復(fù)合材料推力軸承設(shè)計(jì)與制造研究

周洪鋒 衛(wèi)海東

摘要：文章首先對(duì)復(fù)合材料瓦面推力軸承的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了分析;其后，圍繞干燥處理、材料拌合、加壓制造等環(huán)節(jié)，研究了復(fù)合材料瓦面推力軸承的制造工藝;最后，從瓦面進(jìn)油機(jī)制、瓦面結(jié)構(gòu)造型兩個(gè)角度入手，提出了復(fù)合材料瓦面推力軸承設(shè)計(jì)與制造的把控要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;推力軸承;瓦面層

中圖分類(lèi)號(hào)：TM312? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0079-02

0? 引言

推力軸承是現(xiàn)代軸承工業(yè)的核心產(chǎn)品類(lèi)型之一，其主要應(yīng)用于船舶推進(jìn)器、水輪發(fā)電機(jī)等機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)中，并發(fā)揮著重要的零部件作用。近年來(lái)，隨著相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，人們對(duì)推力軸承材料質(zhì)量、承載能力、耐久性能等方面的要求也越來(lái)越高。在此背景下，我們有必要對(duì)復(fù)合材料瓦面推力軸承的設(shè)計(jì)與制造展開(kāi)探究討論。

1? 復(fù)合材料推力軸承的設(shè)計(jì)思路

首先，設(shè)計(jì)人員選擇PEEK（聚醚醚酮）復(fù)合材料作為推力軸承主體材料，這類(lèi)材料具備較強(qiáng)的自潤(rùn)滑性能，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無(wú)需配置高壓油頂起系統(tǒng)，提高軸承系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，該材料的耐高溫性、阻燃性、耐腐蝕性也比較強(qiáng)。將其作為軸承設(shè)計(jì)的主要材料，也能有效強(qiáng)化軸承的長(zhǎng)壽質(zhì)量與運(yùn)行安全性，并提高軸承對(duì)復(fù)雜工況環(huán)境的適應(yīng)能力。同時(shí)，選用高強(qiáng)度的OCr17Ni12Mo2不銹鋼作為軸承主體材料;其次，結(jié)合蓄能機(jī)組的工況參數(shù)，適當(dāng)降低瓦面的規(guī)格參數(shù)，將瓦內(nèi)徑設(shè)計(jì)為1070mm，瓦外徑設(shè)計(jì)為2470mm，瓦夾角設(shè)計(jì)為26°，長(zhǎng)寬比設(shè)計(jì)為0.57，復(fù)合材料瓦面厚設(shè)計(jì)為4mm;最后，結(jié)合推力軸承的具體參數(shù)，進(jìn)行流體動(dòng)力潤(rùn)滑計(jì)算，并開(kāi)展有限元分析，評(píng)估瓦面變形狀況，將瓦面設(shè)計(jì)為平面，并在瓦面的進(jìn)出口位置設(shè)置坡口，保障潤(rùn)滑油順暢流動(dòng)。實(shí)踐證明，在此設(shè)計(jì)思路的支持下，復(fù)合材料推力軸承可達(dá)成如下產(chǎn)出效果：①通過(guò)控制瓦面長(zhǎng)寬比，實(shí)現(xiàn)軸承溫度的有效降低;②對(duì)進(jìn)油、出油部位進(jìn)行坡口設(shè)計(jì)，更有利于潤(rùn)滑油的注入;③該設(shè)計(jì)思路可省略高壓油頂起系統(tǒng)，從而降低軸承結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低復(fù)合材料推力軸承運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生幾率。

