作者：劉長(zhǎng)波
（大連三環(huán)復(fù)合材料技術(shù)開發(fā)有限公司）

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題變得愈發(fā)突出。開發(fā)可再生、對(duì)環(huán)境影響較小的水力資源成為行業(yè)發(fā)展的主要方向之一。以此為契機(jī)，國(guó)內(nèi)在葛洲壩、二灘、三峽、構(gòu)皮灘等水電站相繼建成發(fā)電的基礎(chǔ)上，溪洛渡、白鶴灘、烏東德、向家壩、龍灘等電站的已經(jīng)開始籌劃和建設(shè)。上述電站的水電機(jī)組均為立式結(jié)構(gòu)，機(jī)組的主軸承——推力軸承作為其主要部件，性能和可靠性將嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行；機(jī)組的導(dǎo)軸承（尤其是水導(dǎo)軸承）也同樣受到設(shè)計(jì)和使用單位的重視。現(xiàn)階段的水電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)發(fā)展到700MW以上，隨著機(jī)組的容量增大，機(jī)組推力負(fù)荷逐步增加，也對(duì)機(jī)組所用軸瓦的可靠性提出了更高的要求。同時(shí)，導(dǎo)軸瓦也在向使用塑料復(fù)合材料和水潤(rùn)滑的方向發(fā)展；導(dǎo)葉軸套則由原來的銅合金、尼龍等材料發(fā)展為新型雙金屬自潤(rùn)滑軸承。
　　推力軸承：
　　推力軸承是水電機(jī)組的重要零部件，其安全性直接影響機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)，軸承的選型更會(huì)影響到機(jī)組的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行成本。早期的推力軸承多采用靜壓結(jié)構(gòu)的巴氏合金軸瓦，運(yùn)行時(shí)需要高可靠的高壓油站。
　　隨著彈性金屬塑料瓦的采用，機(jī)組運(yùn)行的安全性得到很大提高，同時(shí)縮短了檢修周期，并免除了刮瓦過程。特別是隨著第三代塑料瓦表面摩擦材料的推出，在保證環(huán)保要求和不降低摩擦性能條件下，提高了軸承耐磨損性能。
　　1.材料及產(chǎn)品介紹
　　新材料采用增強(qiáng)改性聚四氟乙烯材料，形成具有骨架、高耐磨質(zhì)點(diǎn)和聚四氟乙烯潤(rùn)滑基體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，制成了低摩擦的環(huán)保型高性能化復(fù)合材料。推力瓦及剖面結(jié)構(gòu)見圖1，表層耐磨材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1.  彈性金屬塑料瓦及其剖面結(jié)構(gòu)

圖2.瓦面摩擦表面結(jié)構(gòu)和材料斷口組織

　　采用添充功能材料對(duì)聚四氟乙烯增強(qiáng)改性之后，在顯微鏡下觀察，材料表面組織中均勻分布了密集亮點(diǎn)，主要是以高耐磨工程塑料為基體的耐磨質(zhì)點(diǎn)；從材料斷口形貌，可看出高強(qiáng)纖維均勻分布于樹脂之間，形成增強(qiáng)網(wǎng)格骨架，提高了材料的抗壓和抗剪強(qiáng)度，從而大幅度提高了摩擦材料的耐磨損性能，同時(shí)也提高了摩擦材料與金屬絲墊之間的結(jié)合牢度。
　　2.技術(shù)性能指標(biāo)和特點(diǎn)
　　高強(qiáng)纖維、聚四氟乙烯和高耐磨特種工程塑料共混塑化之后的材料，結(jié)構(gòu)中存在有微孔隙。在工作條件下，軸瓦長(zhǎng)期受到潤(rùn)滑油的浸潤(rùn)，摩擦面（瓦面的近表層）將吸附較多的潤(rùn)滑油。在速度低于潤(rùn)滑邊界條件時(shí)，吸附的油將顯現(xiàn)出優(yōu)越于以往任何一種瓦面材料的邊界摩擦性能。FZB3G高性能環(huán)保型彈性金屬塑料瓦主要技術(shù)指標(biāo)見表1，與巴氏合金瓦特性對(duì)比見表2。

