轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)輪輪機(jī)油潤滑軸承的研發(fā)

轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)輪輪機(jī)油潤滑軸承的研發(fā)

根據(jù)加拿大科學(xué)技術(shù)和能源發(fā)展促進(jìn)中心（ceati）對一些轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)槍的用戶進(jìn)行的調(diào)查，60%以上的旋轉(zhuǎn)機(jī)槍在轉(zhuǎn)向葉片的主軸上發(fā)生了密封。漏油泄入河流的高風(fēng)險(xiǎn)促使大多數(shù)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)制造商致力于研發(fā)在轉(zhuǎn)輪輪轂中不采用油的解決方案。最有前途的解決方案包括用水或空氣來代替油。環(huán)境友善型的DEVA-BM自潤滑軸承系統(tǒng)向水電廠業(yè)主提供了一種可靠的取代油潤滑系統(tǒng)的方案。充油轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪可含數(shù)千升的油,輪葉樞軸密封是油與河流之間唯一的屏障?？梢灶A(yù)見,在運(yùn)行一段時(shí)間之后,這些密封將會磨損或損壞,因此,存在著漏油泄入河流的風(fēng)險(xiǎn)。制造商和發(fā)電廠業(yè)主通過使用無油轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)和德瓦自潤滑軸承即可避免承擔(dān)由此而造成的環(huán)境方面的責(zé)任。聯(lián)邦莫古爾德瓦(MogulDeva)公司已經(jīng)成功地將DEVA-BM自潤滑軸承應(yīng)用于轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪達(dá)30余年。除了擁有長期的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)以外,該公司也在自己的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了試驗(yàn),以開發(fā)在技術(shù)上最可行的解決方案。1輪葉斯塔科的應(yīng)用DEVA-BM自潤滑材料由一個(gè)雙金屬結(jié)構(gòu)組成,它意味著一個(gè)不銹鋼支座和燒結(jié)的青銅滑動(dòng)層會含有小顆粒的固體潤滑劑,這些潤滑劑可以是石墨或聚四氟乙烯(PTFE),它們會均質(zhì)地分布在青銅結(jié)構(gòu)中,如圖1所示。自潤滑的基本原理是自潤滑材料與軸接觸時(shí),在運(yùn)動(dòng)和承受載荷的作用下,促使材料表面活動(dòng)。在此過程中,固體潤滑劑被轉(zhuǎn)移到軸的表面,在軸的周圍形成所謂轉(zhuǎn)移膜的固體潤滑劑膜。有幾個(gè)因素可以證明采用這些軸承作為轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪轂的軸承是最佳解決方案。(1)可以減少軸與軸承之間的摩擦,減小使槳葉運(yùn)動(dòng)所必須的力,因此,液壓缸需要的驅(qū)動(dòng)負(fù)載較少。(2)因?yàn)槟p率較低,軸承的使用壽命較長。(3)潤滑劑石墨與PTFE均不會受到軸承及其金屬相反物質(zhì),如碳?xì)浠衔?油和油脂)的催化特性的影響。(4)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪葉的運(yùn)動(dòng)頻率很低,大部分時(shí)間為靜止?fàn)顟B(tài)。(5)通常,輪葉非常重,其重量可達(dá)數(shù)噸,這決定于水輪機(jī)的尺寸,而且由于離心加速度,運(yùn)行時(shí)的徑向壓力很大。(6)由于其不銹鋼背襯,DEVA-BM材料有很高的楊氏彈性模量(剛度),因此,在輪葉樞軸軸承情況下,運(yùn)行期間的樞軸偏心最小。(7)在轉(zhuǎn)輪充油情況下,由于上述條件,可能得出以下結(jié)論:在輪葉運(yùn)動(dòng)時(shí),不能保證軸與軸承之間穩(wěn)定的油膜,因?yàn)樵谳喨~樞軸/軸承組件上施加的載荷很高,發(fā)生了邊界摩擦,從而會導(dǎo)致卡住和過度磨損。最后,觀測到摩擦增加。因?yàn)樵谄饎?dòng)時(shí),油不能形成足夠的潤滑,嵌入DEVA-BM材料結(jié)構(gòu)中的固體潤滑劑(石墨或PTFE)能夠保證足夠的潤滑,尤其是在高載荷運(yùn)行的條件下。(1)在無油轉(zhuǎn)輪情況下(充水和干轉(zhuǎn)輪)采用自潤滑材料很重要,因?yàn)檩S承/軸組件需要的潤滑只能通過使用自潤滑材料才能獲得。