侯 凱，何葵東，李崇仕，王衛(wèi)玉，林 野，傅清波，黃勁松

（1.湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.黑龍江哈電多能水電開發(fā)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150010；3.株洲冶煉集團(tuán)有限公司，湖南 株洲 412004；4.中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

引 言

洪江電廠位于湖南省懷化市洪江區(qū)上游4.5 km處，是沅水干流開發(fā)規(guī)劃的重要梯級(jí)工程，安裝6臺(tái)單機(jī)45 MW燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量270 MW。機(jī)組額定水頭20 m，投產(chǎn)時(shí)是國(guó)內(nèi)水頭最高、單機(jī)容量最大的燈泡貫流式機(jī)組。最大運(yùn)行水頭Hmax=27.3 m，額定水頭Hr=20 m,最小運(yùn)行水頭Hmin=8.46 m，目前仍是國(guó)內(nèi)運(yùn)行水頭最高的燈泡貫流式機(jī)組。機(jī)組按照招標(biāo)制采購(gòu)，主要由哈爾濱電機(jī)有限責(zé)任公司、武漢能事達(dá)公司、日本HITACHI公司及法國(guó)ALSTOM公司等廠家提供。

水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)共用一根軸，由水輪機(jī)徑向?qū)лS承及發(fā)電機(jī)徑向?qū)лS承兩點(diǎn)支撐。主軸上游側(cè)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接連接，下游側(cè)與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪連接。正、反向軸向水推力由發(fā)電機(jī)推力軸承承受，并通過推力軸承支架傳遞到管形座上。

受過去設(shè)計(jì)、制造水平及經(jīng)濟(jì)條件的限制，早期設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組槳葉轉(zhuǎn)臂材料多為碳素鋼（ZG20SiMn或ZG35），為了保證在機(jī)組運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)臂盡可能不被磨損，相應(yīng)的軸瓦材料基本采用材料硬度相對(duì)較低的錫青銅（磷青銅）。無論是材料領(lǐng)域還是機(jī)械領(lǐng)域，大家都有共同的經(jīng)驗(yàn)，即材料的硬度與耐磨能力成正相關(guān)，硬度越高耐磨能力越強(qiáng)。從提高摩擦偶的使用壽命角度出發(fā)，對(duì)偶件的硬度應(yīng)該提高。故隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，提高了轉(zhuǎn)臂材料的質(zhì)量，特別是硬度，將轉(zhuǎn)臂材料由碳素鋼改為不銹鋼或合金鋼，目前行業(yè)內(nèi)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組槳葉轉(zhuǎn)臂材料基本為ZG06Cr13Ni5Mo[1]或ZG35CrMo。ZG35CrMo通常用于模具或刃具，硬度和耐磨能力明顯比碳素鋼高[2～3]。而軸瓦材料也由錫青銅改為了硬度更高的鋁青銅ZCuAl10Fe3，也就是對(duì)偶兩件的硬度均提高，其耐磨能力也得到提升，進(jìn)而提高摩擦偶的使用壽命。此外，為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)臂的使用壽命，科研人員還在進(jìn)行更廣泛的研究，驗(yàn)證并試用其它合金鋼材料，如34CrNi3Mo等材料[4～6]。

轉(zhuǎn)臂是發(fā)電機(jī)組中最為重要和非常關(guān)鍵的部件之一，轉(zhuǎn)臂質(zhì)量的好壞直接影響和決定著發(fā)電機(jī)組的使用壽命和工作安全。轉(zhuǎn)臂材料的合理選擇是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維修中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，采用不同材料生產(chǎn)轉(zhuǎn)臂，其尺寸、結(jié)構(gòu)、加工方法、工藝要求也會(huì)相應(yīng)不同。在轉(zhuǎn)臂的優(yōu)選過程中，不僅要考慮材料的性能是否能夠適應(yīng)轉(zhuǎn)臂的使用性能，而且要求材料有較好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性，以便提高轉(zhuǎn)臂的壽命和生產(chǎn)率，減少消耗，從而降低綜合成本[7]。在水利工程[8]、工程機(jī)械[9]、礦山機(jī)械[10]、交通運(yùn)輸[11～13]及通用機(jī)械[14～15]等機(jī)械制造領(lǐng)域，軸的材料選擇與加工、熱處理等都得到了廣泛研究和應(yīng)用。

