水电机组用塑料瓦推力轴承的开发与应用

　　推力轴承是水电机组Z为关键的部件之一，它承载着高达数千吨的转动部分，目前无论是新产品还是老产品改造，都将广泛采用塑料瓦取代钨金瓦。本文主要论述这种塑料瓦的优越性、原料筛选、特殊结构、润滑机理和三峡应用等问题。
　　塑料瓦的优越性
　　与传统的乌金瓦相比，塑料瓦的优越性有：①摩擦系数很小，静摩擦系数只有0.02，为钨金瓦的1/3～1/5；②磨耗量很小，只是钨金瓦的1/50；③磨损消耗的功率较小，只是钨金瓦的70%～80%；④耐压耐温能力较强，几乎不存在烧瓦问题，甚至可在冷却器断水下运行；⑤机组起动时不需要高油压顶起装置；⑥不需要轴绝缘，因为塑料瓦本身有电气绝缘性能；⑦轴瓦不需强制供油冷却，节省冷却器；⑧可以减小尺寸、实现小型化，提高运行寿命，降低总成本。
　　原料的筛选组合
　　构成塑料瓦的原材料通常为母材、强化剂和弹性金属材料。在开发过程中，曾对聚四氟乙烯、聚醚酮、聚酰亚胺等母材和玻璃纤维、碳素、石墨、MoS₂等强化剂组合的复合材料进行优化组合和性能对比的试验研究，为改善压缩弹性、蠕变性和耐磨性，充填玻璃纤维，却增大了摩擦系数；为了抵消这种增大，添加了MoS₂固体润滑材料，并在专用试验设备上，当负荷压力为4～8Mpa时，分别在油中和空气中测定了动、静摩擦系数和磨耗量。结果表明，上述3种母材在润滑油中的动摩擦系数为0.04～0.06，远低于钨金瓦的0.4。随着负荷压力增大，摩擦系数的增加不明显，磨耗量却减小到0.1×10^-9m/s，相当于钨金瓦的大约1/50。当起动、停机和负荷急增时，稳定的油膜尚未开成，这相当于在无润滑油的空气中滑动，此时3种母材的静摩擦系数差别较大，聚四氟乙烯只相当于聚醚酮的1/2。在润滑油中，聚四氟乙烯加20%填充剂（玻璃纤维和MoS₂）的复合材料没有脱落和磨损现象；而聚醚酮加上20%（碳素纤维和石墨）填充剂时，由于后者的分布稀疏，填充材料的脱落多见，与瓦面相对的镜板表面划伤也较多，主要原因是母材（聚醚酮）较硬，与填充剂之间的界面产生过大的剪切应力。滑动表面的划伤，是由较硬母材磨耗粉引起，与填充剂的脱落无关。当含有玻璃纤维（15%～25%）或者再加以5%石墨时，相对磨损率Z低（0.131～0.045），但是玻璃纤维易使镜板产生划痕条纹，所以决定选用含碳（33%）和石墨（2%）作为补强填充剂。其相对磨损率为0.133。
　　中间层结构优化
　　中间层是指弹性金属塑料瓦中的金属部分，通常为球状、线状、板状、螺旋弹簧状等多种多样。在轴瓦瓦衬母体上形成具有数毫米厚的滑动瓦面，并缓和由于热胀系数差别较大而在金属和塑料之间的接合面上引起的热应力，同时达到良好的接合效果，应当优化中间层的结构。这种接合面结构应能承受沿旋转方向轴瓦上产生的剪切应力，与滑动表面垂直方向产生的压缩应力，以及由温度变化引起的疲劳作用。当选用带有多个通孔的平板状中间接合层结构时，其孔径及其间距应当相同，而且孔径、孔距及其分布必须经过试验、对比和优化。由于这种结构开头具有较大的空间率，要比常用的球状和线状中间接合层具有更大的接合面积，这是它的Z大优点。它的接合强度为聚四氟乙烯本身的2倍。它的空间率约为42%，是球状和线状中间层的2倍。
　　成型工艺
　　中间接合层需要浸渍以树脂后加压成型。可采用压力机法或静水加压法。前者要求能够充分除气的金属模具，所加压力以及加压、除速度等条件要求严格。而后者则用橡胶将轴瓦母体与树脂粉末封闭再施加静水压力，不需要金属模具，也不受压力机容量限制，可用于大型轴承的轴瓦。加压成型后的中间层本体内完全没有残留气孔，并形成三维网格结构。
　　聚四氟乙烯的抗张强度为18.5Mpa，它与瓦体的接合强度为11.3Mpa（即剪断强度）。当接合面在常温下随6Mpa的剪切应力时，径历7×10⁷次循环的反复疲劳作用而没有破断，确认其具有足够接合强度。
　　独特的润滑机理
