环境因素对推力轴承润滑膜超声检测精度的影响*

周俊丽 阮 琪 杨 帅 王 贺 贾 谦

(1.国家能源集团神东煤炭集团质量技术检测检验中心 内蒙古鄂尔多斯 017209； 2.中检西部检测有限公司 陕西西安710032；3.西安理工大学机械与精密仪器工程学院 陕西西安 710048；4.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 陕西西 安710049;5.西安交通大学城市学院机械工程系 陕西西安 710018)

随着经济和科技水平的快速发展，我国在机械工业方面的重大装备正在逐渐实现国产化，但是一些应用于特殊场合的关键零部件，如高参数滑动轴承、机械密封等的核心技术尚未完全掌握，形成了短板[1-2]。特别是有高速、重载等极端服役要求的高参数滑动轴承，其设计及试验技术对我国发展新一代核电及航空发动机至关重要[3]。推力轴承在核主泵、水轮机组等立式设备中起着重要作用，其工作时候的稳定性会直接影响到整个机组的安全，不容忽视[4]。因此对于推力轴承的润滑状态检测是一项重要的工作，通常检测的指标包括润滑膜的厚度、温升及压力等指标，其中对于润滑膜厚度的检测难度最大[5]。因此，研究润滑膜厚度的精确检测对推力轴承十分重要。

针对推力轴承的试验研究，研究者们已做过大量的工作。欧阳武等[6-7]针对 AP1000 核主泵水润滑轴承长寿命、高可靠的设计需求，建立了核主泵半尺寸水润滑径向轴承试验平台，该平台除了支持现象模拟和模型验证，还可提供可靠性强化试验条件支持轴承考核性试验，研究成果为核主泵水润滑全尺寸轴承研制提供了试验技术参考。王瑞等人[8]在立式轴承试验台上进行了石墨轴承启停试验检测，获取了轴承在启停过程中的温升、轴心轨迹变化和磨损情况。

研究轴承的膜厚变化对于改善轴承润滑性能，提高机组寿命起着关键作用。为了实现滑动轴承润滑油膜厚度这一关键参数的精密动态检测，张平、张小栋等[9-10]构建了基于双路光纤的油膜厚度动态精密检测模型，以对光纤传感器的非线性特性进行补偿，并对油膜厚度动态信号中的噪声进行滤除。同时，研究人员还采用超声方法进行润滑膜厚度的测量。如国内的研究人员采用超声作为测量手段对滑动轴承的润滑膜检测进行了相关的理论和试验研究探索[11-14]；国外的DWYER-JOYCE[15]研究超声波油膜厚度的测量方法，并取得了良好的结果。

本文作者研究的对象是核主泵推力轴承摩擦副，其润滑介质黏度较低且工作于高温高压等极端工况下，与之相关的润滑膜超声检测技术对检测精度要求更高。与以上文献的研究相比文中在理论分析及试验中引入温度、压力等环境因素，进行环境因素对推力轴承润滑膜超声检测精度的影响研究。

1 推力轴承润滑状态的超声检测模型

1.1 核主泵推力轴承基本结构

由于滑动轴承工作时轴承表面和轴颈表面有相对滑动，从减少摩擦、磨损和因摩擦引起的发热方面考虑轴承必须进行润滑。滑动轴承的润滑形式有流体动压润滑、流体静压润滑、边界润滑及固体膜润滑等4种。文中研究的对象为核主泵，核主泵是核电站的心脏，其主要功能就是驱动核岛内高放射性高温高压水循环，将反应堆芯核裂变的热能传递给蒸汽发生器产生蒸汽，从而推动汽轮机发电。一个核电站有多个主泵，典型的核主泵轴系结构如图1(a)所示，整个轴系由4个径向轴承、1个双向推力轴承、机械密封、联轴器、转子及叶轮等组成，其中4个径向轴承分别为电机导轴承1#、2#以及叶轮导轴承1#、2#。

推力轴承摩擦副的结构如图1(b)所示，可以看出，该核主泵水润滑推力轴承摩擦副主要由石墨瓦块、推力盘及转子组成。

图1 典型的核主泵轴系及轴承结构Fig 1 Typical nuclear main pump shafting and bearing structure (a)nuclear main pump shafting; (b)water lubricated thrust bearing