(2)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行更加可靠,因?yàn)樗粫l(fā)生不期望發(fā)生的故障。一位水輪機(jī)制造商認(rèn)為,通常建議樞軸軸承不采用其他非金屬自潤滑軟材料類型,因?yàn)樗鼈兊淖冃螘?dǎo)致產(chǎn)生較低的楊氏模量,這樣會引起輪葉樞軸偏心過大,從而導(dǎo)致滲漏。2聯(lián)邦莫古爾德瓦試驗(yàn)聯(lián)邦莫古爾德瓦研究開發(fā)部正在不斷地研究開發(fā)新材料,并在新的開發(fā)應(yīng)用中支持公司的應(yīng)用工程師。配備了幾臺用于研發(fā)的試驗(yàn)臺,以便對不同的材料進(jìn)行試驗(yàn)并對各種條件進(jìn)行模擬。這些試驗(yàn)臺能實(shí)施在線控制及監(jiān)測速度、載荷、運(yùn)動(dòng)、摩擦、磨損和溫度。本文介紹了在聯(lián)邦莫古爾德瓦試驗(yàn)臺上按試驗(yàn)程序進(jìn)行的某些試驗(yàn)結(jié)果,以評估轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪轂在運(yùn)行條件下其DEVA-BM342(含石墨潤滑劑)和DEVA-BM362/9P(含PTFE潤滑劑)軸承的摩擦特性。該試驗(yàn)程序的目標(biāo)是通過模擬典型的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)輪轂的運(yùn)行、調(diào)查摩擦與磨損的機(jī)制以及對DEVA-BM材料的可用合金進(jìn)行比較,找到輪轂在3種運(yùn)行條件下每一種運(yùn)行條件的最佳解決方案。這些摩擦與磨損機(jī)制決定于:(1)在自潤滑軸承材料中采用的潤滑劑類型;(2)在轉(zhuǎn)輪中充入液體的類型:油、水、水+防腐劑和空氣;(3)設(shè)計(jì)參數(shù),如載荷、輪葉軸材料、輪葉軸材料粗糙度、裝配容差等。2.1輪葉運(yùn)動(dòng)學(xué)模型轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)運(yùn)行條件的變化取決于水電站的要求和設(shè)計(jì)。為了進(jìn)行現(xiàn)場和有代表性的調(diào)查,必須草擬一份試驗(yàn)協(xié)議,以考慮能復(fù)制典型轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪葉運(yùn)行條件的運(yùn)動(dòng)模式。該協(xié)議與福伊特水電公司共同研究完成。所采用的輪葉樞軸運(yùn)動(dòng)模式包括3°、5°和45°三個(gè)角運(yùn)動(dòng)的序列。運(yùn)動(dòng)序列的循環(huán)如下:(1)±45°運(yùn)動(dòng)100個(gè)周期;(2)停止10min;(3)±5°運(yùn)動(dòng)1000個(gè)周期;(4)停止10min;(5)±3°運(yùn)動(dòng)2500個(gè)周期。重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)序列,直到循環(huán)數(shù)達(dá)到約60000個(gè)周期。2.2中央載荷單元試驗(yàn)是在聯(lián)邦莫古爾德瓦VRP2試驗(yàn)臺上進(jìn)行的。試驗(yàn)臺的橫斷面(圖2)表示軸(直徑70mm)安裝在滾柱軸承上,這樣會使摩擦力矩的誤差最小。液壓載荷單元在外殼/軸承上施加載荷,最大容量為10000kN。從試驗(yàn)開始前的準(zhǔn)備程序起,外殼即充滿所要求的液體(水或油)。2.3表面粗糙度表1為轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)試驗(yàn)協(xié)議中規(guī)定采用的參數(shù)。按照DIN1.4057標(biāo)準(zhǔn),軸由不銹鋼制成,表面拋光精度為0.4μm<Ra<0.6μm,硬度為240～260HB。軸直徑容差為h7,過切容差為D8。在開始每項(xiàng)試驗(yàn)之前,將軸研磨,并用丙酮對其進(jìn)行清潔,在滑動(dòng)方向和與滑動(dòng)方向垂直的方向上測量表面粗糙度。在試驗(yàn)期間,以一定的時(shí)間間隔來監(jiān)測摩擦,因此,記錄了作為滑動(dòng)周期數(shù)的函數(shù)的摩擦曲線。在試驗(yàn)期間,溫度應(yīng)保持在15℃～35℃之間。試驗(yàn)開始之前,在試驗(yàn)軸承上施加載荷,并使其在整個(gè)試驗(yàn)期間保持不變。3deva-bm542水和添加劑混合物的相互作用設(shè)計(jì)工程師公認(rèn),充水轉(zhuǎn)輪必須采用自潤滑軸承,因?yàn)檫@是確保軸承/軸系統(tǒng)有效潤滑的唯一途徑。DEVA-BM軸承已應(yīng)用于許多新水電廠和改造工程的充水轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪轂中。