洪江電廠發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行6～8年后均出現(xiàn)因槳葉銅軸瓦及其相關(guān)部件磨損導(dǎo)致槳葉竄出的故障現(xiàn)象，槳葉竄出引起轉(zhuǎn)輪室掃膛，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)水輪機(jī)槳葉轉(zhuǎn)臂材料進(jìn)行優(yōu)選，以提高電站水輪機(jī)組的使用壽命。本研究通過選擇擬替代現(xiàn)場(chǎng)在用的軸承材料ZCuZn25Al6Fe3Mn3鋁黃銅，跟現(xiàn)場(chǎng)在用的摩擦對(duì)偶材料碳素鋼ZG20SiMn、不銹鋼ZG06Cr13Ni5Mo、合金鋼ZG35CrMo以及34CrNi3Mo分別進(jìn)行對(duì)磨實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析以優(yōu)化出最佳的軸材料，以提高發(fā)電機(jī)組的使用壽命，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用上海自潤(rùn)軸承有限公司從日本引進(jìn)的水中高載軸頸摩擦試驗(yàn)機(jī)（徑向摩擦試驗(yàn)機(jī)）和推力摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)。水中高載軸頸摩擦試驗(yàn)機(jī)的工作原理如圖1。

圖1 水中高載軸頸摩擦試驗(yàn)機(jī)工作原理

水中高載軸頸摩擦試驗(yàn)機(jī)設(shè)備參數(shù)如下：

最高載荷150kN；最高速度下的頻率150cpm（擺動(dòng)條件）；運(yùn)動(dòng)方式為對(duì)偶軸連續(xù)擺動(dòng)；擺動(dòng)角度±2°～±45°；時(shí)間可調(diào)；潤(rùn)滑條件，干摩擦、油潤(rùn)滑、脂潤(rùn)滑、水、泥水、海水等；環(huán)境條件，常溫、大氣中，液態(tài)潤(rùn)滑介質(zhì)中溫度可控（4℃～80℃）。試樣尺寸，內(nèi)徑60mm，外徑65～75mm（優(yōu)先為75mm），長(zhǎng)度20～60mm（優(yōu)先為50 mm）；對(duì)偶軸，尺寸Φ60mm×L670mm，公差一般為e7，可微調(diào)。

推力摩擦試驗(yàn)機(jī)的工作原理如圖2。

圖2 推力摩擦試驗(yàn)機(jī)工作原理

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

最高載荷100kN；最高速度下的頻率15cpm（擺動(dòng)條件）；運(yùn)動(dòng)方式為連續(xù)推力搖擺運(yùn)動(dòng)；擺動(dòng)角度±1°～±45°；時(shí)間可調(diào)；潤(rùn)滑條件，干摩擦、油潤(rùn)滑、脂潤(rùn)滑、水、泥水、海水等；環(huán)境條件，常溫、大氣、潤(rùn)滑介質(zhì)中。試樣尺寸，內(nèi)徑不限，外徑80 mm以下，厚度3～5 mm；對(duì)偶軸，尺寸根據(jù)試樣尺寸確定，公差不限。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

4種轉(zhuǎn)臂材料分別為ZG20SiMn（硬度≥HB156）、ZG35Cr1Mo（硬度≥HB201）、鍛鋼34CrNi3Mo（硬度范圍HB255-302）、鑄鋼ZG06Cr13Ni5Mo（硬度范圍HB220-290），對(duì)偶軸瓦材料為鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3，潤(rùn)滑介質(zhì)采用長(zhǎng)城牌威越優(yōu)質(zhì)L-TSA46汽輪機(jī)油。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將4種轉(zhuǎn)臂材料分別做成摩擦實(shí)驗(yàn)塊，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下（即相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境浸油中），分別跟鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3對(duì)偶件進(jìn)行徑向摩擦實(shí)驗(yàn)和推力摩擦實(shí)驗(yàn)。對(duì)轉(zhuǎn)臂磨損量、軸瓦磨損量、摩擦系數(shù)、油溫等實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析。相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