表1.  彈性金屬塑料瓦主要技術(shù)性能指標(biāo)

 

表2. 新型高性能環(huán)保型彈性金屬塑料瓦與巴氏合金瓦特性對(duì)比

　　1） FZB3G為180MPa·m/s，錫銻基巴氏合金在完全油膜承載狀態(tài)為100MPa·m/s。
　　2）按“優(yōu)、良、中、差”分級(jí)描述分級(jí)的項(xiàng)目，“差”為不具有該項(xiàng)特性。
　　在新型產(chǎn)品的制造過程中，新工藝被普遍采用。例如：采用數(shù)控水力切割機(jī)床，在大面積原料之上進(jìn)行瓦面下料，保證瓦面尺寸形狀和密度均勻；真空浸錫釬焊工藝的采用，提高了產(chǎn)品的釬焊質(zhì)量和性能指標(biāo)；數(shù)控機(jī)加工設(shè)備用于瓦塊加工，保證尺寸精度，形位公差。
　　該產(chǎn)品于2009年4月通過中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)主持的鑒定，結(jié)論為：
 　　“其各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品”，“產(chǎn)品技術(shù)水平處于領(lǐng)先”“產(chǎn)品生產(chǎn)工藝成熟，已形成穩(wěn)定的中試生產(chǎn)規(guī)模”。
　　3.產(chǎn)品應(yīng)用
　　新型（FZB3G）彈性金屬塑料瓦被國(guó)內(nèi)外多家主機(jī)制造公司選用，應(yīng)用于葛洲壩、思林、龔嘴、構(gòu)皮灘、砂坨、SONLA等大型水電機(jī)組的裝機(jī)和改造。2007年8月，三環(huán)向（日本）東芝水電公司提供了一批實(shí)驗(yàn)軸瓦。經(jīng)過對(duì)軸瓦成分、摩擦磨損性能、壓縮性能的測(cè)試，其中的推力瓦通過300噸實(shí)驗(yàn)臺(tái)的模擬試驗(yàn)：瓦面Z大壓強(qiáng)6.5MPa，Z高（圓）周（線）速（度）為27.4m/s，此時(shí)軸承的PV值達(dá)到178.1MPa·m/s。試驗(yàn)證明FZB3G產(chǎn)品具備優(yōu)異的使用性能。圖3為試驗(yàn)推力瓦布置和試驗(yàn)臺(tái)。

圖3.  FZB3G彈性金屬塑料瓦在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的安裝布置和300噸實(shí)驗(yàn)臺(tái)

　　近期，做為哈電公司的技術(shù)協(xié)作單位，實(shí)施了針對(duì)白鶴灘、烏東德1000MW級(jí)水電機(jī)組推力軸承實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，制造出單瓦面積達(dá)到4200cm²的FZB3G型彈性金屬塑料推力瓦。該軸瓦在哈電于2010年底進(jìn)行3000噸實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)論為：FZB3G型彈性金屬塑料瓦“將為百萬千瓦機(jī)組提供不但可用，而且是安全可靠的推力軸承技術(shù)，并填補(bǔ)百萬機(jī)組大部件研究的空白。”
　　導(dǎo)軸承：
　　水電機(jī)組導(dǎo)軸承是對(duì)主軸定位、導(dǎo)向的徑向軸承，一般分為剖分（筒）式和分塊式結(jié)構(gòu)。
　　1.材料及產(chǎn)品介紹
采用新型的復(fù)合材料，能夠在保證、提高機(jī)組性能的同時(shí)，縮短維修、安裝周期，并免除刮瓦過程。新一代塑料瓦還具有優(yōu)越的水潤(rùn)滑性能，用水作為潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)，有良好的低摩擦性能和極佳的耐磨損性能（水潤(rùn)滑時(shí)磨損系數(shù)8.98×10^-9cm³/N·m）。在油或油水混合潤(rùn)滑工況下，軸瓦仍可安全運(yùn)行。剖分和分塊式到軸承及剖面結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4.水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承及其剖面結(jié)構(gòu)

