新型復合材料軸承在水電機組的應用
2012-05-30作者：劉長波
（大連三環復合材料技術開發有限公司）
隨著我國經濟的發展，能源問題變得愈發突出。開發可再生、對環境影響較小的水力資源成為行業發展的主要方向之一。以此為契機，國內在葛洲壩、二灘、三峽、構皮灘等水電站相繼建成發電的基礎上，溪洛渡、白鶴灘、烏東德、向家壩、龍灘等電站的已經開始籌劃和建設。上述電站的水電機組均為立式結構，機組的主軸承——推力軸承作為其主要部件，性能和可靠性將嚴重影響機組的經濟、安全運行；機組的導軸承（尤其是水導軸承）也同樣受到設計和使用單位的重視。現階段的水電機組單機容量已經發展到700MW以上，隨著機組的容量增大，機組推力負荷逐步增加，也對機組所用軸瓦的可靠性提出了更高的要求。同時，導軸瓦也在向使用塑料復合材料和水潤滑的方向發展；導葉軸套則由原來的銅合金、尼龍等材料發展為新型雙金屬自潤滑軸承。
推力軸承：
推力軸承是水電機組的重要零部件，其安全性直接影響機組的運行狀態；同時，軸承的選型更會影響到機組的結構和運行成本。早期的推力軸承多采用靜壓結構的巴氏合金軸瓦，運行時需要高可靠的高壓油站。
隨著彈性金屬塑料瓦的采用，機組運行的安全性得到很大提高，同時縮短了檢修周期，并免除了刮瓦過程。特別是隨著第三代塑料瓦表面摩擦材料的推出，在保證環保要求和不降低摩擦性能條件下，提高了軸承耐磨損性能。
1.材料及產品介紹
新材料采用增強改性聚四氟乙烯材料，形成具有骨架、高耐磨質點和聚四氟乙烯潤滑基體的復合結構，制成了低摩擦的環保型高性能化復合材料。推力瓦及剖面結構見圖1，表層耐磨材料的內部組織結構見圖2。
圖1. 彈性金屬塑料瓦及其剖面結構
圖2.瓦面摩擦表面結構和材料斷口組織
采用添充功能材料對聚四氟乙烯增強改性之后，在顯微鏡下觀察，材料表面組織中均勻分布了密集亮點，主要是以高耐磨工程塑料為基體的耐磨質點；從材料斷口形貌，可看出高強纖維均勻分布于樹脂之間，形成增強網格骨架，提高了材料的抗壓和抗剪強度，從而大幅度提高了摩擦材料的耐磨損性能，同時也提高了摩擦材料與金屬絲墊之間的結合牢度。
2.技術性能指標和特點
高強纖維、聚四氟乙烯和高耐磨特種工程塑料共混塑化之后的材料，結構中存在有微孔隙。在工作條件下，軸瓦長期受到潤滑油的浸潤，摩擦面（瓦面的近表層）將吸附較多的潤滑油。在速度低于潤滑邊界條件時，吸附的油將顯現出優越于以往任何一種瓦面材料的邊界摩擦性能。FZB3G高性能環保型彈性金屬塑料瓦主要技術指標見表1，與巴氏合金瓦特性對比見表2。
表1. 彈性金屬塑料瓦主要技術性能指標
表2. 新型高性能環保型彈性金屬塑料瓦與巴氏合金瓦特性對比
1） FZB3G為180MPa·m/s，錫銻基巴氏合金在完全油膜承載狀態為100MPa·m/s。
2）按“優、良、中、差”分級描述分級的項目，“差”為不具有該項特性。
在新型產品的制造過程中，新工藝被普遍采用。例如：采用數控水力切割機床，在大面積原料之上進行瓦面下料，保證瓦面尺寸形狀和密度均勻；真空浸錫釬焊工藝的采用，提高了產品的釬焊質量和性能指標；數控機加工設備用于瓦塊加工，保證尺寸精度，形位公差。
該產品于2009年4月通過中國機械工業聯合會主持的鑒定，結論為：
“其各項性能指標明顯優于國內外同類產品”，“產品技術水平處于領先”“產品生產工藝成熟，已形成穩定的中試生產規模”。
