石墨水润滑动压推力轴承的起飞转速及磨损的量化研究

王 瑞 贾 谦,2 袁小阳

1.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，西安，7100492.西安交通大学城市学院机械工程学院，西安，710018

0 引言

石墨轴承是在金属轴承的基础上开发并发展起来的炭质轴承，炭质轴承有着不同于金属轴承的特性，如自润滑、耐高温、耐腐蚀、质量小等[1-2]。某核主泵中使用石墨可倾瓦推力轴承承载轴向载荷，但其轴系在高温高压、强腐蚀强辐射的液体等极其恶劣的工况下工作，该推力轴承的磨损将直接影响主泵的寿命[3-5]。由此，本文研究的石墨水润滑推力轴承对主泵的工作性能起决定性作用。

轴承的性能一般通过额定工况下的润滑性能来衡量，但本文研究的核主泵可倾瓦推力轴承在服役期间需要经历多次启停，由于主泵系统的特殊性不能采用高压顶起系统，因此对启停阶段低黏介质润滑轴承的润滑性能和摩擦学性能要求较高[6-7]。对于推力轴承，当转速达到某临界值时，摩擦副完全脱开形成完整的液膜，该界限转速称为“起飞转速”，对应的膜厚称为“起飞膜厚”[8]。在转速未到达起飞转速时液膜并未完全形成，轴承处于边界摩擦和混合摩擦状态，在这种状态下轴承的摩擦副将会剧烈磨损，这对轴承及整机的可靠性和寿命有极其严重的影响[9]。当最小油膜厚度小于连续流体动压润滑相关尺寸要求时，推力轴承会发生磨损，惰转曲线将大幅度下移，长时间低速惰转运行，可能导致推力轴承烧瓦，核主泵无法再次启动[10]。因此，水润滑轴承起飞转速及磨损的量化研究对提高起飞性能、减小轴承的磨损有着重要意义[11]。

本文以核主泵半尺寸立式轴承为研究对象，建立石墨水润滑可倾瓦推力轴承的模型，采用摩擦副粗糙度作为衡量指标，理论计算起飞转速，进行起飞台架试验；进行小试样试验与启停台架试验，通过质量磨损率Km来量化磨损结果，二者试验结果相互对比讨论。

1 石墨水润滑推力轴承起飞转速的量化

某核主泵轴系为立式转子结构，含两个径向轴承和一个双向推力轴承，为动压轴承。图1是主泵轴系的结构图，主泵轴系由转子、叶轮、上飞轮、下飞轮、径向石墨轴承及推力石墨轴承等几部分组成。针对轴系中的推力轴承，设计制备了半尺寸试验推力轴承，试验推力轴承参数如表1所示。计算时，载荷取全载W1、半载W2和四分之一载荷W3三组进行对比分析。

图1 某核主泵立式轴系结构图Fig.1 Vertical shafting diagram of a nuclear main pump

表1 试验推力轴承参数

1.1 起飞转速的理论仿真

对于该屏蔽泵的立式转子系统，在启动过程中，当转子升速到一定转速时，推力盘与瓦面完全脱开并形成完整水膜，进行有效的润滑和支撑，此转速即为起飞转速，该转速下对应的膜厚即为起飞膜厚。为了说明转速、载荷和膜厚三者的关系，以推力轴承承载力方程为例[12]，最小膜厚

(1)

起飞膜厚一般与轴承和轴瓦接触面的摩擦副有关，完整水膜必须保证膜厚大于两个表面的粗糙度之和[12]，即

hmin≥hf=S(μ1+μ2)

(2)

式中，hf为起飞膜厚，μm；S为安全裕度；μ1、μ2为摩擦副表面粗糙度，μm。

使用MATLAB程序计算可倾瓦推力轴承膜厚，该程序的功能为：在输入轴承的基本参数后，选择载荷和转速，即可求解轴承当前工况下的受力及膜厚情况(最小膜厚、支点膜厚和瓦块受力情况等)，程序的基本流程见图2。

