水泵水轮机导叶自润滑轴瓦的使用研究

赵 阳

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040）

0 前言

水轮机的滑动部位，如导叶轴瓦、连杆轴瓦等，最初采用加注润滑脂的方式进行润滑，但由于环境保护及机组保养维护的要求，无油润滑的轴瓦在水电行业中被大量采用［1，2］。

水电行业中使用的自润滑轴承基本分为两类，一大类为金属基的自润滑轴承即我们常说的金属轴瓦；另一大类为非金属类的自润滑轴承［3］。

1 金属基自润滑轴瓦的分类

金属基体的自润滑轴瓦分为三类。

1.1 梯度自润滑轴瓦

梯度自润滑轴瓦是以低碳 （冷轧）钢板、不锈钢板或青铜板为基体，球形青铜粉为中间层，改性塑料为摩擦表面层，三层结合为一体的自润滑轴承材料，其结构示意图如图1所示。表面塑料层即为固体润滑剂，其材料为改性聚四氟乙烯或改性的聚甲醛。中间层是采用粉末冶金法生产出多孔的金属基体，如多孔的青铜，然后浸渍固体润滑剂。在与摩擦副对磨时，轴瓦表面发生磨损，此时其表层的固体润滑剂从轴承表面释放并机械地通过配合端面的凸凹不平而粘附在接触面上。固体润滑剂的传递膜是坚固的并能提供最小的摩擦表面，形成比较稳定固体润滑膜，达到自润滑的功效。如国产的FZ-1、FZ-2属于此种类型的自润滑轴瓦［4－8］。

图1 梯度自润滑轴瓦结构示意图

1.2 粉末冶金整体烧结固体自润滑瓦

粉末冶金整体烧结固体自润滑瓦以低碳 （冷轧）钢板、不锈钢板或青铜板为基体，结构示意图如图2所示，以烧结含有固体润滑剂的金属合金为摩擦表面层的两层自润滑复合轴承材料，自润滑机理同梯度自润滑轴瓦，固体润滑剂的材料为石墨或改性聚四氟乙烯 （PTFE）。它是把固体润滑剂以粉末的形式作为组元添加到金属基体材料中，通过压制成形、烧结，形成自润滑复合材料，其润滑材料本身含有固体润滑剂。金属基体分为铁基、铜基、锌基、镍基、青铜基几种，水电行业中采用铜合金作为烧结基体材料的较多［9，10］。如国产的 FZ-6、进口的 DEVA-BM均属于这种类型的轴瓦。

图2 粉末冶金整体烧结轴瓦结构示意图

1.3 金属基镶嵌型自润滑瓦

铜基镶嵌的自润滑轴瓦，以高强度的铜合金为基体，其上分布有若干通孔或盲孔，孔中填充固体润滑剂，同时轴承摩擦层表面还涂有帮助跑合的固体润滑膜，轴承工作时，固体润滑剂在挤压、剪切和摩擦热的作用下向摩擦表面转移形成固体润滑模，实现轴承的自润滑。固体润滑剂基本为石墨或PTFE两种材料。如国产的FZ-5、进口的OILES均属于这种类型的轴瓦。

图3 金属基镶嵌型轴瓦结构示意图

2 非金属类的自润滑轴瓦分类

非金属自润滑轴瓦，无论基体材料还是润滑材料均采用非金属材料，也基本分为三类。

2.1 聚合物基的自润滑轴瓦

聚合物基的材料主要有聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚酰亚胺、环氧树脂、聚醚醚铜。

聚合物基的自润滑轴瓦分为热塑性树脂基及热固性树脂基材料。热塑性材料主要为聚四氟乙烯及聚酰胺类。热固性材料主要以酚醛树脂为粘合剂，有机、无机填料为填充材料，添加纤维及弹性材料进行增强、混合后热压成型的轴承套［11－15］。如进口的赛龙材料就属于聚合物类的自润滑材料。

2.2 编织型自润滑轴瓦

编织型自润滑瓦的材料主要包含纤维、树脂及添加剂，纤维是轴瓦的骨架，起到增加强度、韧度及抗冲击能力的作用，树脂是纤维及添加剂的粘合剂，添加剂即固体润滑剂，起到改善机械性能、摩擦系数，提高润滑性能及抗磨损性能的作用。