2? 復(fù)合材料推力軸承的制造工藝

以PEEK復(fù)合材料推力軸承為例，在生產(chǎn)制造中，瓦基材料為0Cr17Ni12Mo2型號(hào)不銹鋼;選擇330CA20型號(hào)的聚醚醚酮材料。制造工藝為配合使用粗糙工藝槽及熱模壓成型工藝。粗糙工藝槽是指多個(gè)軸向與徑向燕尾槽、矩形槽組合而成的工藝槽，深度在4-8mm之間，等效寬度在30-120mm之間，為確保其地面粗糙滿(mǎn)足制造工藝要求，對(duì)鋼基表面進(jìn)行噴砂處理。處理后的工藝槽安裝于鋼瓦塊的四周，即完成粗糙工藝槽部分的加工。熱模壓成型工藝流程如下：

第一，在120℃溫度條件下，對(duì)330CA20型號(hào)的聚醚醚酮材料進(jìn)行干燥處理，處理時(shí)間應(yīng)超過(guò)12h。干燥完成后，待材料自然冷卻后使用[1]。

第二，按照聚醚醚酮（參數(shù)要求：粉末粒徑<75μm）占比70-80%、短碳纖維（參數(shù)要求：長(zhǎng)度在30-70μm之間，直徑為7μm）占比20-30%、球形石墨粉（參數(shù)要求：粉末粒徑<25μm）占比0-10%、聚四氯乙烯粉（參數(shù)要求：粉末粒徑<25μm）占比0-10%的配比，稱(chēng)量瓦面原料，將其置于高速攪拌機(jī)中，在低于35℃的溫度條件下進(jìn)行攪拌混合。

第三，在熱模壓模具中放置鋼瓦塊，倒入拌合完全的瓦面原料，刮平后合模。為避免瓦面層出現(xiàn)氣泡，需過(guò)量添加混合瓦面原料，將其從模具邊緣擠出一部分。

第四，開(kāi)啟壓力機(jī)，向模具進(jìn)行施壓，壓力控制在30-80MPa，保壓時(shí)間控制在10-30min，控制加壓速度，嚴(yán)禁對(duì)模具施加沖擊負(fù)載，以免導(dǎo)致作用力過(guò)大，引發(fā)瓦面裂縫的負(fù)面現(xiàn)象。

第五，加壓完成后將模具整體放置于加熱爐內(nèi)，開(kāi)啟加熱爐，根據(jù)工件特點(diǎn)，控制加熱時(shí)間與保溫時(shí)間，使溫度控制在350-450℃，將模具內(nèi)的粉料全部熔融。

第六，加熱完成后對(duì)模具進(jìn)行二次加壓，壓力控制在30-60MPa，保壓時(shí)間控制在10-30min。在加壓的同時(shí)，對(duì)模具進(jìn)行冷卻處理，冷卻速率控制在30-60℃/h，在模具溫度低于60℃時(shí)，即可進(jìn)行脫模。

第七，脫模完成后，對(duì)推力軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械加工，并在軸承的進(jìn)出口位置設(shè)置坡口，使其精度、結(jié)構(gòu)及參數(shù)滿(mǎn)足機(jī)組要求，完成推力軸承的制造。（圖1）

從推力軸承的實(shí)際設(shè)計(jì)階段，針對(duì)復(fù)合材料的特性，還可注重復(fù)合材料與軸承設(shè)計(jì)模具的匹配度。一般在使用推力軸承設(shè)計(jì)模具時(shí)，應(yīng)注重下述三點(diǎn)：①在用料澆注階段，應(yīng)保持垂直、短程的狀態(tài)，以免澆注范圍較大，造成材料無(wú)法順利進(jìn)入到模具中，促使推力軸承逐漸脫離原有設(shè)計(jì)目標(biāo);②設(shè)計(jì)模具中的內(nèi)部厚度與實(shí)際形狀不宜影響軸承原料的自然流動(dòng)，防止在推力軸承設(shè)計(jì)工作中，受流動(dòng)情況的影響降低制造效率;③為了確保復(fù)合材料推力軸承的制造原料實(shí)現(xiàn)均勻分布，可適當(dāng)針對(duì)進(jìn)料口予以增擴(kuò)，確保推力軸承在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)保持良好的穩(wěn)定性。只有擁有明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，才能增加復(fù)合材料推力軸承制造的科學(xué)性，確保推力軸承在后期使用中發(fā)揮出真正的效用，滿(mǎn)足初期設(shè)計(jì)需求。

