轴封式核主泵电机复合材料轴瓦结合特性研究

仲维滨

(1． 黑龙江省核主泵工程技术研究中心，黑龙江哈尔滨 150060；2． 哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150060)

0 引言

随着三代核电对电站安全性的提高，要求主泵在全厂断电等工况下，应具备一定的运行能力。传统的巴氏合金轴瓦在系统低压启动或无顶油停机工况下容易磨损[1-2]，复合材料轴瓦可以提高混合润滑区域的耐磨损能力[3-6]。传统复合轴瓦采用铜丝过渡层将复合材料与钢基进行连接[7-9]，结合结构的等效压剪强度为5.5 MPa，瓦面一般为聚四氟乙烯改性复合材料，不耐辐照。

使用碳纤维复合材料作为瓦面可以使复合瓦具备耐辐照的能力，采用燕尾槽式限位槽结构可以进一步提高复合轴瓦瓦面与瓦基的等效压剪强度。

1 结构特点

复合材料轴瓦采用与巴氏合金相同的轴瓦结合结构，推力瓦瓦基设置横向和纵向交织的燕尾槽，外部设置一圈围边，瓦面通过限位槽与瓦基保持紧密连接，如图1所示。

图1 一体瓦结合结构示意图

复合材料轴瓦结合性能不低于巴氏合金轴瓦，对比如表1所示。

表1 巴氏合金轴瓦与复合材料轴瓦结合结构对比

2 压剪试验

瓦面与瓦基连接采用物理式燕尾槽限位，确保瓦基与瓦面结合强度，不依赖复合材料与瓦基之间的黏性，瓦基采用17-4PH不锈钢，屈服强度高于590 MPa；因此，在进行压剪试验时，断裂面在瓦基顶面，即限位槽内复合材料与上层瓦面之间断裂。所以，限位槽结构强度依赖于限位槽区域的复合材料保证，这部分材料断裂已经是同种材质剪切断裂，可依据GB/T 1450．1—2005《纤维增强塑料层间剪切强度试验方法》进行试验，检测表面摩擦层与瓦基层间剪切强度。

试验试样规格为26．10 mm×26．50 mm。

经过等效剪切试验，试验结果均高于要求值12 MPa，详见表2。

表2

剪切试样试验前后的试样如图2所示，断裂面在碳纤维复合材料本体处，不锈钢与碳纤维复合材料结合面较牢固无分离现象。

图2 压剪试验前后

3 计算分析

选取复合材料轴瓦的一个结合单元建立二维、三维模型，采用有限元方法进行燕尾槽结合结构工作特性计算。瓦面与瓦基采用摩擦单元模拟接触配合，二维采用四边形单元，三维采用六面体单元，复合材料瓦材料物理参数见表3。

表3 材料物理参数

推力轴承在中高速运转时，由于油膜存在，摩擦副分离无直接接触磨损，当惰转停机进入低速区间时油膜破裂，摩擦副直接接触。某型主泵停机时最大等效载荷为3.6 MPa，因此，复合材料轴瓦结合单元施加载荷为3.6 MPa，瓦基底面约束，复合材料轴瓦一个结合单元的有限元模型如图3所示。

图3 结合单元有限元二维模型

等效载荷在3.6 MPa时水平方向的应力见图4，最大值在限位槽5.19 MPa。

等效载荷在3.6 MPa时竖直方向的应力见图5，最大值在限位槽侧为14 MPa。

图4 水平方向二维应力分布云图

图5 竖直方向二维应力分布云图

等效载荷在3.6 MPa时范式等效应力见图6，最大值在限位槽侧为16.3 MPa。

图6 von mises二维应力分布云图

基于von mises准则进行弹性力学屈服分析，包含第一主应力、第二主应力和第三主应力，如图6所示，von mises应力最大值为16.3 MPa，复合材料材料瓦结合结构具有较高的安全系数，水平方向安全系数为18.3，竖直方向安全系数为11.7。

4 温度效应

通过台架试验测试得知，推力瓦表面油膜最高温度与推力瓦瓦基温度差为30 ℃。按最大温度梯度30 ℃考核，结合单元的运行特性，当温度梯度存在时，高度方向热涨无自由度约束，而限位槽水平方向存在瓦基凹槽的刚度约束。通过表3计算可知，结合单元内水平方向的过盈量为3 μm。采用3D模型，限位槽内水平过盈量按5 μm考核，并同时施加等效载荷3.6 MPa，约束底面，结合单元部分模型如图7所示。

图7 结合单元有限元三维模型

等效载荷在3.6 MPa时水平方向的应力见图8，最大值在限位槽底6.3 MPa。

图8 水平方向三维应力分布云图

等效载荷在3.6 MPa时竖直方向的应力见图9，最大值在限位槽侧为4.5 MPa。

图9 竖直方向三维应力分布云图

等效载荷在3.6 MPa时范式等效应力见图10，最大值在限位槽侧为11.4 MPa。

图10 von mises三维应力分布云图

基于von mises准则进行弹性力学屈服分析，包含第一主应力、第二主应力和第三主应力，如图10所示，von mises应力最大值为11.4 MPa，复合材料材料瓦结合结构具有较高的安全系数，水平方向安全系数为15.1，竖直方向安全系数为16.7。

5 对比分析

经对比研究，不考虑温度梯度和考虑温度梯度应力值如表4所示。

表4 结合结构应力分析对比

复合材料推力瓦采用与巴氏合金轴瓦采用相同的燕尾槽限位物理连接结构，不依赖于异种材质之间黏性保持连接。通过实验(见表2)，断裂面在碳纤维复合材料本体处，不锈钢与碳纤维复合材料结合面较牢固无分离现象，因此可以使用GB/T 1450.1—2005评估。某型主泵主推535 kN运行时推力瓦载荷为2.4 MPa，启动前和停机后的推力瓦等效载荷约为3.6 MPa；复合材料干摩擦系数为0.15～0.20，启动时摩擦力形成剪切等效载荷为3.6×0.20=0.72 MPa，一体瓦技术规范要求瓦面与瓦基的等效抗剪能力大于等于12 MPa，安全系数为16.7倍，高于传统的塑料瓦5.5 MPa抗剪能力。

6 结语

通过对复合材料轴瓦的结合结构进行特性分析，有以下结论：

(1) 3．6 MPa等效载荷，复合材料不考虑温度梯度时，水平安全系数为18.3，竖直安全系数为11.7，推力瓦结合结构可长期安全工作。

(2) 3．6 MPa等效载荷，复合材料考虑温度梯度时，水平安全系数为15.1，竖直安全系数为16.7，推力瓦结合结构可长期安全工作。

(3) 在启动瞬间，限位结构的抗剪切安全系数为16.7倍，可长期安全工作。

(4) 复合材料轴瓦限位结合结构安全可靠，复合材料可长期安全工作。