軸封式核主泵電機(jī)復(fù)合材料軸瓦結(jié)合特性研究

仲維濱

(1． 黑龍江省核主泵工程技術(shù)研究中心，黑龍江哈爾濱 150060；2． 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150060)

0 引言

隨著三代核電對電站安全性的提高，要求主泵在全廠斷電等工況下，應(yīng)具備一定的運(yùn)行能力。傳統(tǒng)的巴氏合金軸瓦在系統(tǒng)低壓啟動或無頂油停機(jī)工況下容易磨損[1-2]，復(fù)合材料軸瓦可以提高混合潤滑區(qū)域的耐磨損能力[3-6]。傳統(tǒng)復(fù)合軸瓦采用銅絲過渡層將復(fù)合材料與鋼基進(jìn)行連接[7-9]，結(jié)合結(jié)構(gòu)的等效壓剪強(qiáng)度為5.5 MPa，瓦面一般為聚四氟乙烯改性復(fù)合材料，不耐輻照。

使用碳纖維復(fù)合材料作為瓦面可以使復(fù)合瓦具備耐輻照的能力，采用燕尾槽式限位槽結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高復(fù)合軸瓦瓦面與瓦基的等效壓剪強(qiáng)度。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

復(fù)合材料軸瓦采用與巴氏合金相同的軸瓦結(jié)合結(jié)構(gòu)，推力瓦瓦基設(shè)置橫向和縱向交織的燕尾槽，外部設(shè)置一圈圍邊，瓦面通過限位槽與瓦基保持緊密連接，如圖1所示。

圖1 一體瓦結(jié)合結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)合材料軸瓦結(jié)合性能不低于巴氏合金軸瓦，對比如表1所示。

表1 巴氏合金軸瓦與復(fù)合材料軸瓦結(jié)合結(jié)構(gòu)對比

2 壓剪試驗(yàn)

瓦面與瓦基連接采用物理式燕尾槽限位，確保瓦基與瓦面結(jié)合強(qiáng)度，不依賴復(fù)合材料與瓦基之間的黏性，瓦基采用17-4PH不銹鋼，屈服強(qiáng)度高于590 MPa；因此，在進(jìn)行壓剪試驗(yàn)時(shí)，斷裂面在瓦基頂面，即限位槽內(nèi)復(fù)合材料與上層瓦面之間斷裂。所以，限位槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依賴于限位槽區(qū)域的復(fù)合材料保證，這部分材料斷裂已經(jīng)是同種材質(zhì)剪切斷裂，可依據(jù)GB/T 1450．1—2005《纖維增強(qiáng)塑料層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，檢測表面摩擦層與瓦基層間剪切強(qiáng)度。

試驗(yàn)試樣規(guī)格為26．10 mm×26．50 mm。

經(jīng)過等效剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均高于要求值12 MPa，詳見表2。

表2

剪切試樣試驗(yàn)前后的試樣如圖2所示，斷裂面在碳纖維復(fù)合材料本體處，不銹鋼與碳纖維復(fù)合材料結(jié)合面較牢固無分離現(xiàn)象。

圖2 壓剪試驗(yàn)前后

3 計(jì)算分析

選取復(fù)合材料軸瓦的一個(gè)結(jié)合單元建立二維、三維模型，采用有限元方法進(jìn)行燕尾槽結(jié)合結(jié)構(gòu)工作特性計(jì)算。瓦面與瓦基采用摩擦單元模擬接觸配合，二維采用四邊形單元，三維采用六面體單元，復(fù)合材料瓦材料物理參數(shù)見表3。

表3 材料物理參數(shù)

推力軸承在中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于油膜存在，摩擦副分離無直接接觸磨損，當(dāng)惰轉(zhuǎn)停機(jī)進(jìn)入低速區(qū)間時(shí)油膜破裂，摩擦副直接接觸。某型主泵停機(jī)時(shí)最大等效載荷為3.6 MPa，因此，復(fù)合材料軸瓦結(jié)合單元施加載荷為3.6 MPa，瓦基底面約束，復(fù)合材料軸瓦一個(gè)結(jié)合單元的有限元模型如圖3所示。

