水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)瓦材質(zhì)性能的對比分析

李金澤，謝克非

(南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

水導(dǎo)瓦是水輪發(fā)電機(jī)組重要的部件之一，傳統(tǒng)水導(dǎo)瓦采用巴氏合金作為其材質(zhì)，但由于其可靠性差，摩擦損耗大，現(xiàn)廣泛使用橡膠、彈性金屬塑料作為其材質(zhì)，又常稱之為橡膠瓦、塑料瓦。彈性金屬塑料瓦廣泛使用在水輪發(fā)電機(jī)組中，具體采用金屬板為基體，改性聚四氟乙烯材料為表面摩擦材料，并在改性聚四氟乙烯材料中，加入一定的彈性金屬絲，經(jīng)特殊工藝制作而成。

1 水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)瓦材質(zhì)的演變

隨著水電機(jī)組的功率、容量的不斷增加，水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)瓦材質(zhì)先后經(jīng)歷了多種變更，最早大量使用巴氏合金材質(zhì)，后演變?yōu)楝F(xiàn)今的小功率機(jī)組橡膠材質(zhì)，大功率機(jī)組聚四氟乙烯、改性聚四氟乙烯等材質(zhì)。

1.1 巴氏合金材質(zhì)

水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)瓦最早廣泛使用巴氏合金做為其材質(zhì)使用，巴氏合金是由美國人巴比特發(fā)明，因具有良好的減摩性、耐磨性而得名，因其質(zhì)百又稱為百合金[1]，自此，巴氏合金逐漸在各個領(lǐng)域開始應(yīng)用開來。在20世紀(jì)上半葉，巴氏合金的認(rèn)識和應(yīng)用已經(jīng)非常成熟[2-5]，國內(nèi)方面對其的探究也非常之多[6-7]，根據(jù)知網(wǎng)收錄信息來看，最早的來源于1954年M·穆次尼克與袁明發(fā)表的文獻(xiàn)，在澆筑發(fā)動機(jī)軸承使用巴氏合金作為發(fā)動機(jī)軸承的瓦片[8]，表明巴氏合金在當(dāng)時就已經(jīng)在各種機(jī)械設(shè)備中成熟應(yīng)用起來。

巴氏合金材質(zhì)本身的性能及發(fā)展探究，近年來，國內(nèi)方面也有不少的建樹。例如在2016年秦卓及他的團(tuán)隊在熱加工工藝期刊上發(fā)表的文獻(xiàn)，就對巴氏合金的特性、研究進(jìn)展情況及制備技術(shù)等多方面進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)及整理(見表1)，系統(tǒng)客觀的讓后續(xù)研究者對巴氏合金有了一個清晰、完整的了解[9]。

表1 常用巴氏合金的物理和力學(xué)性能

此外，還有在2012年孫艷明在廣東化工期刊上發(fā)表的文獻(xiàn)，就具體詳細(xì)的對巴氏合金進(jìn)行了性能分析，通過拉伸實驗、金相及形貌分析實驗等多種實驗對巴氏合金的拉伸強(qiáng)度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等多項性能進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)刻畫[10]。

1.2 橡膠材質(zhì)

一般在320 kW以下的小功率水輪發(fā)電機(jī)組，水導(dǎo)瓦常使用橡膠材質(zhì)作為其材質(zhì)。橡膠材質(zhì)具有耐磨、柔性好摩擦系數(shù)好等特點(diǎn)，特別是在水下不易老化、不易損壞，所以作為水輪發(fā)電機(jī)組耐磨塊材料具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。但橡膠材質(zhì)在耐高溫方面表現(xiàn)出的性能不夠強(qiáng)力，水輪發(fā)電機(jī)組主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)的時候起到水導(dǎo)瓦需要起到摩擦保護(hù)的作用，同時約束軸線位移和防止軸的擺動，而大功率機(jī)組必然摩擦產(chǎn)熱更加嚴(yán)重，橡膠材質(zhì)在大功率機(jī)組應(yīng)用就存在很大的材質(zhì)缺陷，不能滿足大功率機(jī)組的需求。