　　2.技術(shù)性能指標(biāo)和特點(diǎn)
　　表3列出FZB3GS軸承材料水潤(rùn)滑技術(shù)性能（油潤(rùn)滑性能指標(biāo)參見表2）。

表3.  FZB3GS軸承材料主要技術(shù)性能

　　注：1）※水潤(rùn)滑摩擦系數(shù)測(cè)試采用MZS-200試驗(yàn)機(jī)；試樣：φ160（內(nèi)徑）×110（寬度）；試驗(yàn)條件：載荷2.6MPa，速度5.5m/s。表中其它摩擦、磨損性能，采用M2000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3960《塑料滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法》測(cè)試，試樣尺寸：30×7×3（mm）。
　　2）抗壓強(qiáng)度、彈性模量測(cè)試試樣厚度：30mm（其中：復(fù)合材料層厚度6mm，鋼瓦基厚度為24mm）。
　　與以往的水潤(rùn)滑軸承相比較，新型FZB3GS材料具有下列特點(diǎn)：
　　（1） 有良好的親水性，抗泥沙，耐磨損；
　　（2） 低摩擦，功耗小；
　　（3） 具有自潤(rùn)滑特性，在啟停機(jī)的潤(rùn)滑邊界條件，即不能建立流體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜或供水系統(tǒng)短時(shí)故障情況下，仍可正常工作；
　　（4） 承載能力大，并有一定的減震性能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；
　　（5） 獨(dú)特的自調(diào)性，對(duì)安裝及變形等因素引起的軸瓦與軸頸不同軸或接觸不均勻，可自行調(diào)整，改善受力狀況；
　　（6） 吸水率小，尺寸穩(wěn)定，間隙便于調(diào)整，安裝檢修不需刮研瓦面；
　　（7） 可替代巴氏合金軸瓦，免去供油系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用廉價(jià)的水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，降低運(yùn)行成本；
　　（8） 產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保。
 　　產(chǎn)品于2008年12月通過大連市科技局鑒定，結(jié)論：“產(chǎn)品具有極高的耐磨損性能和優(yōu)異的摩擦性能，其各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)、外同類產(chǎn)品，處于領(lǐng)先水平”，“生產(chǎn)工藝成熟、穩(wěn)定，技術(shù)文件完備，形成了規(guī)模生產(chǎn)”。
　　3.產(chǎn)品應(yīng)用
　　水潤(rùn)滑復(fù)合材料導(dǎo)軸瓦已在遼寧丹東豐發(fā)電站、貴州明發(fā)電站、貴州盛舍電站和河南西峽水電設(shè)備廠（為電站制造）水電機(jī)組水導(dǎo)軸承上得到了應(yīng)用，取得良好效果；2008年5月在遼寧桓仁彎彎川電站水電機(jī)組推力軸承試驗(yàn)成功，開創(chuàng)了推力軸承和導(dǎo)軸承全部水潤(rùn)滑的先例。另外，產(chǎn)品還應(yīng)用于焦煤集團(tuán)井下抗災(zāi)搶險(xiǎn)泵、北京航空航天大學(xué)（亞洲Z大）多功能水洞試驗(yàn)設(shè)備和蘇州南莊橋大型水利工程的水泵等處，均取得良好的運(yùn)行效果。
　　導(dǎo)水機(jī)構(gòu)軸承：
　　水電機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)軸承，以前多采用尼龍等材料，因遇水變形較大、耐磨性差和承載能力低，導(dǎo)致壽命和可靠性降低。目前，國(guó)內(nèi)大型機(jī)組多采用進(jìn)口DEVA-BM產(chǎn)品。
　　1.材料及產(chǎn)品介紹
　　新型FZB06系列雙金屬自潤(rùn)滑軸承的主要特點(diǎn)是承載能力高、耐磨性能好、摩擦系數(shù)低、使用溫度范圍寬、尺寸穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等。產(chǎn)品適用于重載、低速、高溫、含有泥沙、腐蝕等環(huán)境，應(yīng)用于水輪機(jī)導(dǎo)葉軸承、水工金屬結(jié)構(gòu)、冶金設(shè)備等機(jī)械行業(yè)，替代進(jìn)口產(chǎn)品。
　　雙金屬自潤(rùn)滑軸承材料是以低碳冷軋鋼板、不銹鋼板或銅板為基體，以燒結(jié)青銅粉為摩擦表面層，且青銅粉層均勻分布固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑雙金屬滑動(dòng)軸承材料。圖5為材料的結(jié)構(gòu)。