如ORKOT的TLMM及TXMM，指的基体纤维材料为TL和TX，TL为标准纤维材料、TX为适应于干磨条件的纤维材料，ORKOT采用的添加剂即润滑剂为二硫化钼及聚四氟乙烯，通过聚酯纤维树脂将纤维与润滑剂层压制成。

2.3 玻璃纤维基体的自润滑瓦

玻璃纤维基体的自润滑瓦基体采用缠绕的高强度玻璃纤维定向，由增强的环氧树脂浸渍。

表面润滑层由聚四氟乙烯和聚酯纤维缠绕，浸渍在环氧树脂中，环氧树脂中加入固体润滑剂，结构示意图如图4所示。

图4 玻璃纤维基的轴瓦结构示意图

如进口的GGB-HPM及DEVATEX-522均属于此种类型的自润滑轴瓦。

3 轴瓦性能比较

一种性能优良的轴瓦应具有性能、尺寸稳定，摩擦系数低，抗压能力强的特点，此节将对水电行业常用的轴瓦材料的性能进行比较。

3.1 产品样本的性能指标

轴瓦厂家产品样本给出的性能指标见表1。

表1 轴瓦厂家产品样本性能指标

3.2 轴瓦性能试验对比结果

模拟水轮发电机组自润滑轴瓦的使用场景，采用美国进口UMT-3摩擦试验机，进行不同材料自润滑轴瓦的摩擦系数及磨损量对比试验。

UMT-3摩擦试验机的工作原理：运动方式为往复运动或旋转运动，在滑行或旋转运动过程中，上试样固定不动下式样作单向滑行或旋转运动，用应变传感器测量试样在z方向的变形，同时也测定了滑行过程中切向力Fx（摩擦力）和法向力Fz（载荷），摩擦系数为Fx／Fz的比值，摩擦系数由试验机对每个摩擦信号在有效区间计算平均值，得到摩擦系数测试值。速度、时间、载荷为定值，整个试验由预先编好的程序来控制自动完成，试验数据由计算机自动采集，质量磨损用电子天平来测量。

UMT-3摩擦试验机的技术参数：载荷范围：1～1000N；最高分辨率：50nm；转速：0.001～5000r／min；最大往返行程：24.5mm；频率范围：0.1～50Hz；最大线速度：0.1mm／s～50m／s。

通过对不同材料的自润滑轴瓦进行性能试验，获得如图5～6所示的结果。

图5 摩擦系数对比结果

图6 磨损量对比结果

3.3 轴瓦受力分析结果比较

根据3.1，3.2的性能比较结果可知，不同材料的轴瓦各项性能指标有很大的不同。非金属轴瓦的弹性模量较小，仅为金属轴瓦的1%，而其吸水膨胀率和线膨胀系数也比金属轴瓦高。

考虑轴瓦材料的弹性模量不同，对水轮机导水机构导叶进行刚强度的有限元分析计算，具体计算结果如图7～8所示。由图可知，同一工况条件下，轴瓦的弹性模量对导叶变形及导叶应力均有一定影响。同等载荷条件下，非金属轴瓦导叶变形大，轴瓦的压应力也偏高。

图7 不同轴瓦导叶变形计算结果

图8 不同轴瓦导叶压应力计算结果

4 结论

水泵水轮机工况复杂，过渡工况较多，导水机构自润滑瓦材料的选择就显得尤为重要。

由3节可知，选用同等间隙的导叶轴瓦，弹性模量较小的非金属轴瓦导叶变形较大，导叶轴瓦的压应力较高。在受力较大的位置，应尽可能选择铜基镶嵌的金属轴瓦。

选择自润滑轴瓦材料时，除常规关注的轴瓦的抗压强度及摩擦系数外，材料的弹性模量对导叶变形及应力的影响也不容小觑。同时材料的吸水膨胀率、线膨胀系数与导水机构的长期安全稳定运行也息息相关，应重点关注。