3.產品應用
新型（FZB3G）彈性金屬塑料瓦被國內外多家主機制造公司選用，應用于葛洲壩、思林、龔嘴、構皮灘、砂坨、SONLA等大型水電機組的裝機和改造。2007年8月，三環向（日本）東芝水電公司提供了一批實驗軸瓦。經過對軸瓦成分、摩擦磨損性能、壓縮性能的測試，其中的推力瓦通過300噸實驗臺的模擬試驗：瓦面Z大壓強6.5MPa，Z高（圓）周（線）速（度）為27.4m/s，此時軸承的PV值達到178.1MPa·m/s。試驗證明FZB3G產品具備優異的使用性能。圖3為試驗推力瓦布置和試驗臺。
圖3. FZB3G彈性金屬塑料瓦在實驗臺的安裝布置和300噸實驗臺
近期，做為哈電公司的技術協作單位，實施了針對白鶴灘、烏東德1000MW級水電機組推力軸承實驗項目，制造出單瓦面積達到4200cm2的FZB3G型彈性金屬塑料推力瓦。該軸瓦在哈電于2010年底進行3000噸實驗臺模擬試驗，試驗結論為：FZB3G型彈性金屬塑料瓦“將為百萬千瓦機組提供不但可用，而且是安全可靠的推力軸承技術，并填補百萬機組大部件研究的空白。”
導軸承：
水電機組導軸承是對主軸定位、導向的徑向軸承，一般分為剖分（筒）式和分塊式結構。
1.材料及產品介紹
采用新型的復合材料，能夠在保證、提高機組性能的同時，縮短維修、安裝周期，并免除刮瓦過程。新一代塑料瓦還具有優越的水潤滑性能，用水作為潤滑介質時，有良好的低摩擦性能和極佳的耐磨損性能（水潤滑時磨損系數8.98×10-9cm3/N·m）。在油或油水混合潤滑工況下，軸瓦仍可安全運行。剖分和分塊式到軸承及剖面結構見圖4。
圖4.水潤滑導軸承及其剖面結構
2.技術性能指標和特點
表3列出FZB3GS軸承材料水潤滑技術性能（油潤滑性能指標參見表2）。
表3. FZB3GS軸承材料主要技術性能
注：1）※水潤滑摩擦系數測試采用MZS-200試驗機；試樣：φ160（內徑）×110（寬度）；試驗條件：載荷2.6MPa，速度5.5m/s。表中其它摩擦、磨損性能，采用M2000摩擦磨損試驗機，按國家標準GB3960《塑料滑動摩擦磨損試驗方法》測試，試樣尺寸：30×7×3（mm）。
2）抗壓強度、彈性模量測試試樣厚度：30mm（其中：復合材料層厚度6mm，鋼瓦基厚度為24mm）。
與以往的水潤滑軸承相比較，新型FZB3GS材料具有下列特點：
（1） 有良好的親水性，抗泥沙，耐磨損；
（2） 低摩擦，功耗小；
（3） 具有自潤滑特性，在啟停機的潤滑邊界條件，即不能建立流體動壓潤滑膜或供水系統短時故障情況下，仍可正常工作；
（4） 承載能力大，并有一定的減震性能，運行穩定可靠；
（5） 獨特的自調性，對安裝及變形等因素引起的軸瓦與軸頸不同軸或接觸不均勻，可自行調整，改善受力狀況；
（6） 吸水率小，尺寸穩定，間隙便于調整，安裝檢修不需刮研瓦面；
（7） 可替代巴氏合金軸瓦，免去供油系統，結構簡單。采用廉價的水作為潤滑介質，降低運行成本；
（8） 產品節能、環保。
產品于2008年12月通過大連市科技局鑒定，結論：“產品具有極高的耐磨損性能和優異的摩擦性能，其各項性能指標明顯優于國內、外同類產品，處于領先水平”，“生產工藝成熟、穩定，技術文件完備，形成了規模生產”。
3.產品應用
