船舶推力軸承彈性金屬塑料瓦應(yīng)用試驗(yàn)研究

李全超，俞 強(qiáng)

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

推力軸承是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是傳遞軸系推力，使船舶獲得動(dòng)力。船舶推進(jìn)系統(tǒng)中廣泛采用動(dòng)壓潤滑式推力軸承，推力瓦是其關(guān)鍵推力承受部件，其承擔(dān)了旋轉(zhuǎn)軸系推力傳遞至靜止結(jié)構(gòu)的所有載荷，推力瓦承載性能對(duì)推力軸承功能指標(biāo)至關(guān)重要。

隨著對(duì)船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)精細(xì)化程度的逐步深入，對(duì)設(shè)備進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，控制和縮小設(shè)備尺寸，減輕船舶總體布置負(fù)擔(dān)是設(shè)備研究方向之一。因此，在一定結(jié)構(gòu)尺寸約束下, 要使推力軸承能承受更大推力載荷，提高推力瓦塊的平均單位壓力（即比壓）將成為必然的選擇之一[1]。

船用推力軸承常用推力瓦為鋼制金屬瓦上澆鑄軸承合金（巴氏合金），該材料彈性模量和彈性極限都很低，嵌入性和摩擦順應(yīng)性好，易與軸磨合，不易發(fā)生咬粘。但該材料承載能力較差，常規(guī)推力軸承設(shè)計(jì)中許用比壓一般僅為約2MPa，這使得推力軸承設(shè)計(jì)尺寸重量較為龐大，制約了船舶總體布置和重量控制。

彈性金屬塑料瓦（EMP瓦）是一種新型復(fù)合材料推力瓦，其軸瓦表面是一層聚四氟乙烯材料。聚四氟乙烯是目前固體材料中摩擦系數(shù)最小的一種，具有十分優(yōu)異的減摩性、自潤滑性和跑合性。彈性金屬塑料瓦具有極高的耐磨損性能和優(yōu)異機(jī)械性能。在潤滑不充分的條件下, 金屬塑料摩擦副一般不會(huì)產(chǎn)生高溫、膠合等燒瓦現(xiàn)象[2]。

彈性金屬塑料瓦的研究最早始于1969年，是蘇聯(lián)為解決大中型水力發(fā)電機(jī)機(jī)組推力軸承多發(fā)事故而發(fā)明的高科技成果, 1970年俄羅斯古比雪夫航空學(xué)院研制成功了彈性金屬塑料瓦。我國于1989年開始，為解決國產(chǎn)巴氏合金瓦推力軸承在一些電站運(yùn)行中的問題, 而從蘇聯(lián)引進(jìn)了彈性金屬塑料瓦推力軸承，而后開始自主創(chuàng)新，研制國產(chǎn)彈性金屬塑料瓦。目前，彈性金屬塑料瓦已在我國水輪機(jī)、大型電機(jī)、大型高速齒輪箱等領(lǐng)域的推力軸承上得到廣泛的應(yīng)用[3]。

本文對(duì)應(yīng)用彈性金屬塑料瓦的船舶軸系主推力軸承進(jìn)行試驗(yàn)研究，測(cè)試該彈性金屬塑料瓦在船舶軸系典型環(huán)境下的使用性能，研究該推力瓦在船舶推力軸承使用環(huán)境下適應(yīng)能力，為彈性金屬塑料瓦的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考經(jīng)驗(yàn)。

1 金屬塑料推力瓦材料與結(jié)構(gòu)

本文選用了一種水輪發(fā)電機(jī)行業(yè)成熟應(yīng)用的改良型金屬塑料材料作為船舶推力軸承彈性金屬塑料瓦表面材料，該材料采用高強(qiáng)度合成纖維和高耐磨特種工程塑料增強(qiáng)改性聚四氟乙烯, 具有極高的耐磨損性能和優(yōu)異機(jī)械性能，適合特大型、巨型水電機(jī)組推力軸承及巨型減速機(jī)推力軸承，先后應(yīng)用于多型水電機(jī)組和推力軸承上[4]，其與傳統(tǒng)巴氏合金的性能指標(biāo)對(duì)比情況如表1所示。