1）徑向摩擦實(shí)驗(yàn)。載荷25 MPa、40 MPa、70 MPa，水輪機(jī)擺動(dòng)角度為±45°，擺動(dòng)頻率為7.65 cpm，速度為0.721 m/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8 h。軸瓦材料尺寸Φ60×Φ75×L40。

2）推力摩擦實(shí)驗(yàn)。載荷25 MPa、50 MPa、140 MPa，水輪機(jī)擺動(dòng)角度為±45°，擺動(dòng)頻率為15.3 cpm，速度為0.721 m/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8 h。轉(zhuǎn)臂材料尺寸Φ50×T10圓板，軸瓦材料尺寸Φ60×Φ75×L40。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3銅軸瓦磨損量

表1所列為徑向?qū)嶒?yàn)與推力實(shí)驗(yàn)鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3銅軸瓦磨損量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從表1可以看出，鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3銅軸瓦對(duì)4種對(duì)偶軸的徑向?qū)嶒?yàn)?zāi)p分別如下：在實(shí)驗(yàn)載荷分別為25 MPa和40 MPa時(shí)，34CrNi3Mo軸對(duì)銅軸瓦的磨損量為0.005 mm和0.004 mm，均為最小，但在實(shí)驗(yàn)載荷為70 MPa時(shí)，僅有ZG35Cr1Mo軸完成了摩擦實(shí)驗(yàn)，磨損量為0.015mm，其表現(xiàn)亦突出。鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3銅軸瓦對(duì)4種對(duì)偶軸的推力實(shí)驗(yàn)?zāi)p分別如下：在實(shí)驗(yàn)載荷分別為25 MPa和50 MPa時(shí)，ZG35Cr1Mo軸對(duì)銅軸瓦的磨損量最小為-0.014 mm和0.006 mm，均為最好，其次為ZG06Cr13Ni5Mo軸。在發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中，徑向40 MPa和推力50 MPa是設(shè)計(jì)載荷，而銅軸瓦磨損量是機(jī)組修護(hù)保養(yǎng)時(shí)最重要的測(cè)量參數(shù)。故從銅軸瓦磨損量可判斷，最佳優(yōu)選軸材料為ZG35Cr1Mo，其次為34CrNi3Mo軸。

表1 徑向摩擦實(shí)驗(yàn)與推力摩擦實(shí)驗(yàn)軸瓦磨損量 mm

2.2 轉(zhuǎn)臂摩擦磨損量

表2所列為徑向?qū)嶒?yàn)與推力實(shí)驗(yàn)后轉(zhuǎn)臂摩擦磨損量測(cè)量結(jié)果。從表2可以看出，徑向?qū)嶒?yàn)中，當(dāng)加載載荷為25 MPa時(shí)，ZG35Cr1Mo軸的磨損量-0.007 mm為最??；當(dāng)加載載荷為40 MPa時(shí)，ZG06Cr13Ni5Mo軸的磨損量-0.007 mm為最?。划?dāng)加載載荷為70 MPa時(shí)，僅有ZG35Cr1Mo軸的磨損量為-0.005 mm，順利完成了實(shí)驗(yàn)；故從徑向?qū)嶒?yàn)結(jié)果來看，ZG35Cr1Mo軸的表現(xiàn)最佳，其次為ZG06Cr13Ni5Mo軸。推力實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)加載載荷為25 MPa時(shí)，ZG35Cr1Mo軸的磨損量-0.022 mm為最??；當(dāng)加載載荷為50MPa時(shí)，34CrNi3Mo軸的磨損量-0.001 mm為最?。划?dāng)加載載荷為140 MPa時(shí)，34CrNi3Mo軸的磨損量-0.002 mm為最小；故從推力實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，34CrNi3Mo軸的表現(xiàn)最佳，其次為ZG35Cr1Mo軸。

表2 徑向摩擦實(shí)驗(yàn)與推力摩擦實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臂磨損量 mm

2.3 摩擦系數(shù)

