大推力水潤滑軸承瓦面材料試驗(yàn)*

張金慧，李偉，王偉光，付嵩

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

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大推力水潤滑軸承瓦面材料試驗(yàn)*

張金慧，李偉，王偉光，付嵩

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

摘要大推力水潤滑推力軸承是三代核電的核心部件，大推力水潤滑推力軸承的關(guān)鍵是瓦面材料的選擇。根據(jù)要求，選擇了兩種新的復(fù)合材料替代石墨材料，并從其機(jī)械性能、摩擦磨損等方面對該材料進(jìn)行對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了該種材料應(yīng)用于水潤滑推力軸承的可行性。

關(guān)鍵詞摩擦磨損；沖擊功；復(fù)合材料

國家重大科技專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(2010ZX06001-013-14)

0引言

對于水潤滑推力軸承來說，關(guān)鍵是軸瓦摩擦副材料的選擇。傳統(tǒng)的水潤滑軸承材料是石墨，石墨材料具有良好的自潤滑性能，耐高溫，耐輻照，在水潤滑軸承中有著廣泛的應(yīng)用，但是石墨材料也有其局限性。石墨的抗沖擊性較差，一般來講石墨材料的沖擊功只有2.5kJ/m2左右，這一點(diǎn)成為限制大推力水潤滑軸承發(fā)展的制約因素。因?yàn)樵谥鞅贸惺軟_擊或安裝過程中軸瓦受到?jīng)_擊的情況下，石墨瓦面表面有可能局部脫落，這時(shí)軸承在運(yùn)行中，就有可能造成燒瓦事故，所以研究一種新的耐磨損、耐沖擊的瓦面材料對提高大推力軸承的承載力乃至機(jī)組的安全運(yùn)行都是至關(guān)重要的。

1材料選取

磨損是一個(gè)復(fù)雜的過程，影響磨損的因素很多，但從本質(zhì)上講，所有提高耐磨性的措施都是通過改善增強(qiáng)相與基體相的結(jié)合強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。從材料因素來看，主要的因素包括基體組織、增強(qiáng)顆粒、溫度與熱處理及制備方法等。其中顆粒增強(qiáng)相是影響復(fù)合材料的主要因素。復(fù)合材料之所以具有較高的耐磨性，關(guān)鍵就是增強(qiáng)顆粒的作用。樹脂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能很大程度上取決于填料，不同填料對聚合物摩擦磨損性能的提高程度是不同的，其提高機(jī)理也不相同[1]。

綜上所述，并考慮摩擦系數(shù)及磨損量兩個(gè)重要指標(biāo)，我們選定了兩種新的復(fù)合材料PEEK CA30及PEEK FC30作為研究的重點(diǎn)。其中PEEK CA30為30%碳纖維增強(qiáng)型PEEK，PEEK FC30為填加10%PTFE、10%石墨、10%碳纖維。纖維增強(qiáng)PEEK不僅可提高材料的力學(xué)性能，同時(shí)還可改善材料的摩擦學(xué)性能。這是因?yàn)楫?dāng)纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料在摩擦副表面滑動時(shí)，轉(zhuǎn)移膜中的磨損炭纖維為基體碎屑可以減少與摩擦面的直接接觸，從而可以減少接觸壓力和表面應(yīng)力，同時(shí)由于摩擦界面溫度較高，部分磨損炭纖維轉(zhuǎn)化為石墨，使轉(zhuǎn)移膜具有良好的潤滑性能。因此增強(qiáng)后PEEK材料比純PEEK材料具有更好的機(jī)械性能，更耐磨，具有更好的導(dǎo)熱系數(shù)[2-3]。

表1　三種材料的物理性能

從表1中可以看出PEEK復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度約為石墨材料的2倍，抗壓及抗折等參數(shù)均優(yōu)于石墨。為進(jìn)一步驗(yàn)證PEEK復(fù)合材料的性能我們對PEEK進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)。

2試驗(yàn)及測試

2.1　試驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)的結(jié)果能夠反映材料的摩擦磨損性能，摩擦磨損試驗(yàn)方法直接影響到試驗(yàn)結(jié)果，為保證測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠接近實(shí)際工況，對摩擦磨損試驗(yàn)進(jìn)行模擬實(shí)際工況試驗(yàn)，以便得到實(shí)際工況的摩擦磨損性能指標(biāo)。

2.2　試驗(yàn)環(huán)境

對磨環(huán)：PEEK CA30及PEEK FC30

對磨：高鉻鋼

對磨環(huán)境：去離子水

施加載荷：50N、100N、200N

對磨時(shí)間：10h

對磨速度：2m/s

2.3　摩擦系數(shù)測試

摩擦系數(shù)表明了材料或摩擦副在摩擦過程中的運(yùn)動阻力，摩擦系數(shù)的大小直接反映了材料的摩擦性能，但對于相同的材料摩擦系數(shù)并不是定值，它還與摩擦副表面狀態(tài)、潤滑介質(zhì)、周圍環(huán)境及工作參數(shù)有關(guān)[4]。圖1~圖3為在上述試驗(yàn)環(huán)境下測得的PEEK FC30及PEEK CA30的摩擦系數(shù)曲線。