橡膠最早發(fā)現(xiàn)于1736年，法國科學(xué)家康達(dá)敏從秘魯帶回有關(guān)橡膠樹的詳細(xì)資料，出版了《南美洲內(nèi)地旅行記略》，書中詳述了橡膠樹的產(chǎn)地、采集乳膠的方法和橡膠的利用情況，引起了人們的重視。1876年，英國人魏克漢亞馬遜河熱帶叢林中采集7萬粒橡膠種子，送到英國倫敦皇家邱植物園培育，然后將橡膠苗運(yùn)往新加坡、斯里蘭卡、馬來西亞、印度西亞等地種植并獲得成功，至此，橡膠逐漸應(yīng)用于各個領(lǐng)域中[11-12]。

此外，國內(nèi)橡膠材質(zhì)的研究程度也非常之深[13-15]。根據(jù)知網(wǎng)收錄的信息，國內(nèi)領(lǐng)域可供參考的對橡膠的學(xué)術(shù)研究最早來源于1946年，化學(xué)世界期刊上發(fā)表了一篇對橡膠材料的文獻(xiàn)，這篇文獻(xiàn)發(fā)表時正處于抗日戰(zhàn)爭結(jié)束，國共戰(zhàn)爭開始時期，由于戰(zhàn)爭的影響，橡膠的來源斷絕，需要人工合成橡膠大量代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠[16]。在近代，橡膠材質(zhì)逐漸應(yīng)用于多種領(lǐng)域，水利領(lǐng)域的應(yīng)用比較有代表性的如2003年馬勇發(fā)表的文獻(xiàn)，文章中提到利用橡膠耐磨、柔性好的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到金溝河電站渠首排沙閘混凝土底板防磨技術(shù)上，獲得了顯著的耐磨效果[17]。此外，在2009年劉大燕及她的團(tuán)隊發(fā)表的文獻(xiàn)也具有很大的典型性。文章中以上猶江水電站為例，重點(diǎn)提出了機(jī)組大修時，橡膠瓦水導(dǎo)軸承間隙調(diào)整大小，方式的具體計算(見表2)，圖1描述了橡膠瓦水導(dǎo)軸承存在的缺陷[18]。

表2 水導(dǎo)計算間隙 ×0.01 mm

圖1 瓦間隙計算示意

1.3 聚四氟乙烯材質(zhì)

聚四氟乙烯(PTFE)，俗稱“塑料王”，在20世紀(jì)30年代末期發(fā)現(xiàn)，40年代投入工業(yè)生產(chǎn)，是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。國家“十二五”期間將氟塑料作為重點(diǎn)發(fā)展的化工新材料中的一項，其已被國家放于重要的戰(zhàn)略地位[19]。

由聚四氟乙烯制成的塑料瓦，是在1969年前蘇聯(lián)制成的，當(dāng)時為銅粉塑料瓦，應(yīng)用于上斯維爾水電機(jī)組的推力軸承上，緊接著，前蘇聯(lián)古比雪夫航空學(xué)院又研制出青銅絲彈性金屬塑料瓦，并應(yīng)用于列寧-伏爾加水電站上，通過八年多的運(yùn)行，熟練掌握并應(yīng)用開彈性金屬塑料瓦的優(yōu)越性能，隨后，逐漸在國外受到研究者對其的進(jìn)一步重視與研究[20-22]。

國內(nèi)對塑料瓦材質(zhì)的研究極為廣泛與深入[23]，根據(jù)知網(wǎng)收錄的情況來看，自1964年至今發(fā)表與塑料瓦有關(guān)的文獻(xiàn)達(dá)300多篇，從塑料瓦的性能探究、應(yīng)用，及發(fā)展都極為全面。在材質(zhì)本身性能探究的代表性文獻(xiàn)，例如2001年的由陳君鈁發(fā)表的關(guān)于彈性金屬塑料瓦的探究，文獻(xiàn)中具體談及到國外通過對普通塑料瓦添加添加劑，進(jìn)一步進(jìn)行性能的強(qiáng)化探究及實驗[24]。此外，還有2009年桂世華發(fā)表的文獻(xiàn)，在其中就對塑料瓦的發(fā)展歷程，國內(nèi)外塑料瓦的性能比較(見表3)，與傳統(tǒng)巴氏合金的比較等多方面系統(tǒng)的闡述了塑料瓦的變更[25]。