3? 復(fù)合材料推力軸承的設(shè)計(jì)制造要點(diǎn)

3.1 瓦面進(jìn)油機(jī)制的設(shè)計(jì)制造要點(diǎn)

有學(xué)者對(duì)復(fù)合材料推力軸承的瓦面進(jìn)油機(jī)制及其承載能力的影響關(guān)系進(jìn)行了分析研究，并得出以下結(jié)論：①進(jìn)油機(jī)制對(duì)推力軸承的承載能力具有直接影響性，進(jìn)油的設(shè)計(jì)制造越合理，推力軸承的油膜壓力越強(qiáng)，由此形成的工況承載力就越好;②進(jìn)油槽的壓力參數(shù)與推力軸承的承載能力呈正相關(guān)，進(jìn)油槽壓力越大，油膜所受的增壓作用越強(qiáng)，推力軸承的性能也就越穩(wěn)定;③進(jìn)油槽的寬度對(duì)推力軸承的承載能力有微弱影響，但也應(yīng)提起重視，理論情況下，若進(jìn)油槽過(guò)于狹窄，將會(huì)引起推力軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油壓力的異常損失，進(jìn)而削弱軸承的性能質(zhì)量。

基于以上，相關(guān)人員在進(jìn)行復(fù)合材料推力軸承的設(shè)計(jì)與制造時(shí)，應(yīng)盡量提高進(jìn)油槽的壓力參數(shù)，將進(jìn)油槽設(shè)計(jì)在推力瓦入油邊側(cè)的近端區(qū)域，并適當(dāng)增大進(jìn)油槽的設(shè)計(jì)寬度，以確保復(fù)合材料推力軸承油膜壓力處于穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的理想狀態(tài)，為軸承性能的持續(xù)發(fā)揮、軸承壽命的耐久保障夯實(shí)生產(chǎn)基礎(chǔ)[2]。

為了保證復(fù)合材料推力軸承的良性制造，還可運(yùn)用金屬網(wǎng)架增加推力軸承的剛度與精準(zhǔn)度。其中金屬網(wǎng)架主要是以直徑在0.2mm左右的金屬絲沿著經(jīng)緯線(xiàn)的方向呈現(xiàn)30°角度進(jìn)行疊放，其中應(yīng)保證金屬網(wǎng)具有至少20目孔數(shù)，并且將其層數(shù)確定為三層，之后搭配低碳類(lèi)鋼絲對(duì)其進(jìn)行固定，其中還應(yīng)采用雙層錫銅材質(zhì)的金屬絲，在逐步編制完成后，可保證推力軸承具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，而且還可增加推力軸承的實(shí)踐應(yīng)用范圍[3]。所以，在研究復(fù)合材料推力軸承的制造方法時(shí)，還可積極采用多樣手段強(qiáng)化其性能，確保推力軸承發(fā)揮出真正效用。作為動(dòng)力方向的重要結(jié)構(gòu)，在復(fù)合材料推力軸承實(shí)際制造階段，既要考慮進(jìn)油機(jī)制的科學(xué)性，又要意識(shí)到其精準(zhǔn)度的重大影響，以免在制造期間出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，破壞其實(shí)用性。據(jù)此，相關(guān)人員在復(fù)合材料推力軸承制造階段，需要保持端正嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度遵從制造流程逐步落實(shí)制造內(nèi)容，滿(mǎn)足新時(shí)代軸承使用需求。

3.2 瓦面結(jié)構(gòu)造型的設(shè)計(jì)制造要點(diǎn)

