王春艷，李玉福

（1.長春師范大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130032；2.長春水務(wù)集團有限責(zé)任公司，吉林長春 130012）

水力發(fā)電依靠水力推動發(fā)電機組中的轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)而進行發(fā)電，機組運行時需要保證轉(zhuǎn)子和軸瓦間不發(fā)生接觸而磨損轉(zhuǎn)子。傳統(tǒng)的巴氏合金軸瓦在機組運行過程中易發(fā)生軸瓦表面與轉(zhuǎn)子直接接觸的情況，造成轉(zhuǎn)子的磨損。為了避免轉(zhuǎn)子磨損，彈性金屬塑料軸瓦取代傳統(tǒng)的巴氏合金軸瓦越來越多的應(yīng)用于大型水力發(fā)電機組中。金屬塑料軸瓦的表層材料由聚四氟乙烯（PTFE）構(gòu)成，通過銅絲焊接到鋼坯基體上，其具體形式如圖1所示。聚四氟乙烯材料有較強的抗腐蝕能力和較好的摩擦性能，在機組啟停階段可以減少軸瓦表面和轉(zhuǎn)子端面的接觸，降低轉(zhuǎn)子磨損的概率。

金屬塑料軸瓦最早始于前蘇聯(lián)。從1990年開始，我國在水力發(fā)電機上陸續(xù)試運行和使用金屬塑料瓦推力軸承。金屬塑料瓦瓦面材料是聚四氟乙烯復(fù)合材料，具有與傳統(tǒng)金屬瓦不同的摩擦特性，為此人們針對其潤滑理論和實際應(yīng)用進行了研究[1-7]。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，尤其是隨著水力發(fā)電機組單機容量的不斷增加，金屬塑料瓦的應(yīng)用得到了迅速的推廣。雖然取得較為滿意的運行效果，但使用過程中仍然出現(xiàn)一些問題[8]，比如瓦面劃傷等現(xiàn)象。引起軸瓦瓦面劃傷的原因有很多，如軸瓦表面形貌等。受限于軸瓦的加工方式，軸瓦表面存在一定形式的形貌分布，這些形貌分布改變了軸瓦的壓力分布和潤滑效果。本文從軸瓦表面形貌對摩擦性能的影響的角度出發(fā)，建立軸瓦工作時的理論模型，實驗測量軸瓦的表面形貌，數(shù)值分析軸瓦表面形貌對軸瓦摩擦性能的影響。

圖1 金屬塑料軸瓦結(jié)構(gòu)

1 理論模型

在工作時，軸瓦表面由于動壓效應(yīng)形成一層潤滑介質(zhì)膜，在水力發(fā)電機組中，通常用水作為潤滑介質(zhì)，形成的控制方程可表示為：

其中，ue為潤滑介質(zhì)的卷吸速度，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和軸瓦速度的平均值。η是潤滑介質(zhì)的黏度，本文工況中，水作為潤滑介質(zhì)，其黏度值為0.000754，Pa·s，ρ 是潤滑介質(zhì)的密度，本文中，介質(zhì)的密度為1×103kg/m3，由于水的黏度較小，黏度隨壓力變化不明顯，所以忽略潤滑介質(zhì)的黏壓特性。方程(1)中的h 代表形成的潤滑介質(zhì)膜的厚度，其具體表示形式為：

其中，潤滑介質(zhì)厚度為接觸體參數(shù)Bx，By，彈性變形v以及上下表面粗糙度δ1，δ2的函數(shù)。

彈性變形v 可以表示成：

在求解過程中，根據(jù)載荷平衡關(guān)系對整體方程組進行封閉：

對方程(1)～(4)進行數(shù)值離散，用迭代法進行求解，利用載荷平衡作為判斷收斂的條件，理論分析軸瓦的表面形貌對摩擦性能的影響。

2 軸瓦表面形貌的實驗測量

為了表征軸瓦表面的形貌分布，本文采用三坐標測量儀對軸瓦的表面形貌進行了測量，三坐標測量儀實驗臺如圖2所示:

圖2 三坐標測量儀實驗臺

由于三坐標測量儀是測量零件上某一點的高度數(shù)據(jù)。為了能全面地表示軸瓦的表面形貌，在軸瓦上取若干個點，測量其表面高度分布。所取的測量點分布形式如圖3所示：

圖3 軸瓦表面測量點分布

測量軸瓦表面的高度分布結(jié)果如圖4所示。圖4中離散的數(shù)據(jù)點為實測表面高度數(shù)據(jù)。對測量的離散數(shù)據(jù)進行擬合處理，得到較為光滑的可以反映軸瓦整體表面高度分布的數(shù)據(jù)。相比于未處理的離散數(shù)據(jù)點，擬合后的結(jié)果適于數(shù)值計算分析。

圖4 軸瓦表面高度測量結(jié)果

圖5 理想工況和實際工況形成的摩擦因數(shù)

3 數(shù)值計算與結(jié)果分析

第二節(jié)建立了軸瓦運行時的控制方程，第三節(jié)實驗測量了軸瓦的表面形貌。在本節(jié)中，將實驗測量的軸瓦表面形貌耦合到控制方程中，數(shù)值計算考慮表面形貌時的軸瓦壓力和潤滑介質(zhì)分布情況。為了綜合考慮軸瓦的摩擦性能，將壓力和潤滑介質(zhì)分布表示成摩擦因數(shù)的形式。軸瓦運動形成的摩擦因數(shù)由潤滑介質(zhì)的剪切應(yīng)力構(gòu)成，潤滑介質(zhì)所形成的剪切應(yīng)力τl可通過公式(5)進行計算：

將計算的剪切應(yīng)力在整體計算區(qū)域中積分，形成拖曳力，然后除以與軸瓦所承擔(dān)的載荷即可得到軸瓦運行時的摩擦因數(shù)：

計算理想光滑表面時軸瓦形成的摩擦因數(shù)和考慮實際表面形貌后形成的摩擦因數(shù)隨軸瓦轉(zhuǎn)速的分布如圖5所示。當(dāng)水力發(fā)電機組啟動和停止階段，機組運轉(zhuǎn)速度相對較低，考慮表面形貌時形成的摩擦因數(shù)相對較大，當(dāng)機組平穩(wěn)運轉(zhuǎn)后，速度相對較高，實際工況和理想工況形成的摩擦因數(shù)基本一致。

4 結(jié)語

本文建立了金屬塑料軸瓦工作時的控制方程，實驗測量了軸瓦的表面形貌，結(jié)合軸瓦運行時的摩擦因數(shù)分析了軸瓦工作時不同表面形貌對摩擦性能的影響，在機組啟動和停止階段，由于表面形貌的存在，形成的摩擦因數(shù)相對較大。

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