复合材料推力轴承设计与制造研究

周洪锋 卫海东

摘要：文章首先对复合材料瓦面推力轴承的设计思路进行了分析;其后，围绕干燥处理、材料拌合、加压制造等环节，研究了复合材料瓦面推力轴承的制造工艺;最后，从瓦面进油机制、瓦面结构造型两个角度入手，提出了复合材料瓦面推力轴承设计与制造的把控要点。

关键词：复合材料;推力轴承;瓦面层

中图分类号：TM312                                       文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0079-02

0  引言

推力轴承是现代轴承工业的核心产品类型之一，其主要应用于船舶推进器、水轮发电机等机械动力系统当中，并发挥着重要的零部件作用。近年来，随着相关应用领域的不断发展，人们对推力轴承材料质量、承载能力、耐久性能等方面的要求也越来越高。在此背景下，我们有必要对复合材料瓦面推力轴承的设计与制造展开探究讨论。

1  复合材料推力轴承的设计思路

首先，设计人员选择PEEK（聚醚醚酮）复合材料作为推力轴承主体材料，这类材料具备较强的自润滑性能，可简化系统结构，无需配置高压油顶起系统，提高轴承系统运行稳定性。同时，该材料的耐高温性、阻燃性、耐腐蚀性也比较强。将其作为轴承设计的主要材料，也能有效强化轴承的长寿质量与运行安全性，并提高轴承对复杂工况环境的适应能力。同时，选用高强度的OCr17Ni12Mo2不锈钢作为轴承主体材料;其次，结合蓄能机组的工况参数，适当降低瓦面的规格参数，将瓦内径设计为1070mm，瓦外径设计为2470mm，瓦夹角设计为26°，长宽比设计为0.57，复合材料瓦面厚设计为4mm;最后，结合推力轴承的具体参数，进行流体动力润滑计算，并开展有限元分析，评估瓦面变形状况，将瓦面设计为平面，并在瓦面的进出口位置设置坡口，保障润滑油顺畅流动。实践证明，在此设计思路的支持下，复合材料推力轴承可达成如下产出效果：①通过控制瓦面长宽比，实现轴承温度的有效降低;②对进油、出油部位进行坡口设计，更有利于润滑油的注入;③该设计思路可省略高压油顶起系统，从而降低轴承结构的复杂性，降低复合材料推力轴承运行风险的发生几率。

2  复合材料推力轴承的制造工艺

以PEEK复合材料推力轴承为例，在生产制造中，瓦基材料为0Cr17Ni12Mo2型号不锈钢;选择330CA20型号的聚醚醚酮材料。制造工艺为配合使用粗糙工艺槽及热模压成型工艺。粗糙工艺槽是指多个轴向与径向燕尾槽、矩形槽组合而成的工艺槽，深度在4-8mm之间，等效宽度在30-120mm之间，为确保其地面粗糙满足制造工艺要求，对钢基表面进行喷砂处理。处理后的工艺槽安装于钢瓦块的四周，即完成粗糙工艺槽部分的加工。热模压成型工艺流程如下：

第一，在120℃温度条件下，对330CA20型号的聚醚醚酮材料进行干燥处理，处理时间应超过12h。干燥完成后，待材料自然冷却后使用[1]。

第二，按照聚醚醚酮（参数要求：粉末粒径<75μm）占比70-80%、短碳纤维（参数要求：长度在30-70μm之间，直径为7μm）占比20-30%、球形石墨粉（参数要求：粉末粒径<25μm）占比0-10%、聚四氯乙烯粉（参数要求：粉末粒径<25μm）占比0-10%的配比，称量瓦面原料，将其置于高速搅拌机中，在低于35℃的温度条件下进行搅拌混合。

第三，在热模压模具中放置钢瓦块，倒入拌合完全的瓦面原料，刮平后合模。为避免瓦面层出现气泡，需过量添加混合瓦面原料，将其从模具边缘挤出一部分。

第四，开启压力机，向模具进行施压，压力控制在30-80MPa，保压时间控制在10-30min，控制加压速度，严禁对模具施加冲击负载，以免导致作用力过大，引发瓦面裂缝的负面现象。

第五，加压完成后将模具整体放置于加热炉内，开启加热炉，根据工件特点，控制加热时间与保温时间，使温度控制在350-450℃，将模具内的粉料全部熔融。

第六，加热完成后对模具进行二次加压，压力控制在30-60MPa，保压时间控制在10-30min。在加压的同时，对模具进行冷却处理，冷却速率控制在30-60℃/h，在模具溫度低于60℃时，即可进行脱模。

第七，脱模完成后，对推力轴承结构进行机械加工，并在轴承的进出口位置设置坡口，使其精度、结构及参数满足机组要求，完成推力轴承的制造。（图1）

从推力轴承的实际设计阶段，针对复合材料的特性，还可注重复合材料与轴承设计模具的匹配度。一般在使用推力轴承设计模具时，应注重下述三点：①在用料浇注阶段，应保持垂直、短程的状态，以免浇注范围较大，造成材料无法顺利进入到模具中，促使推力轴承逐渐脱离原有设计目标;②设计模具中的内部厚度与实际形状不宜影响轴承原料的自然流动，防止在推力轴承设计工作中，受流动情况的影响降低制造效率;③为了确保复合材料推力轴承的制造原料实现均匀分布，可适当针对进料口予以增扩，确保推力轴承在设计环节保持良好的稳定性。只有拥有明确的设计目标，才能增加复合材料推力轴承制造的科学性，确保推力轴承在后期使用中发挥出真正的效用，满足初期设计需求。