表 1 兩種瓦面材料性能參數(shù)對(duì)照表Tab. 1 Two kinds of material parameter table

彈性金屬塑料瓦結(jié)構(gòu)如圖1所示，金屬塑料材料瓦面通過釬焊工藝與鋼基體進(jìn)行壓制而成，從上至下共由4層材料構(gòu)成。

圖 1 彈性金屬塑料瓦剖面示意圖Fig. 1 Schematic diagram of elastic-metal-plastic pad

2 推力軸承設(shè)計(jì)

在穩(wěn)定工況下，推力軸承油膜壓力分布計(jì)算采用有限寬度滑動(dòng)表面的雷諾微分方程進(jìn)行數(shù)值求解來實(shí)現(xiàn)[4]：

式中：p，μ，h，ω分別為流體的壓力、粘度、膜厚和角速度；r和θ為極坐標(biāo)元素。

基于以上理論對(duì)某船舶推力軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表 2 推力軸承設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab. 2 Design parameters of thrust bearing

3 推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成

將推力軸承樣機(jī)安裝在某推力軸承專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架布置如圖2所示，主要由電機(jī)、減速箱、彈性聯(lián)軸節(jié)、推力軸承、中間軸承、中間軸、加載裝置等部件構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，推力軸承承載的推力由加載裝置模擬。

圖 2 推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of thrust bearing test-bed

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

1）推力負(fù)荷范圍0～500 kN；

2）主軸的轉(zhuǎn)速范圍0～300 r/min；

3）潤滑方式為強(qiáng)制潤滑；

4）潤滑油為N68 GB 11120-1989；

5）電機(jī)功率100 kW。

3.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試參數(shù)

推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)試參數(shù)有：實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速、推力、推力軸承滑油進(jìn)出口溫度、滑油流量，推力盤面溫度、推力瓦溫度等。其中實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速表獲取，推力通過推力加載裝置力傳感器獲取，滑油進(jìn)出口溫度通過管路上設(shè)置溫度傳感器獲取，推力盤面、推力瓦溫度則通過在推力軸承內(nèi)部安裝專用溫度傳感器和測(cè)試系統(tǒng)采集。

推力盤面溫度采集方式如圖3所示。在推力正車端推力盤面上加工若干個(gè)環(huán)形溝槽，在槽內(nèi)嵌入若干應(yīng)變片傳感器，采集推力盤面的溫度參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)線接入推力軸中心孔之中，采用激光方式將數(shù)據(jù)傳輸至端面數(shù)據(jù)接收裝置。

圖 3 推力盤面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)點(diǎn)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of sensor on thrust plate

推力瓦溫度采集設(shè)置了2種方式：1）在推力瓦鋼瓦基背面加工若干帶螺紋盲孔，內(nèi)置若干小型熱電偶溫度傳感器，傳感器探頭距推力瓦釬焊層約1～2 mm；2）推力瓦鋼瓦基表面預(yù)埋若干光纖光柵溫度傳感器。2種溫度傳感器布置形式如圖4和圖5所示。

圖 4 熱電阻溫度傳感器測(cè)點(diǎn)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of thermocouple sensor on elastic-metal-plastic pad

圖 5 光纖光柵分布式傳感器測(cè)點(diǎn)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of optical fiber sensor on elastic-metal-plastic pad

4 試驗(yàn)研究

4.1 低速輕載試驗(yàn)

圖6～圖8為推力軸承轉(zhuǎn)速由20 r/min逐漸提升至55 r/min，推力瓦比壓由2.5 MPa逐步提升至2.65 MPa，推力盤面、推力瓦測(cè)試的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)，每個(gè)工況試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間約9 h，可以看出：