現(xiàn)階段，復(fù)合材料瓦面推力軸承可使用的瓦面結(jié)構(gòu)造型有很多種，如斜面瓦、階梯瓦、斜面平臺(tái)瓦、擺線(xiàn)型面瓦等。據(jù)相關(guān)研究表示，在相同的工況條件、材料質(zhì)量等背景下，擺線(xiàn)型面瓦為推力軸承提供出的承載性能越強(qiáng)，斜面平臺(tái)瓦與階梯瓦次之，斜面瓦的承載性能最弱。同時(shí)，在斜面平臺(tái)瓦與階梯瓦的平行對(duì)比中，兩者分別表現(xiàn)出了不同的壓力變化特性[4]。在應(yīng)用斜面平臺(tái)瓦的情況下，推力軸承的壓力變化相對(duì)平緩，即工況穩(wěn)定但極限承壓能力比較有限。而在應(yīng)用階梯瓦的情況下，瓦面推力軸承的油膜承載力、油膜極限壓力更高，甚至可超過(guò)擺線(xiàn)型面瓦，但其所受壓力會(huì)呈現(xiàn)階梯式分布，穩(wěn)定性有所欠缺。此外，擺線(xiàn)型面瓦的性能處于高位，但其設(shè)計(jì)難度、加工成本也會(huì)處于較高水平[5]。

所以，相關(guān)人員在進(jìn)行復(fù)合材料推力軸承的設(shè)計(jì)與制造時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持“夠用為度”的把控原則，從經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、極限性等多個(gè)角度入手，對(duì)推力軸承的是應(yīng)用需求進(jìn)行分析，并據(jù)此將合理的瓦面結(jié)構(gòu)造型選用到設(shè)計(jì)方案與加工制造中，以達(dá)到最佳的生產(chǎn)性?xún)r(jià)比。

而從我國(guó)目前科研項(xiàng)目的研發(fā)成果中可知：在2018年研發(fā)成功的“PPESK”樹(shù)脂基復(fù)合材料推力軸承所采用的制造技術(shù)更加先進(jìn)，且材質(zhì)更加優(yōu)良。同時(shí)，在此推力軸承研發(fā)階段所采用的制造技術(shù)能夠有效處理“無(wú)頂油惰轉(zhuǎn)”停機(jī)現(xiàn)象。為了保證此項(xiàng)技術(shù)的成熟度，還專(zhuān)門(mén)開(kāi)展了375h的試驗(yàn)活動(dòng)，并依據(jù)53次運(yùn)轉(zhuǎn)啟停操作評(píng)估結(jié)果，驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)的可行性。其中還在2184h內(nèi)對(duì)推力瓦材料實(shí)施了“高溫浸油”檢測(cè)，由此發(fā)現(xiàn)它的評(píng)估結(jié)果均符合推力軸承的制造要求，并在后續(xù)將其應(yīng)用于核電領(lǐng)域。由此證實(shí)，復(fù)合材料推力軸承的制造正處于不斷進(jìn)步的狀態(tài)，要求相關(guān)人員根據(jù)復(fù)合材料的實(shí)際優(yōu)勢(shì)開(kāi)拓新的制造渠道，促使在先進(jìn)的制造技術(shù)輔助下擴(kuò)大此種推力軸承的應(yīng)用范圍[6]。

4? 結(jié)論

隨著推力軸承在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷發(fā)展，人們對(duì)推力軸承材料質(zhì)量、承載能力、耐久性能等方面的要求也越來(lái)越高，為此相關(guān)行業(yè)加大了對(duì)復(fù)合材料瓦面推力軸承設(shè)計(jì)與制造的探究與討論?？傮w來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料推力軸承的設(shè)計(jì)思路與制造流程又涉及到多個(gè)環(huán)節(jié)，具有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性與復(fù)雜性。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員在開(kāi)展設(shè)計(jì)與制造實(shí)踐時(shí)，要著重做好瓦面進(jìn)油機(jī)制、瓦面結(jié)構(gòu)造型的把控，以確保推力軸承的承載性能、耐久質(zhì)量、成本投入、加工難度等處于理想水平，促進(jìn)推力軸承應(yīng)用價(jià)值的最大化發(fā)揮。

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