3  复合材料推力轴承的设计制造要点

3.1 瓦面进油机制的设计制造要点

有学者对复合材料推力轴承的瓦面进油机制及其承载能力的影响关系进行了分析研究，并得出以下结论：①进油机制对推力轴承的承载能力具有直接影响性，进油的设计制造越合理，推力轴承的油膜压力越强，由此形成的工况承载力就越好;②进油槽的压力参数与推力轴承的承载能力呈正相关，进油槽压力越大，油膜所受的增压作用越强，推力轴承的性能也就越稳定;③进油槽的宽度对推力轴承的承载能力有微弱影响，但也应提起重视，理论情况下，若进油槽过于狭窄，将会引起推力轴承内部润滑油压力的异常损失，进而削弱轴承的性能质量。

基于以上，相关人员在进行复合材料推力轴承的设计与制造时，应尽量提高进油槽的压力参数，将进油槽设计在推力瓦入油边侧的近端区域，并适当增大进油槽的设计宽度，以确保复合材料推力轴承油膜压力处于稳定、优质的理想状态，为轴承性能的持续发挥、轴承寿命的耐久保障夯实生产基础[2]。

为了保证复合材料推力轴承的良性制造，还可运用金属网架增加推力轴承的刚度与精准度。其中金属网架主要是以直径在0.2mm左右的金属丝沿着经纬线的方向呈现30°角度进行叠放，其中应保证金属网具有至少20目孔数，并且将其层数确定为三层，之后搭配低碳类钢丝对其进行固定，其中还应采用双层锡铜材质的金属丝，在逐步编制完成后，可保证推力轴承具有较强的稳定性，而且还可增加推力轴承的实践应用范围[3]。所以，在研究复合材料推力轴承的制造方法时，还可积极采用多样手段强化其性能，确保推力轴承发挥出真正效用。作为动力方向的重要结构，在复合材料推力轴承实际制造阶段，既要考虑进油机制的科学性，又要意识到其精准度的重大影响，以免在制造期间出现质量问题，破坏其实用性。据此，相关人员在复合材料推力轴承制造阶段，需要保持端正严谨的态度遵从制造流程逐步落实制造内容，满足新时代轴承使用需求。

3.2 瓦面结构造型的设计制造要点

现阶段，复合材料瓦面推力轴承可使用的瓦面结构造型有很多种，如斜面瓦、阶梯瓦、斜面平台瓦、摆线型面瓦等。据相关研究表示，在相同的工况条件、材料质量等背景下，摆线型面瓦为推力轴承提供出的承载性能越强，斜面平台瓦与阶梯瓦次之，斜面瓦的承载性能最弱。同时，在斜面平台瓦与阶梯瓦的平行对比中，两者分别表现出了不同的压力变化特性[4]。在应用斜面平台瓦的情况下，推力轴承的压力变化相对平缓，即工况稳定但极限承压能力比较有限。而在应用阶梯瓦的情况下，瓦面推力轴承的油膜承载力、油膜极限压力更高，甚至可超过摆线型面瓦，但其所受压力会呈现阶梯式分布，稳定性有所欠缺。此外，摆线型面瓦的性能处于高位，但其设计难度、加工成本也会处于较高水平[5]。

所以，相关人员在进行复合材料推力轴承的设计与制造时，应坚持“够用为度”的把控原则，从经济性、稳定性、极限性等多个角度入手，对推力轴承的是应用需求进行分析，并据此将合理的瓦面结构造型选用到设计方案与加工制造中，以达到最佳的生产性价比。

而从我国目前科研项目的研发成果中可知：在2018年研发成功的“PPESK”树脂基复合材料推力轴承所采用的制造技术更加先进，且材质更加优良。同时，在此推力轴承研发阶段所采用的制造技术能够有效处理“无顶油惰转”停机现象。为了保证此项技术的成熟度，还专门开展了375h的试验活动，并依据53次运转启停操作评估结果，验证该项技术的可行性。其中还在2184h内对推力瓦材料实施了“高温浸油”检测，由此发现它的评估结果均符合推力轴承的制造要求，并在后续将其应用于核电领域。由此证实，复合材料推力轴承的制造正处于不断进步的状态，要求相关人员根据复合材料的实际优势开拓新的制造渠道，促使在先进的制造技术辅助下扩大此种推力轴承的应用范围[6]。

4  结论

随着推力轴承在相关领域应用的不断发展，人们对推力轴承材料质量、承载能力、耐久性能等方面的要求也越来越高，为此相关行业加大了对复合材料瓦面推力轴承设计与制造的探究与讨论。总体来说，复合材料推力轴承的设计思路与制造流程又涉及到多个环节，具有很强的专业性与复杂性。在此基础上，相关人员在开展设计与制造实践时，要着重做好瓦面进油机制、瓦面结构造型的把控，以确保推力轴承的承载性能、耐久质量、成本投入、加工难度等处于理想水平，促进推力轴承应用价值的最大化发挥。

参考文献：

[1]孙辉，黄小红，小野田勉.清远抽水蓄能电站发电电动机推力轴承设计[J].红水河，2019，38（01）：5-9.

[2]刘渊，俞翔栋，李建军.推力轴承瓦面造型对承载性能影响的分析与验证[J].传动技术，2018，32（02）：21-27.

[3]陈晓忠.推力滚针轴承罩壳成型工艺及模具设计分析[J].机电信息，2011（18）：124-125.

[4]陆怀民，于晓东，郭秀荣，李永海，邵俊鹏.复合材料瓦面推力轴承弹性模量的研究[J].机械设计，2007（2）：22-24.

[5]王顺，谭庆昌.大型推力轴承PTFE-金属复合瓦热弹流润滑设计[J].润滑与密封，2017，42（3）：12-17.

[6]仲維滨.轴封式核主泵电机复合材料轴瓦结合特性研究[J].上海大中型电机，2019（2）：37-40.