水作为润滑介质，形成的控制方程可表示为：

其中，ue为润滑介质的卷吸速度，为转子转速和轴瓦速度的平均值。η是润滑介质的黏度，本文工况中，水作为润滑介质，其黏度值为0.000754，Pa·s，ρ 是润滑介质的密度，本文中，介质的密度为1×103kg/m3，由于水的黏度较小，黏度随压力变化不明显，所以忽略润滑介质的黏压特性。方程(1)中的h 代表形成的润滑介质膜的厚度，其具体表示形式为：

其中，润滑介质厚度为接触体参数Bx，By，弹性变形v以及上下表面粗糙度δ1，δ2的函数。

弹性变形v 可以表示成：

在求解过程中，根据载荷平衡关系对整体方程组进行封闭：

对方程(1)～(4)进行数值离散，用迭代法进行求解，利用载荷平衡作为判断收敛的条件，理论分析轴瓦的表面形貌对摩擦性能的影响。

2 轴瓦表面形貌的实验测量

为了表征轴瓦表面的形貌分布，本文采用三坐标测量仪对轴瓦的表面形貌进行了测量，三坐标测量仪实验台如图2所示:

图2 三坐标测量仪实验台

由于三坐标测量仪是测量零件上某一点的高度数据。为了能全面地表示轴瓦的表面形貌，在轴瓦上取若干个点，测量其表面高度分布。所取的测量点分布形式如图3所示：

图3 轴瓦表面测量点分布

测量轴瓦表面的高度分布结果如图4所示。图4中离散的数据点为实测表面高度数据。对测量的离散数据进行拟合处理，得到较为光滑的可以反映轴瓦整体表面高度分布的数据。相比于未处理的离散数据点，拟合后的结果适于数值计算分析。

图4 轴瓦表面高度测量结果

图5 理想工况和实际工况形成的摩擦因数

3 数值计算与结果分析

第二节建立了轴瓦运行时的控制方程，第三节实验测量了轴瓦的表面形貌。在本节中，将实验测量的轴瓦表面形貌耦合到控制方程中，数值计算考虑表面形貌时的轴瓦压力和润滑介质分布情况。为了综合考虑轴瓦的摩擦性能，将压力和润滑介质分布表示成摩擦因数的形式。轴瓦运动形成的摩擦因数由润滑介质的剪切应力构成，润滑介质所形成的剪切应力τl可通过公式(5)进行计算：

将计算的剪切应力在整体计算区域中积分，形成拖曳力，然后除以与轴瓦所承担的载荷即可得到轴瓦运行时的摩擦因数：

计算理想光滑表面时轴瓦形成的摩擦因数和考虑实际表面形貌后形成的摩擦因数随轴瓦转速的分布如图5所示。当水力发电机组启动和停止阶段，机组运转速度相对较低，考虑表面形貌时形成的摩擦因数相对较大，当机组平稳运转后，速度相对较高，实际工况和理想工况形成的摩擦因数基本一致。

4 结语

本文建立了金属塑料轴瓦工作时的控制方程，实验测量了轴瓦的表面形貌，结合轴瓦运行时的摩擦因数分析了轴瓦工作时不同表面形貌对摩擦性能的影响，在机组启动和停止阶段，由于表面形貌的存在，形成的摩擦因数相对较大。

[1]刘健,吴宏基,刘正明,等.金属塑料轴承润滑机理的特点与改进方向[J].水力发电,2004,30(11):68-72.

[2]袁斌,张国贤,吴白羽,等.EMP径向滑动轴承边界滑移现象研究[J].润滑与密封,2000(1):29-30.

[3]高嵘,王静,潘菁菁,等.金属塑料瓦推力轴承起动过程试验研究[J].润滑与密封,2006(7):100-102.

[4]Ettles,C.M,Knox,R.T.,Ferguson,J.H.,and Horner,D.Test results for PTFE-faced thrustpads,with directcomparison against Babbitt-faced padsand correlationwith analysis[J].Transactionsof the ASME,J.Tribl,2003,125(4):814-823.

[5]武中德,张宏,王黎钦,等.大型水轮发电机金属塑料瓦推力轴承技术[J].润滑与密封,2002(2):59-62.

[6]金健,张国贤,王小静.金属塑料瓦径向滑动轴承启动过程热弹流分析[J].润滑与密封,2007(5):52-54.

[7]武中德,王黎钦,曲大庄,等.大型水轮发电机推力轴承热弹流润滑性能分析[J].摩擦学学报,2001,21(2):147-150.

[8]王云涛,石小平.金属塑料轴瓦在大型水轮发电机上的应用[J].2000,13(3):35-36.