表3所列為徑向?qū)嶒?yàn)與推力實(shí)驗(yàn)后的最大摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果，從表3可以看出，徑向摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)加載載荷為25 MPa時(shí)，34CrNi3Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.187最小，但它只正常完成了這個(gè)載荷，其它載荷都未完成。而當(dāng)加載載荷為40 MPa時(shí)，ZG35Cr1Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.240最小，且只有它完成了70 MPa載荷實(shí)驗(yàn)。故在徑向摩擦實(shí)驗(yàn)中，ZG35Cr1Mo軸為最佳選擇，ZG06Cr13Ni5Mo軸其次。推力摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)加載載荷為25 MPa時(shí)，34CrNi3Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.142最小，ZG35Cr1Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.145次之，當(dāng)加載載荷為50 MPa時(shí)，ZG35Cr1Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.153最小，其次為34CrNi3Mo軸的0.161，當(dāng)加載載荷為140 MPa時(shí)，34CrNi3Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.140最小，其次為ZG35Cr1Mo軸的。綜合上述結(jié)果，最大摩擦系數(shù)優(yōu)選結(jié)果為ZG35Cr1Mo軸。

表3 徑向摩擦實(shí)驗(yàn)與推力摩擦實(shí)驗(yàn)最大摩擦系數(shù)

2.4 潤(rùn)滑油溫度

表4所列為徑向摩擦實(shí)驗(yàn)和推力摩擦實(shí)驗(yàn)中潤(rùn)滑油最高溫度測(cè)試結(jié)果，從表4可以看出，徑向摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)加載載荷為25 MPa時(shí)，ZG06Cr13Ni5Mo軸的潤(rùn)滑油最高溫度26.2℃最低，其次為ZG35Cr1Mo軸的；當(dāng)加載載荷為40 MPa時(shí)，ZG35Cr1Mo軸的潤(rùn)滑油最高溫度27.2℃最低，且只有ZG35Cr1Mo軸完成了70 MPa摩擦實(shí)驗(yàn)。故從徑向摩擦實(shí)驗(yàn)可明顯判斷，ZG35Cr1Mo軸為最優(yōu)選擇。推力摩擦實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)加載載荷為25 MPa時(shí)，ZG06Cr13Ni5Mo軸的潤(rùn)滑油最高溫度21.0℃最低；當(dāng)加載載荷為50 MPa時(shí)，ZG20SiMn軸的潤(rùn)滑油最高溫度33.9℃最低；當(dāng)加載載荷為140 MPa時(shí)，ZG35Cr1Mo軸的潤(rùn)滑油最高溫度62.4℃最低。綜合徑向摩擦實(shí)驗(yàn)和推力摩擦實(shí)驗(yàn)，ZG35Cr1Mo軸為最佳選擇，而ZG06Cr13Ni5Mo軸其次。

表4 徑向摩擦實(shí)驗(yàn)與推力摩擦實(shí)驗(yàn)最高溫度值 ℃

洪江電廠在用的CuAl10Fe3鋁青銅軸瓦硬度為HB129，而實(shí)驗(yàn)CuZn25Al6Fe3Mn3鋁黃銅軸瓦硬度為HB210，對(duì)偶鋼軸在用的ZG20SiMn硬度為HB156、對(duì)比鋼軸ZG35Cr1Mo的硬度為HB201，34CrNi3Mo的硬度為HB255～302（通常為HB275），ZG0Cr13Ni5Mo的硬度為HB220～290（通常為HB255）。盡管經(jīng)驗(yàn)表明，鋼軸在與銅軸瓦組成的摩擦偶配合中，銅軸瓦應(yīng)該比鋼軸軟，但在本實(shí)驗(yàn)中，得出了相反的結(jié)果，這也說明經(jīng)驗(yàn)并不是放之四海而皆準(zhǔn)的鐵律。經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)未上升到理論的高度，這也是將來值得深入研究的問題。

結(jié)合ZCuZn25Al6Fe3Mn3鋁黃銅銅軸瓦磨損量、轉(zhuǎn)臂摩擦磨損量、摩擦系數(shù)、潤(rùn)滑油溫度等實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)ZG35Cr1Mo為最佳，其次為34CrNi3Mo。

3 結(jié) 論

通過CuZn25Al6Fe3Mn3鋁黃銅與4種對(duì)偶鋼軸在相同條件下的對(duì)磨實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ZG35Cr1Mo轉(zhuǎn)臂為最佳，其次為34CrNi3Mo轉(zhuǎn)臂。

國(guó)家電力投資集團(tuán)公司科技項(xiàng)目（2020-24-WLDKJ-X）。