图2 推力轴承计算流程图Fig.2 Thrust bearing calculation flowchart

输入试验轴承的基本参数(表1)，分别计算转速从0到额定转速1800 r/min的三种载荷下最小膜厚曲线，结果如图3所示。

图3 三种载荷下轴承最小膜厚图Fig.3 Minimum film thickness of bearing under three loads

三条最小膜厚曲线大致走势相同，随着载荷的增大，最小膜厚逐渐减小，此规律与文献[13]的研究结果相近。在0～300 r/min内最小膜厚增加较快，可推断起飞膜厚可能处于300 r/min以内。为验证软件的正确性，计算文献[14]中受力轴承的最小膜厚，与其对比发现最小膜厚误差在5%以内，可基本认为软件计算结果正确。

初定起飞膜厚处于300 r/min以内，对0～300 r/min的转速进行较为细小的划分，可得到尽可能多的最小膜厚与支点膜厚的数据，对数据进行拟合分析，结果如图4所示。

图4 三种载荷下的膜厚曲线Fig.4 Film thickness curve under three loads

为了保证拟合曲线的精度，令表示数据离散程度的R2在0.999以上，得到了三条最小膜厚的拟合曲线以及三个膜厚关于转速的三阶多项式方程。试验轴承的推力盘与石墨瓦的表面粗糙度分别为0.8 μm和1.6 μm，根据式(1)，取安全裕度S为1.5，得到最小膜厚hmin≥hf=3.6 μm。代入方程反求出膜厚为3.6 μm时的转速：n1=216 r/min、n2=120 r/min和n3=76 r/min(图4)。n1、n2、n3分别为全载W1、半载W2与四分之一载荷W3的理论起飞转速，hz1是全载W1最小膜厚为3.6 μm时所对应的支点膜厚，hz1=4.5 μm。

1.2 起飞转速的试验模拟

改造已有的半尺寸立式轴承试验台进行试验，见图5。试验台主要分为试验台主体、变频电机驱动系统、加载装置、高压油站和润滑与冷却系统5个部分，采用静压加载方式，为配合水润滑低速启停试验，将原有的大转速低扭矩电机更换为额定转速为1000 r/min的大扭矩变频调速电机以保证启动力矩，并对试验台内部进行防锈处理。

图5 半尺寸立式轴承试验台Fig.5 Half-size vertical bearing test bench

在测量水膜厚度时，采用美国BENTLY 3300XL 8mm电涡流传感器系统进行电涡流位移测量。图6所示为起飞膜厚测试的传感器布置方案，传感器布置在两个瓦块之间并固定在推力轴承座上，径向按照径向偏支系数固定在6片瓦块支点形成的圆上，以保证测得的膜厚为支点处的膜厚(此处未考虑推力盘的倾斜情况)。传感器端面在静态下与推力盘表面距离为1.2 mm，转子转动时推力盘由于液膜的作用而上浮，传感器可测得支点处的上浮情况，即为支点膜厚。为了保证支点膜厚测量的精度和准确度，采用三个测点相互间隔120°来进行测量，试验结果如图7所示。

图6 起飞膜厚测试原理图Fig.6 Take-off film thickness test schematic diagram

图7 起飞台架试验数据曲线Fig.7 Take-off bench test data curve

1.3 理论与试验结果的对比与讨论

由于传感器测得的膜厚为全载W1时支点处的膜厚，因此需与全载W1理论支点处的膜厚进行对比分析，得出如下结论。

(1)试验测得的支点膜厚走势与理论支点膜厚大体趋势相同。

(2)在转速较低时(0～80 r/min)，试验支点膜厚与理论出入较大(试验结果较为稳定，而理论结果则保持均匀上升)，分析原因可能是转速较低时，由于推力盘和轴瓦的粗糙度导致试验未生成完整水膜，而理论膜厚采取全膜润滑的计算方法。