　　与按照经典热弹流理论计算的结果相比，塑料瓦推力轴承的损耗较小、油膜温升较低、油膜厚度较大，这些新现象表明，它的润滑机理很独特。由于油膜的速度边界条件及瓦面的变形特性有显著的不同，经典的雷诺方程及其建立的基础“无滑移速度条件边界”已不再适用于塑料瓦推力轴承，而且塑料复合层瓦面的非浅性粘弹性变形特性对塑料瓦轴承的润滑性能也有显著影响。因此，需要建立新的计算模型和方法，试验研究瓦面的滑移规律，解决塑料复合层的粘弹性变形问题，试验验证新的润滑理论。由国家自然科学基金要员会和机械部基金要员会联合资助的有关三峡机组的5个重大科研项目中就有一个是推力轴承，曾经动员全国的科研院所、高等学府和制造部门共同攻关。这项课题的圆满完成也为摩擦学的分支——流体润滑理论的发展做出重大贡献，而且还有重大的工业应用价值。
　　纠纷受考验
　　塑料瓦推力轴承Z近经受到了严重考验。小浪底电站装机6台、单机容量300MW的水电机组，中外合作生产，6台水轮机由德国伏依特公司生产，6台发电机分别由哈电机厂和东方电机厂各生产3台。2001年1月并网发电，转轮的13个叶片出水边造近上冠处均出现规律性极强的穿透性裂纹。德方专家检测分析的结论是：中方负责的水轮发电机推力轴承塑料瓦的静摩擦系数过大导致主轴轴系抖动引起。中方专家则认为：国内提供的塑料瓦已多达200台套以上，从未发生过这种现象，而且静摩擦系数始终都很小。经过电站实测，证明瓦面完好无损，反复实测结果都证明起动时静摩擦系数约为0.02，而不是德方专家错误测试分析的0.2～0.4。Z后取得一致的结论是：叶片焊接残余应力过高（400Mpa以上）和起动过程中动应力较大（290Mpa）以及两者的共同迭加作用才是造成转轮叶片裂纹的主要原因。经过采取相应对策，机组重新投运正常。小浪底的事例表明，世界闻名的水轮机厂家伏依特公司也有失误，但我国的塑料瓦都经受住了严峻的考验。
　　三峡将用塑料瓦
　　近几年，日本和英国在新产品设计和老产品技术改造中采用塑料瓦取代钨金瓦的机组已经多达数十台，德国、加拿大、法国、瑞士等国也都在积极开发和应用。国内外的运行实践证明，钨金瓦被塑料瓦取代后，机组的安全运行可靠性有很大提高，塑料瓦是优越的瓦面材料。
　　既然用塑料瓦取代钨金瓦是大势所趋，那为什么三峡没有采用？就是因为中标的国外厂商没有经验、更没有把握。三峡机组的Z大要求是运行安全可靠、无法容忍任何故障导致停机。三峡左岸14台机组中标的法国阿尔斯通和德国西门子2家公司，都没有塑料瓦的生产和运行经验。如果国内厂家有投标资格而且中标就会采用。早在1997年2月，哈电公司就在3000t推力轴承试验台上针对三峡机组进行了6000t级塑料瓦推力轴承试验，而且采用了瑞士ABB公司的先进测试技术，在双方合作情况下成功地完成了任务。由于采用现代化测试仪器和先进的测试技术，解决了油膜厚度及全部轴承瓦油膜特性方面的技术问题，完全可以满足三峡机组推力轴承运行工况的要求。
　　除了三峡左岸14台700MW机组外，还有右岸12台700MW、乌江构皮滩5台600MW、大渡河瀑布沟6台550MW、澜沧江小湾6台700MW、黄河上游拉西瓦6台700MW等大型水电机组有待招标，都有可能广泛采用塑料瓦来取代钨金瓦。
　　结论
　　1、水电机组推力轴承弹性金属塑料瓦的开发与应用，我国位居世界第二，仅次于俄罗斯。
　　2、国内外的运行实践证明，塑料瓦是解决推力轴承常常发生烧瓦事故的Z优越的瓦面材料。
　　3、塑料瓦应用不但范围扩大、数量增多，而且形成完全取代钨金瓦的发展趋势。不限于推力轴承，而且推广到导轴承、抽水蓄能机组的可逆转轴承、卧式机组轴承上。
　　4、用塑料瓦取代钨金瓦的发展将超出发电设备领域，而扩大到其他工业领域的旋转机械上。物美价廉的塑料取代昂贵的稀有金属钨金，还将取得巨大经济效益。
　　5、今后的水电机组、特别是500MW～700MW的巨型机组是我国电力工业开发的重要部分，它们都将采用塑料瓦，前景看好。