圖1　100N PEEK FC30與高鉻鋼

圖2　200N PEEK FC30與高鉻鋼

圖3　100N PEEK CA30與高鉻鋼

由圖1、圖2、圖3曲線可見PEEK FC30與高鉻鋼在水潤滑環(huán)境，100N載荷下摩擦系數(shù)約為0.08；在200N載荷下摩擦系數(shù)約為0.03，隨載荷增加，摩擦系數(shù)降低。 PEEK CA30與PEEK FC30具有相似的摩擦系數(shù)曲線。

2.4　磨損測試

在摩擦磨損試驗(yàn)中，磨損量是評定材料的耐磨性，控制產(chǎn)品質(zhì)量和研究磨損機(jī)理的一個(gè)重要指標(biāo)，也是磨損試驗(yàn)方法的重要內(nèi)容，表2列出PEEK FC30與PEEK CA30在2.2工況下的比磨損率。

表2　PEEK FC30及PEEK CA30試驗(yàn)結(jié)果對比

由表2可以看出PEEK FC30因含PTFE及石墨，所以摩擦系數(shù)要優(yōu)于PEEK CA30，而PEEK CA30含30%的碳纖維，磨損率低于PEEK FC30，說明PEEK CA30更耐磨。

在摩擦磨損試驗(yàn)后，除了通過摩擦系數(shù)和磨損量評價(jià)其材料性能外，摩擦磨損表面微觀分析也是評價(jià)材料摩擦學(xué)性能的重要手段。特別是以機(jī)理研究和新材料開發(fā)為目的的摩擦-磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)后的表面微觀形態(tài)可為揭示其磨損機(jī)理提供重要依據(jù)。采用掃描電鏡觀察試驗(yàn)后的PEEK FC30、PEEK CA30及其高鉻鋼對磨副的表面磨損形貌，如圖4所示。

(a)PEEK FC300

(b)高鉻鋼

(c)PEEK CA30

(d)高鉻鋼

由圖4可見磨損后表面PEEK塑性變形，并存在磨坑、磨平的碳纖維和粘著的PTFE片，表現(xiàn)為磨粒磨損和疲勞磨損，高鉻鋼表面存在明顯劃痕和粘著的PEEK磨屑，表現(xiàn)為磨粒磨損和粘著磨損。

由于本次試驗(yàn)主要測試了兩種新材料的摩擦磨損性能，所以并沒有測試石墨的摩擦系數(shù)，不過在以往的試驗(yàn)中，同等條件下石墨的摩擦系數(shù)為0.1~0.2。

3結(jié)語

由以上試驗(yàn)可以看出，PEEK FC30及PEEK CA30的摩擦磨損性能與石墨材料處于同一水平，而其抗沖擊性能是石墨材料的2倍。因此PEEK FC30與PEEK CA30完全可以用于水潤滑推力軸承的瓦面材料，而在大推力水潤滑推力軸承中PEEK FC30及PEEK CA30復(fù)合材料更有優(yōu)勢。不過需要說明的是由于PEEK FC30中含有PTFE成分，其耐輻照性能較差，所以其不適用于主泵電機(jī)等有輻照的環(huán)境中；而PEEK CA30則耐輻照，它在水潤滑推力軸承中的應(yīng)用更加廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]劉佐民.摩擦學(xué)理論與設(shè)計(jì).武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.

[2]潘育松，熊黨生.聚醚醚酮復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究現(xiàn)狀.工程塑料應(yīng)用，2006.

[3]賈均紅，陳建敏，周惠娣，等.炭纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料在水潤滑下的摩擦學(xué)行為.高分子材料科學(xué)與工程，2005.

[4]溫詩鑄，黃平.摩擦學(xué)原理.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[5]北京兆迪科技有限公司.ANSYS Workbench 14.0結(jié)構(gòu)分析快速入門、進(jìn)階與精通[M].北京：電子工業(yè)出版社,2014.

[6]歐江.基于有限元的立式電機(jī)機(jī)座的瞬態(tài)響應(yīng)分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2006,19(5):42-43.

[7]毛文貴,李建華,傅彩明.立式電機(jī)機(jī)座的動態(tài)性能仿真研究[J].大電機(jī)技術(shù),2010,(3):31-34.

Research on Bushing Surface Material of Large Thrust

Water-Lubricated Bearing

ZhangJinhui,LiWei,WangWeiguang,andFuSong

(Harbin Electric Power Equipment Co.,Ltd.,Harbin 150066, China)

AbstractLarge thrust water-lubricated bearing is the core component of the third generation nuclear power, and the key of it is the choice of bearing bushing materials. According to requirements, two kinds of new composite materials are selected to replace graphite material and comparatively experiment of them is carried out from aspects of mechanical property, friction and wear etc. The feasibility of them used in water-lubricated bearing is verified finally.

Key wordsFriction and wear；impact energy；composite material

收稿日期：2015-09-14

作者簡介：張金慧男1978年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事大中型異步電機(jī)及軸承的設(shè)計(jì)工作.

中圖分類號：TM304

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-7281(2015)06-0031-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.10