(3)随着转速的增加(90 ～ 180 r/min)，试验曲线与理论曲线愈发接近，可认为已逐渐形成完整的润滑水膜。在转速为180 r/min时，理论曲线与试验结果第一次相交，并随着转速的增大二者曲线逐渐缠绕，因此认为试验转速ns=180 r/min时，试验已经产生完整水膜进行润滑。

试验测得的起飞转速(ns=180 r/min)与理论计算结果(n1=216 r/min)的误差为20%，这可能与试验所采用推力盘与轴瓦的粗糙度有关，另一方面安全裕度S的取值也将影响二者的误差。

2 石墨水润滑推力轴承磨损的量化

从推力轴承启动到到达稳定工作状态，整个瓦块与推力盘的润滑过程可分为边界润滑阶段、不连续流体动压润滑阶段和流体动压润滑阶段。瓦块磨损的主要原因是在未达到起飞转速时与推力盘接触产生的干摩擦与边界摩擦，多次的启停会加剧瓦块的磨损，严重影响核主泵推力轴承的寿命[15]。因此有必要对启停阶段瓦块的磨损情况进行研究，便于找出应对措施和改造办法。

2.1 石墨-不锈钢摩擦副的小试样试验

石墨-不锈钢摩擦副小试样试验是为模拟台架启停试验中石墨瓦块与不锈钢推力盘摩擦的过程。

(1)试验仪器。用于小试样试验的试验仪器一般为各种型号的摩擦磨损试验机。在试验室里做试验，试验样品是材料加工成的小件。基于以上条件，选择UMT-2摩擦磨损试验机进行试验。摩擦因数通过力传感器感受载荷力N和水平摩擦力F并转化成信号输出，然后由计算机利用公式μf=F/N求出。磨损量用质量磨损率Km来代表，质量磨损率是单位滑动距离上每单位面积摩擦表面质量的减少量，单位为kg/m3，即

(3)

式中，m为材料磨损质量，g；s为相对滑动距离，m；Aα为接触表面积，m2。

(2)试样制备。为了研究核主泵瓦块的磨损情况，采用了一种新型石墨材料，材料性能参数见表2。小试样试验采用石墨试验销-不锈钢(1Cr18Ni9Ti)试验盘的面-面接触形式进行摩擦。将该新型石墨材料制成φ6×15 mm的石墨试验销和φ40×5 mm的不锈试验盘，见图8。

表2 石墨试样物理性能参数

(a)石墨试验销 (b)不锈钢试验盘图8 基本摩擦学试验试样Fig.8 Basic tribology test specimen

(3)试验参数的设定。小试样试验主要模拟轴承实际工作时候的PV值(P为轴承工作时比压，V为工作时转速)，具体试验参数设定描述如下：主泵的全载W1、n1=216 r/min，半载W2、n2=120 r/min，四分之一载荷W3、n3=76 r/min。根据表1计算可知轴承在达到起飞转速时三种载荷的PV值分别为4.86 MPa·m/s、1.35 MPa·m/s和0.43 MPa·m/s。因此试验分别在相同的PV值下进行，试验的压力值设定为5 MPa，石墨销的直径为6 mm，由F=pπr2换算为机器施加的载荷：Q1=137 N、Q2=38 N和Q3=12 N，试验机的试验速度均设为1 m/s。

(4)试验结果。摩擦因数试验时间为10 min，磨损量测试时间为24 h。得到了该石墨材料的摩擦因数平均值μf= 0.203，称重采用BSA124 S电子天平(120 g/0.1 mg)，称量三种工况下的材料磨损质量m(全载工况、半载工况和四分之一载荷工况的材料磨损质量分别为m1、m2和m3)，试验结果见表3。将磨损的质量代入式(3)，可计算出该新型石墨材料在三种工况下的质量磨损率：Km1=1.74×10-3g/m3、Km2=0.95×10-3g/m3和Km3=0.62×10-3g/m3。