圖5.  FZB06材料結(jié)構(gòu)放大

　　2.技術(shù)性能指標(biāo)和特點(diǎn)
　　對(duì)材料性能的測(cè)試，靜承載能力的測(cè)試是在WE3000液壓萬能拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T16748-1997《滑動(dòng)軸承金屬軸承材料的壓縮試驗(yàn)》，試樣尺寸為10×10×2.5mm；動(dòng)承載能力是在擺動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，試樣尺寸為φ55×φ50×30mm，摩擦副材料為45#鋼，表面鍍硬鉻，粗糙度為Ra3.2μm，運(yùn)動(dòng)性質(zhì)為擺動(dòng)，擺角60°，頻次為15次/分鐘；摩擦系數(shù)通過CSS-2210電子萬能試驗(yàn)機(jī)、FRLR200KN負(fù)荷傳感器上進(jìn)行的，試樣尺寸為50×30×10mm。材料性能對(duì)比國(guó)外產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果見表4。

表4.  FZB06系列材料性能參數(shù)

　　注：1）國(guó)外產(chǎn)品的性能指標(biāo)來源于其公司的產(chǎn)品說明書；
　　2）三環(huán)FZB06產(chǎn)品的性能指標(biāo)來源于大連理工大學(xué)振動(dòng)與強(qiáng)度測(cè)試中心的測(cè)試報(bào)告。
　　FZB06材料軸承具有承載能力高、自潤(rùn)滑、減摩、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，適用于下列工況條件下應(yīng)用：
　　（1） 低速度、重載荷，潤(rùn)滑油膜無法形成或維持的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下；
　　（2） 由于工作環(huán)境或機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，難以實(shí)現(xiàn)供油潤(rùn)滑；
　　（3） 高溫、低溫或環(huán)境溫度變化范圍大；
　　（4） 在海水和其他化學(xué)液體或氣體等腐蝕性介質(zhì)中工作；
　　（5） 含有泥砂的水中工作；
　　（6） 需要頻繁起動(dòng)或高負(fù)荷下起動(dòng)部位。
　　3.產(chǎn)品應(yīng)用
　　該軸承相當(dāng)于國(guó)外的DEVA-BM，其主要特點(diǎn)是承載能力高、耐磨性能好、摩擦系數(shù)低、使用溫度范圍寬、尺寸穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等，自1999年研制開發(fā)成功以來，已應(yīng)用于萬家寨、太平驛、棉花灘等國(guó)內(nèi)水力發(fā)電廠。
　　另外，部分機(jī)組的導(dǎo)葉等部位還使用鑲嵌固體潤(rùn)滑劑的銅合金軸承，軸承以高強(qiáng)度的銅合金基體實(shí)現(xiàn)承載，以鑲嵌的固體潤(rùn)滑劑實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦面的潤(rùn)滑。軸承可以在較低的摩擦阻力下穩(wěn)定的工作。
　　總結(jié)：
　　通過新型材料的應(yīng)用，使水輪發(fā)電機(jī)組的性能、可靠性和壽命得到提高，部分機(jī)組可通過改造達(dá)到滿發(fā)和增容的目的。新型軸承節(jié)約了有色金屬資源，其中水潤(rùn)滑軸承更是以水為潤(rùn)滑介質(zhì)，對(duì)節(jié)約和環(huán)保起到了巨大的推動(dòng)作用。通過新型軸承在水電機(jī)組的推廣使用，將提高機(jī)組可靠性，減少或消除由軸承引起的非計(jì)劃停機(jī)，縮短維修時(shí)間，降低維修成本。新型自潤(rùn)滑軸承是一種節(jié)能、環(huán)保、減排、增效的產(chǎn)品，將越來越受到水力發(fā)電廠和制造廠的重視。