1）各工況運(yùn)行過程中推力軸承各測(cè)點(diǎn)溫度呈先上升后趨于平緩趨勢(shì)，試驗(yàn)約進(jìn)行6 h以后溫度變化趨于平緩，說明整機(jī)處于熱平衡狀態(tài)；

圖 6 低速工況試驗(yàn)推力盤溫度隨時(shí)間變化曲線Fig. 6 Temperature history of thrust plate sensor on low speed condition

圖 7 低速工況推力塊溫度（光纖）隨時(shí)間變化曲線Fig. 7 Temperature history of elastic-metal-plastic pad (optical fiber sensor) on low speed condition

圖 8 低速工況推力塊溫度（熱電偶）隨時(shí)間變化曲線Fig. 8 Temperature history of elastic-metal-plastic pad (thermocouple sensor) on low speed condition

2）低速工況運(yùn)行過程中推力軸承運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速55 r/min、推力瓦比壓2.65 MPa狀態(tài)下熱平衡后各測(cè)點(diǎn)溫度最高，推力瓦熱電偶測(cè)點(diǎn)溫度為43 ℃，推力瓦光纖測(cè)點(diǎn)溫度為49 ℃，推力盤面溫度為55 ℃，最大溫差約為12 ℃；

3）推力軸承3個(gè)部位測(cè)點(diǎn)溫度呈推力盤面測(cè)點(diǎn)＞光纖測(cè)點(diǎn)＞熱電偶測(cè)點(diǎn)，這是由于3個(gè)傳感器布置位置距離依次漸遠(yuǎn)，最高溫度隨傳導(dǎo)距離增加而降低；

4）推力軸承3個(gè)部位測(cè)點(diǎn)溫度可以看出，推力盤面測(cè)點(diǎn)溫度在啟動(dòng)時(shí)劇烈上升，短時(shí)間內(nèi)上升至約45 ℃后轉(zhuǎn)折趨于平緩，而推力塊上的溫度測(cè)點(diǎn)則在啟動(dòng)后變化相對(duì)緩慢，約6 h后逐步趨于平緩，這也說明推力盤面在短時(shí)間內(nèi)已達(dá)熱穩(wěn)定狀態(tài)，而整機(jī)達(dá)到熱平衡則需要緩慢的熱傳導(dǎo)過程。

4.2 高速重載試驗(yàn)

圖9～圖11為推力軸承轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在200 r/min，推力瓦比壓由3 MPa逐步提升至6.6 MPa，推力盤、推力瓦測(cè)試的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)，可以看出：

1）與低速工況試驗(yàn)一致，運(yùn)行過程中各測(cè)點(diǎn)溫度呈先上升后趨于平緩趨勢(shì)，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，且推力軸承3個(gè)部位測(cè)點(diǎn)溫度呈推力盤面測(cè)點(diǎn)＞光纖測(cè)點(diǎn)＞熱電偶測(cè)點(diǎn)；

圖 9 高速工況試驗(yàn)推力盤溫度隨時(shí)間變化曲線Fig. 9 Temperature history of thrust plate sensor on high speed condition

圖 10 高速工況推力塊溫度（光纖）隨時(shí)間變化曲線Fig. 10 Temperature history of elastic-metal-plastic pad (optical fiber sensor) on high speed condition

圖 11 高速工況推力塊溫度（熱電偶）隨時(shí)間變化曲線Fig. 11 Temperature history of elastic-metal-plastic pad (thermocouple sensor) on high speed condition

2）隨著推力瓦比壓的逐漸增大，各測(cè)點(diǎn)平衡溫度逐漸增加，3個(gè)測(cè)量位置的溫度差也隨之增加。推力瓦比壓從3.7 MPa增加至6.6 MPa，熱平衡后推力瓦熱電偶測(cè)點(diǎn)溫度增加了20 ℃，光纖測(cè)點(diǎn)溫度增加了59 ℃，推力盤面測(cè)點(diǎn)溫度增加了39 ℃；