表3 三种工况下试验磨损的质量

2.2 台架启停试验

(1)试验准备。台架启停试验中轴承的材料是性能参数如表2所示的石墨，以表1试验推力轴承参数制作石墨可倾瓦推力轴承，试验在上述半尺寸立式轴系试验台上进行。

(2)试验过程。启停工况是水润滑石墨轴承磨损的主要因素之一，本文在半尺寸立式轴承试验台上对全载工况下主泵的水润滑石墨推力轴承进行启停试验，主要模拟核主泵低速启停。试验过程为：①试验台上电，润滑回路开启，测试系统待机；②驱动电机启动转速，试验转速在5 min内由0慢慢启动到起飞转速n1=216 r/min，启动过程监测轴承的运行情况及轴瓦的温升；③运行30 min后电机减速，减速5 min后转速降为0。

(3)试验结果。本文将石墨推力轴承磨损的测试原理称为称重计算质量磨损率，即在试验前后对推力瓦块进行超声波清洗烘干称重，将试验前后的质量差代入式(3)计算出全载工况下的质量磨损率。试验结束后使用精度为1000 g/0.01 g的LT1002E电子天平测量石墨瓦块的磨损情况，其中磨损量是从经过了8次重复启停过程的轴瓦上测得的。试验前后推力瓦块对比如图9所示，轴瓦在试验后有明显的划痕磨损，说明在启停阶段轴瓦与推力盘并非产生全膜润滑，其摩擦性质可能以边界摩擦为主。主泵启停试验需要重复启停2000余次，本文只进行了8次启停，表4为推力轴承瓦块磨损测量数据，磨损的质量取6块瓦块的平均质量差。

图9 2号瓦块试验前后对比图Fig.9 Comparison chart before and after No.2 tile test

将试验计算得到的平均质量损失ms=0.38 g代入式(3)，计算出全载180 kN试验质量磨损率Kms=1.25×10-3g/m3。试验结论如下。

(1)所选新型石墨材料的性能优良，在台架试验中磨损极小，磨损质量在0.31～0.43 g之间，质量磨损率Kms=1.25×10-3g/m3，适宜在极端工况长期使用。

表4 推力轴承瓦块磨损测量数据

(2)试验后有明显划痕，说明在转子启停阶段确实有边界摩擦接触。

2.3 小试样试验与台架试验的对比与讨论

在上文中，对全载180 kN、起飞转速216 r/min的工况进行了24 h的磨损试验，分析计算得到Km1=1.74×10-3g/m3。而在台架启停试验中对全载工况进行了8次启停试验，分析计算得到Kms=1.25×10-3g/m3，二者的误差为39.2%。原因可能为以下三点。

(1)由于磨损的时间较短，得到的磨损质量较小，导致称重测量不够精确，可能存在一定误差。

(2)小试样试验环境为恒定的，而台架启停试验则是启停的变化工况，虽然采取了等PV值的模拟办法，但结果还是会有一定误差。

(3)小试样试件与台架启停试验试件尺寸差距过大，这可能也会导致磨损的实际过程发生一些变化。

虽然小试样试验与台架启停试验二者结果有一定误差，但小试样试验依旧能对大型台架试验的结果进行有效的预估。这可以显著降低台架试验的成本，并对台架试验的结果进行一定的评价。

3 结论

(1)利用摩擦副粗糙度对起飞转速进行了量化，与起飞台架试验的结果进行对比，误差为20%，证明利用摩擦副的粗糙度来衡量计算起飞转速具有一定的可行性。

(2)利用质量磨损率对小试样试验与启停台架试验结果进行了量化，二者的结果误差为39.2%。小试样试验可以对台架试验的结果进行预估或者试验评价，但不能完全替代。

(3)本文起飞转速和磨损的量化方法可为水润滑轴承其他参数的量化提供一定参考。