圖3 結(jié)合單元有限元二維模型

等效載荷在3.6 MPa時(shí)水平方向的應(yīng)力見圖4，最大值在限位槽5.19 MPa。

等效載荷在3.6 MPa時(shí)豎直方向的應(yīng)力見圖5，最大值在限位槽側(cè)為14 MPa。

圖4 水平方向二維應(yīng)力分布云圖

圖5 豎直方向二維應(yīng)力分布云圖

等效載荷在3.6 MPa時(shí)范式等效應(yīng)力見圖6，最大值在限位槽側(cè)為16.3 MPa。

圖6 von mises二維應(yīng)力分布云圖

基于von mises準(zhǔn)則進(jìn)行彈性力學(xué)屈服分析，包含第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，如圖6所示，von mises應(yīng)力最大值為16.3 MPa，復(fù)合材料材料瓦結(jié)合結(jié)構(gòu)具有較高的安全系數(shù)，水平方向安全系數(shù)為18.3，豎直方向安全系數(shù)為11.7。

4 溫度效應(yīng)

通過臺架試驗(yàn)測試得知，推力瓦表面油膜最高溫度與推力瓦瓦基溫度差為30 ℃。按最大溫度梯度30 ℃考核，結(jié)合單元的運(yùn)行特性，當(dāng)溫度梯度存在時(shí)，高度方向熱漲無自由度約束，而限位槽水平方向存在瓦基凹槽的剛度約束。通過表3計(jì)算可知，結(jié)合單元內(nèi)水平方向的過盈量為3 μm。采用3D模型，限位槽內(nèi)水平過盈量按5 μm考核，并同時(shí)施加等效載荷3.6 MPa，約束底面，結(jié)合單元部分模型如圖7所示。

圖7 結(jié)合單元有限元三維模型

等效載荷在3.6 MPa時(shí)水平方向的應(yīng)力見圖8，最大值在限位槽底6.3 MPa。

圖8 水平方向三維應(yīng)力分布云圖

等效載荷在3.6 MPa時(shí)豎直方向的應(yīng)力見圖9，最大值在限位槽側(cè)為4.5 MPa。

圖9 豎直方向三維應(yīng)力分布云圖

等效載荷在3.6 MPa時(shí)范式等效應(yīng)力見圖10，最大值在限位槽側(cè)為11.4 MPa。

圖10 von mises三維應(yīng)力分布云圖

基于von mises準(zhǔn)則進(jìn)行彈性力學(xué)屈服分析，包含第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，如圖10所示，von mises應(yīng)力最大值為11.4 MPa，復(fù)合材料材料瓦結(jié)合結(jié)構(gòu)具有較高的安全系數(shù)，水平方向安全系數(shù)為15.1，豎直方向安全系數(shù)為16.7。

5 對比分析

經(jīng)對比研究，不考慮溫度梯度和考慮溫度梯度應(yīng)力值如表4所示。

表4 結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析對比

復(fù)合材料推力瓦采用與巴氏合金軸瓦采用相同的燕尾槽限位物理連接結(jié)構(gòu)，不依賴于異種材質(zhì)之間黏性保持連接。通過實(shí)驗(yàn)(見表2)，斷裂面在碳纖維復(fù)合材料本體處，不銹鋼與碳纖維復(fù)合材料結(jié)合面較牢固無分離現(xiàn)象，因此可以使用GB/T 1450.1—2005評估。某型主泵主推535 kN運(yùn)行時(shí)推力瓦載荷為2.4 MPa，啟動前和停機(jī)后的推力瓦等效載荷約為3.6 MPa；復(fù)合材料干摩擦系數(shù)為0.15～0.20，啟動時(shí)摩擦力形成剪切等效載荷為3.6×0.20=0.72 MPa，一體瓦技術(shù)規(guī)范要求瓦面與瓦基的等效抗剪能力大于等于12 MPa，安全系數(shù)為16.7倍，高于傳統(tǒng)的塑料瓦5.5 MPa抗剪能力。

6 結(jié)語

通過對復(fù)合材料軸瓦的結(jié)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行特性分析，有以下結(jié)論：

(1) 3．6 MPa等效載荷，復(fù)合材料不考慮溫度梯度時(shí)，水平安全系數(shù)為18.3，豎直安全系數(shù)為11.7，推力瓦結(jié)合結(jié)構(gòu)可長期安全工作。

(2) 3．6 MPa等效載荷，復(fù)合材料考慮溫度梯度時(shí)，水平安全系數(shù)為15.1，豎直安全系數(shù)為16.7，推力瓦結(jié)合結(jié)構(gòu)可長期安全工作。

(3) 在啟動瞬間，限位結(jié)構(gòu)的抗剪切安全系數(shù)為16.7倍，可長期安全工作。

(4) 復(fù)合材料軸瓦限位結(jié)合結(jié)構(gòu)安全可靠，復(fù)合材料可長期安全工作。