核主泵推力轴承的工况及结构参数见表1。

1.2 润滑状态的超声检测模型

推力轴承摩擦副的典型结构包括三部分，分别是轴瓦、润滑膜和推力盘，如图2所示。文中研究的背景是核电机组，推力轴承被使用在核主泵中，润滑的介质为油或水。以AP1000主泵的推力轴承为例，其轴瓦的主要材料为硅化石墨，润滑介质为去离子水，推力盘的材料为高强度不锈钢。从图2中可以看出，润滑介质在轴瓦和推力盘之间因为动压效应形成一层具有一定厚度的水润滑膜，润滑膜的厚度一般在几十微米甚至上百微米。

采用超声弹簧模型法很适合检测这一厚度区间的润滑膜厚度值h。超声弹簧模型法也叫刚度模型法，顾名思义从原理可以描述为当推力轴承摩擦副表面的润滑膜厚度h小于超声的波长λ，超声信号在固-液、固-液界面的反射信号会产生重叠现象，此时就可以采用一系列的轻质弹簧来代替轴承的润滑膜，如图2所示。

图2 推力轴承摩擦副的典型结构Fig 2 Typical structure of friction pair of thrust bearing

对于文中的超声检测模型，超声波在固体和润滑膜界面上的反射系数R可以利用式(1)来进行定义[16]。

(1)

式中：A为超声波在润滑膜与固体界面上反射信号的频域幅值;Ac为超声波在参考界面上反射信号的频域幅值;Rc为超声波在参考界面上的反射系数;f为超声波的发射频率;K为润滑膜的刚度系数;Z和Z′为润滑膜上下2个固体层的声阻抗。

根据超声波在润滑膜与固体交界面处的时域反射信号经快速傅里叶变换可获得超声波在该界面上的频域幅值A。同理，根据超声波在润滑膜与参考交界面处的时域反射信号经快速傅里叶变换可获得Ac。润滑膜厚度h的表达式为

(2)

式中：h为润滑膜厚度值；ρ是润滑膜的密度；c为超声在润滑膜中传播的速度;Z和Z′为超声在穿越金属和润滑膜时的声阻抗。

文中采用刚度模型法对润滑膜厚度进行测量，并根据润滑膜厚度与推力轴承瓦面及推力盘的粗糙度之间的关系来判断处于何种润滑状态，具体的判断流程如图3所示。

2 环境因素的分析及试验设计

2.1 环境因素的分析和量化表征

研究的推力轴承在运行过程中和润滑膜相关的环境因素可表征为温度、压力、流量、振动等轴承的润滑及动力学特性参数。文中主要考虑的是轴承静特性参数中的温度t和压力p。图4所示为根据表1中相关的工况参数计算得到的推力轴承在额定转速下的t和p分布。可见该时刻推力轴承瓦面润滑膜的t在20.6～24.9 ℃之间变化，平均值约为22.7℃，压力p在0.21～1.7 MPa之间变化，平均值约为0.96 MPa。而在更多的实测数据中表明，核主泵水润滑推力轴承的润滑膜工作温度会在20～80 ℃、工作压力p会在0.1～2.5 MPa范围内变化。由于文中研究的推力轴承工况复杂，所以实测数据中t和p的变化范围比图1中单个工况下通过计算获得的t和p理论值变化范围要大。

图4 推力轴承额定工况下的温度和压力分布Fig 4 Temperature and pressure distribution of thrust bearing under rated condition

文中研究对象为核主泵推力轴承，以水润滑推力轴承为例进行研究。温度t和压力p等环境因素将通过式(2)中润滑膜的密度ρ来影响润滑膜厚度h的大小，进而影响对润滑状态的判断。图5所示为水的密度受t、p的影响曲线。可以看出，水的密度ρ受压力影响较小，对温度变化较为敏感。根据图中的密度变化可知，受t、p的影响，ρ的值在0.999 4～0.971 7 kg/ m3范围内变化。