充水轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)人員面對的難題之一是如何處理內(nèi)部元件的防腐問題。因此,通常會在水中添加適當(dāng)?shù)姆栏瘎?。必須仔?xì)地選擇防腐劑,且應(yīng)考慮其與自潤滑軸承的相互作用。所用防腐劑的類型由水輪機(jī)設(shè)計(jì)人員決定,最好是與防腐劑和軸承制造商一起研究決定。聯(lián)邦莫古爾德瓦公司已經(jīng)為不同的客戶進(jìn)行了水和添加劑混合物的幾項(xiàng)調(diào)查,包括一些與水電無關(guān)的應(yīng)用,如船用可調(diào)槳角的螺旋槳。作為一個(gè)領(lǐng)先的水輪機(jī)制造商最新應(yīng)用開發(fā)的一部分,DEVA-BM342軸承用水和防腐劑進(jìn)行了試驗(yàn)。為了進(jìn)行比較,了解防腐劑在軸承系統(tǒng)中的影響,試驗(yàn)序列中必須包括采用純水的試驗(yàn)。3.1磨損的差別和油膜軸承的摩擦系數(shù)對在水和水+防腐劑兩種試驗(yàn)中觀測到的總軸承磨損情況進(jìn)行了分析比較,結(jié)果表明,磨損的差別非常小,完全可以忽略。在兩個(gè)試驗(yàn)中,軸承的摩擦系數(shù)也相似。因此,試驗(yàn)結(jié)果證明,當(dāng)采用DEVA-BM軸承時(shí),轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪轂采用的水+防腐劑的方法在技術(shù)上是可行的。3.1.1尺寸、材料及粗糙度規(guī)定的軸承載荷為40MPa,滑動(dòng)速度為10mm/s。軸承尺寸為Φ70×Φ76×40mm,徑向間隙為0.1～0.15mm。軸的材料為1.4057,表面粗糙度范圍為0.4μm<Ra<0.6μm。運(yùn)動(dòng)角為±45°、±5°、±3°。3.1.2總磨損圖3中的(a)表示浸沒在純水中的軸承的總磨損;(b)表示浸沒在水+防腐劑中的軸承的總磨損。3.2比較摩擦值圖4表示浸沒在純水中與浸沒在水+防腐劑中的軸承摩擦值的試驗(yàn)結(jié)果。4自潤滑劑的使用在3種可能的輪轂設(shè)計(jì)中,干旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪DEVA-BM自潤滑軸承的摩擦性能最好。這是因?yàn)橛秃退ǔ蓴_軸承固體潤滑劑對摩擦系統(tǒng)的電鍍反應(yīng)過程。對于軸承應(yīng)用工程師來講,這也是比較簡單的,因?yàn)樽詽櫥牧显染褪窃O(shè)計(jì)在干條件下工作。10多年來,布蘭斯科(CKDBlansko)公司一直在將DEVA-BM軸承成功地應(yīng)用于它們的干旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪上。5靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)雖然有些設(shè)計(jì)人員并不考慮自潤滑軸承在充油轉(zhuǎn)輪中的必要性,但是聯(lián)邦莫古爾德瓦公司現(xiàn)代化/改造轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的經(jīng)驗(yàn)表明,在輪轂中采用的油不能提供有效的潤滑,因?yàn)闀l(fā)生混合摩擦情況,甚至?xí)l(fā)生邊界摩擦。在聯(lián)邦莫古爾德瓦公司參與改造工程的某些情況下,當(dāng)拆卸轉(zhuǎn)輪時(shí),會發(fā)現(xiàn)老的青銅軸承已經(jīng)過度磨損。在少數(shù)幾種情況下,甚至還會發(fā)現(xiàn)由于軸與軸承之間的嚴(yán)重摩擦,已導(dǎo)致軸承青銅被擠入外殼中。在滑動(dòng)軸承情況下,一個(gè)眾所周知的問題是所謂的“粘滑效應(yīng)”,這可由產(chǎn)生的“尖叫”或“散射”噪聲確定。通常,這種情況會發(fā)生于靜態(tài)摩擦系數(shù)大大高于動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的條件下,是采用油或脂潤滑系統(tǒng)的典型情況。DEVA-BM材料具有相同的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)值。當(dāng)采用自潤滑材料時(shí),在軸表面上將形成一層穩(wěn)定的固體潤滑劑膜。這會使靜態(tài)摩擦系數(shù)降低到一個(gè)較低的水平,即使有水或油也不會發(fā)生粘滑。安裝在巴西圣保羅能源公司(CESP)茹皮亞(Jupia)電廠的6臺水輪機(jī)的改造工程,是充油轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中DEVA-BM軸承的成功應(yīng)用實(shí)例之一。6環(huán)境友好的解決方案