水潤滑復合材料導軸瓦已在遼寧丹東豐發電站、貴州明發電站、貴州盛舍電站和河南西峽水電設備廠（為電站制造）水電機組水導軸承上得到了應用，取得良好效果；2008年5月在遼寧桓仁彎彎川電站水電機組推力軸承試驗成功，開創了推力軸承和導軸承全部水潤滑的先例。另外，產品還應用于焦煤集團井下抗災搶險泵、北京航空航天大學（亞洲Z大）多功能水洞試驗設備和蘇州南莊橋大型水利工程的水泵等處，均取得良好的運行效果。
導水機構軸承：
水電機組導水機構軸承，以前多采用尼龍等材料，因遇水變形較大、耐磨性差和承載能力低，導致壽命和可靠性降低。目前，國內大型機組多采用進口DEVA-BM產品。
1.材料及產品介紹
新型FZB06系列雙金屬自潤滑軸承的主要特點是承載能力高、耐磨性能好、摩擦系數低、使用溫度范圍寬、尺寸穩定、結構緊湊等。產品適用于重載、低速、高溫、含有泥沙、腐蝕等環境，應用于水輪機導葉軸承、水工金屬結構、冶金設備等機械行業，替代進口產品。
雙金屬自潤滑軸承材料是以低碳冷軋鋼板、不銹鋼板或銅板為基體，以燒結青銅粉為摩擦表面層，且青銅粉層均勻分布固體潤滑劑的自潤滑雙金屬滑動軸承材料。圖5為材料的結構。
圖5. FZB06材料結構放大
2.技術性能指標和特點
對材料性能的測試，靜承載能力的測試是在WE3000液壓萬能拉力試驗機上進行的，依據的標準是GB/T16748-1997《滑動軸承金屬軸承材料的壓縮試驗》，試樣尺寸為10×10×2.5mm；動承載能力是在擺動試驗機上進行的，試樣尺寸為φ55×φ50×30mm，摩擦副材料為45#鋼，表面鍍硬鉻，粗糙度為Ra3.2μm，運動性質為擺動，擺角60°，頻次為15次/分鐘；摩擦系數通過CSS-2210電子萬能試驗機、FRLR200KN負荷傳感器上進行的，試樣尺寸為50×30×10mm。材料性能對比國外產品性能測試結果見表4。
表4. FZB06系列材料性能參數
注：1）國外產品的性能指標來源于其公司的產品說明書；
2）三環FZB06產品的性能指標來源于大連理工大學振動與強度測試中心的測試報告。
FZB06材料軸承具有承載能力高、自潤滑、減摩、耐磨等優點，適用于下列工況條件下應用：
（1） 低速度、重載荷，潤滑油膜無法形成或維持的各種運動狀態下；
（2） 由于工作環境或機械結構限制，難以實現供油潤滑；
（3） 高溫、低溫或環境溫度變化范圍大；
（4） 在海水和其他化學液體或氣體等腐蝕性介質中工作；
（5） 含有泥砂的水中工作；
（6） 需要頻繁起動或高負荷下起動部位。
3.產品應用
該軸承相當于國外的DEVA-BM，其主要特點是承載能力高、耐磨性能好、摩擦系數低、使用溫度范圍寬、尺寸穩定、結構緊湊等，自1999年研制開發成功以來，已應用于萬家寨、太平驛、棉花灘等國內水力發電廠。
另外，部分機組的導葉等部位還使用鑲嵌固體潤滑劑的銅合金軸承，軸承以高強度的銅合金基體實現承載，以鑲嵌的固體潤滑劑實現對摩擦面的潤滑。軸承可以在較低的摩擦阻力下穩定的工作。
總結：
通過新型材料的應用，使水輪發電機組的性能、可靠性和壽命得到提高，部分機組可通過改造達到滿發和增容的目的。新型軸承節約了有色金屬資源，其中水潤滑軸承更是以水為潤滑介質，對節約和環保起到了巨大的推動作用。通過新型軸承在水電機組的推廣使用，將提高機組可靠性，減少或消除由軸承引起的非計劃停機，縮短維修時間，降低維修成本。新型自潤滑軸承是一種節能、環保、減排、增效的產品，將越來越受到水力發電廠和制造廠的重視。