图5 温度和压力对水的密度的影响Fig 5 Effect of temperature and pressure on the density of water

声速还会受到水温的影响，一般认为声音在固体、液体或是气体介质中传播，介质密度愈大，则音速愈快。20 ℃时超声在水中的声速c为1 450 m/s，水温每升高1 ℃，水中声速大约增大4.6 m/s。

2.2 推力轴承润滑膜超声测试试验设计

采用超声技术对动态工况下的推力轴承摩擦副的润滑膜厚度进行检测。根据研究的核主泵推力轴承，试验设计时选用了如图6(a)所示的推力轴承试验台，该试验台主要由试验轴承、驱动调速系统、加载系统、超声测试系统等组成。超声测试系统由软件部分和硬件部分两部分组成，软件部分包括数据处理与分析单元、信号控制单元及显示与交互单元；硬件部分包括多通道数据采集装置、脉冲信号发生装置及超声换能器等。

图6 推力轴承润滑膜测试试验台及轴瓦Fig 6 Thrust bearing lubricating film test bed(a)and bearing bush(b)

试验可提供的载荷最大为2 MPa。试验转速可在400～1 800 r/min范围内连续调节。超声波发射接收仪激发压电片产生超声脉冲，信号经反射后，由高速采集卡实时采集到计算机中进行处理和记录。利用采集到的超声波反射信号，结合超声波膜厚测量计算模型即可得到实验轴承润滑油膜的厚度分布的情况。试验推力轴承的瓦块结构如图6(b)所示，为金属基体上镶嵌石墨的结构，在轴承的背面安装有超声压电片。轴承瓦块的外径为200 mm、内径为100 mm。试验转速设定为1 200 r/min，测试时超声的频率为5～10 MHz,测点数量为8个。

3 温度和压力对超声检测精度的影响

图7所示为通过实验实测获得的在启、停及额定转速下各测点的轴承润滑膜厚度h的测量值。从图7(a)中可以看出，在启、停阶段h的测量值为1.6～3.8 μm，平均值为2.6 μm；在额定转速下h的测量值为23.0～43.6 μm，平均值为33.4 μm。可根据图3判断，在启、停阶段h与表面粗糙度相当，所以此时轴承处于边界润滑状态；在额定转速下，处于流体润滑状态。图7中各测点的润滑膜厚度未考虑温度压力变化的影响，即在采用式(2)进行计算时，温度选为室温20 ℃，压力选为0.1 MPa(1个大气压)时的水的密度9.8 kg/ m3。

图7 推力瓦块各测点的润滑膜厚度(μm)Fig 7 Lubricating film thickness at each measuring point of thrust pad(μm) (a)during start-up and shut-down;(b)at rated speed

前文中已经根据图4中推力轴承额定工况下的温度和压力分布获得了图5中有关水的密度变化。根据图5中有关水的密度变化，并根据轴承实际工况把密度选为4组，根据这4组密度重新对8个测得的润滑膜厚度平均值进行了计算，计算结果分别如表2和表3所示。表2所示为启、停阶段考虑环境因素的h测试结果，表中常温常压工况下的h值为2.6 μm，如考虑t和p的影响，则随着二者的增加，h的精确测量值会增加。h最大时为3.6 μm，比不考虑t和p影响时的2.6 μm增加了38.5%。

表2 启、停阶段考虑环境因素的h测试结果Table 2 Test results of lubricating film thickness considering density change during start-up and shut-down

表3所示为额定转速下考虑环境因素的h测试结果，表中常温常压工况下的h值为33.4 μm，如考虑t和p的影响，h最大时为46.7 μm，比不考虑t和p影响时的33.4 μm增加了39.8%。

表3 额定转速下考虑环境因素的h测试结果Table 3 Test results of lubricating film thickness considering density variation at rated speed

4 结论

(1)在推力润滑膜超声检测模型中将润滑介质密度ρ的值作为环境参数温度t和压力p的函数，获得了考虑环境因素的推力轴承润滑状态超声检测模型。

(2)在试验台上进行了推力润滑状态的超声检测试验，得到了考虑t和p影响的推力轴承润滑膜厚度分布检测数据。

(3)分析数据发现考虑了环境因素后，在启、停阶段及额定转速下推力轴承膜厚检测值分别最大增加38.5%和39.8%。