3）推力瓦比壓增加到6.6 MPa熱平衡后，熱電偶測(cè)點(diǎn)溫度為88 ℃，推力瓦光纖測(cè)點(diǎn)溫度為146 ℃，推力盤面溫度為159 ℃，最大溫差約為71 ℃；

4）高速工況運(yùn)行過程中推力軸承運(yùn)行依然平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流或溫度傳感器數(shù)值瞬時(shí)急劇增加的現(xiàn)象，但推力盤面溫度在達(dá)到130 ℃后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩明顯增大，說明高溫改變了金屬塑料摩擦屬性，摩擦系數(shù)增大。

4.3 試驗(yàn)后表面檢查

試驗(yàn)完成后，對(duì)推力軸承彈性金屬塑料瓦進(jìn)行檢查，觀察試驗(yàn)過后推力瓦表面磨損和燒傷情況，試驗(yàn)前后對(duì)比情況如圖12所示。對(duì)比檢查結(jié)果如下：

1）金屬塑料推力瓦面顏色由原出廠乳白色變成黑褐色，中間摩擦面黑色痕跡明顯；

2）金屬塑料推力瓦面表面原有的邊緣過渡倒角不再明顯，瓦面出現(xiàn)塑性變形，材料有軟化后流動(dòng)痕跡，推力瓦出油邊發(fā)現(xiàn)材料堆積呈卷邊；

3）對(duì)比測(cè)試試驗(yàn)前后推力瓦面高度，測(cè)試結(jié)果表明，試驗(yàn)前后金屬塑料推力瓦面厚度下降了明顯，進(jìn)油邊厚度下降約0.5 mm，出油邊厚度下降約2.2 mm，進(jìn)出油邊存在約1.7 mm的厚度差，說明推力面已相對(duì)出廠狀態(tài)產(chǎn)生一定傾斜。

以上檢查結(jié)果表明，金屬塑料推力瓦在試驗(yàn)過程中表面材料發(fā)生了明顯的高溫蠕變，材料受壓蠕變后厚度變薄，并向出油邊滑移。但這種狀態(tài)下推力軸承仍可以保持正常運(yùn)行，并未發(fā)生燒瓦、粘接等故障。

圖 12 金屬塑料推力瓦試驗(yàn)前后表面對(duì)比圖Fig. 12 The elastic-metal-plastic pad before and after test

5 結(jié) 語

經(jīng)過彈性金屬塑料瓦在船舶推力軸承上應(yīng)用的試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

1）船舶推力軸承應(yīng)用彈性金屬塑料瓦后，在比壓高達(dá)6.6 MPa時(shí)仍能正常運(yùn)行，遠(yuǎn)超出巴氏合金材料推力瓦使用性能，說明彈性金屬塑料瓦具有能承受超大比壓能力；

2）船舶推力軸承應(yīng)用彈性金屬塑料瓦后，在推力軸承摩擦副最高溫度高達(dá)159 ℃，金屬塑料產(chǎn)生一定塑性變形情況下，仍能支撐推力軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)，未發(fā)生高溫熔化、粘接等危及軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)故障，性能優(yōu)于巴氏合金材料；

3）船舶推力軸承應(yīng)用彈性金屬塑料瓦后，可以大幅度提高推力軸承設(shè)計(jì)比壓，但仍應(yīng)注意，推力瓦設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證一定設(shè)計(jì)余量，以保證推力瓦耐久使用；

4）推力軸承溫度檢測(cè)時(shí)，應(yīng)盡可能對(duì)推力盤面與推力瓦接觸面進(jìn)行直接溫度測(cè)量，其他位置布置溫度計(jì)或傳感器與摩擦副處實(shí)際溫度均存在較大誤差。