表3 國內(nèi)外塑料瓦的摩擦性能對比

2 ORIGIN曲線性能分析

2.1 巴氏合金性能

常用巴氏合金各項性能參數(shù)已經(jīng)有研究者進(jìn)行實驗測得，提取2014年郭正興發(fā)表的文獻(xiàn)中關(guān)于巴氏合金性能數(shù)據(jù)進(jìn)行ORIGN曲線繪制[26]，(見表4，圖2)。

2.2 橡膠性能

320 K以下水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)瓦一般采用普通橡膠作為其材質(zhì)。項可璐在2013年發(fā)表的文獻(xiàn)中，詳細(xì)的對丁苯橡膠、天然橡膠復(fù)合材料的原始性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究分析，其中對天然橡膠的原始性能進(jìn)行了完整的闡述[27]，(見表5)，其可參考價值高，本文采用其文獻(xiàn)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行Origin曲線繪制(見圖3)。

表4 常用巴氏合金性能表

圖2 巴氏合金性能origin曲線

圖3 天然橡膠復(fù)合材料性能origin曲線

2.3 聚四氟乙烯性能

320 K以上大功率水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)瓦一般采用聚四氟乙烯等作為其材質(zhì)。吳興彬及他的團(tuán)隊在2014年發(fā)表的文獻(xiàn)中，詳細(xì)的對聚四氟乙烯復(fù)合材料的性能進(jìn)行了探究(見表6)，同時對其進(jìn)行了單向壓縮有限元分析[28]，本文采用其文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行Origin曲線繪制,(見圖4)。

表5 天然橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐磨性能

表6不同拉伸條件下聚四氟乙烯復(fù)合材料的拉伸性能

試驗序號拉伸彈性模量/MPa屈服應(yīng)力/MPa拉伸強(qiáng)度/MPa斷裂伸長率/100%1#400.89.62140.0426.82#670.113.17122.8351.53#407.99.79133.1418.24#285.97.32202.81536.55#500.210.16125.9393.7

圖4 不同條件下聚四氟乙烯力學(xué)性能origin曲線

3 結(jié) 論

(1)通過對水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)瓦材質(zhì)演變過程進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)歸納，可以清晰明了的認(rèn)識出水導(dǎo)瓦材質(zhì)的發(fā)展?fàn)顩r，對每種演變材質(zhì)的性能需求有一個正確的認(rèn)知。同時，可以給水導(dǎo)瓦材質(zhì)和新抗磨材料的研究者提供前期的認(rèn)知和知識儲備。

(2)通過中國知網(wǎng)的收錄的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)繪制圖形可知，傳統(tǒng)大部分巴氏合金材質(zhì)的耐壓程度力主要集中在20 MPa左右，在不同載荷下壓速比也處于一個較小值，表明巴氏合金材質(zhì)力學(xué)性能不高，但穩(wěn)定性程度很高。

(3)現(xiàn)今的水導(dǎo)瓦材質(zhì)，橡膠材質(zhì)的拉伸強(qiáng)度在70～100 kN之間、張力在20～30 MPa，聚四氟乙烯材質(zhì)的拉伸強(qiáng)度主要集中在120～200 MPa之間，比橡膠材質(zhì)擁有更加優(yōu)良的力學(xué)性能。此外，兩種材質(zhì)上述所描述的力學(xué)性能在Origin曲線刻畫中表現(xiàn)較為平緩，說明其力學(xué)性能穩(wěn)定程度也極其優(yōu)良。