郭棉明，李偉雄，景 慧

（中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司流域樞紐運(yùn)行管理中心,湖北 宜昌 443133）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞作為鋼結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一,已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域得到了研究,成為研究者廣泛關(guān)注的問(wèn)題[1-4]。自潤(rùn)滑軸承因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、免維護(hù)、無(wú)需添加潤(rùn)滑劑等諸多優(yōu)勢(shì),被作為重要的節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部件,廣泛運(yùn)用于各種極端環(huán)境中,例如深水環(huán)境、空間環(huán)境等。此類(lèi)環(huán)境所表現(xiàn)出來(lái)的高壓力、高水頭、高低溫是目前研究者進(jìn)行關(guān)節(jié)軸承研究所關(guān)注的重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究處于起步階段,尤其在關(guān)節(jié)軸承的疲勞壽命預(yù)測(cè)和失效機(jī)理探究等基礎(chǔ)性研究上較少。

1 工程概況

某水壩船閘是規(guī)模和級(jí)間水頭較大、技術(shù)較復(fù)雜的內(nèi)河船閘,采用雙線連續(xù)五級(jí)布置,設(shè)計(jì)總水頭113 m,級(jí)間最大工作水頭45.2 m。船閘輸水系統(tǒng)采用在閘室兩側(cè)對(duì)稱布置輸水主廊道,輸水控制利用輸水工作閥門(mén)（為反向弧形門(mén)簡(jiǎn)稱反弧門(mén)）啟閉實(shí)現(xiàn),輸水閥門(mén)埋設(shè)較深,啟閉桿件長(zhǎng)達(dá)七十多米,在高速水流作用下的閥門(mén)水動(dòng)力學(xué)工況復(fù)雜,流激振動(dòng)影響大。

該船閘反弧門(mén)示意圖見(jiàn)圖1,反弧門(mén)由門(mén)葉、支臂、支鉸梁等組成,由布置在閥門(mén)井頂部的豎缸式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作,啟閉機(jī)通過(guò)七節(jié)吊桿與反弧門(mén)相連,最上節(jié)吊桿與啟閉機(jī)活塞桿鉸接,最下節(jié)與閥門(mén)連接的吊桿為擺桿,其它各節(jié)吊桿間均為十字鉸接。啟閉反弧門(mén)時(shí),吊桿沿埋設(shè)在混凝土墻上的導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng),垂直桿做勻速運(yùn)動(dòng),閥門(mén)開(kāi)度作非線性變化。動(dòng)水開(kāi)門(mén),靜水閉門(mén),在突發(fā)工況或控制閘室超灌超泄時(shí)動(dòng)水閉門(mén)。啟閉機(jī)與吊桿、最下一節(jié)吊桿與上節(jié)吊桿連接處采用自潤(rùn)滑球面關(guān)節(jié)軸承,型號(hào)為GE 260 TA-2RS。

圖1 反弧門(mén)示意圖

該船閘全年24 小時(shí)不間斷運(yùn)行,每天穩(wěn)定運(yùn)行30 閘次左右,輸水閥門(mén)開(kāi)關(guān)60 次,反弧門(mén)關(guān)節(jié)軸承每天動(dòng)作60 次。運(yùn)行十余年后,個(gè)別運(yùn)行工況較惡劣的反弧門(mén)啟閉機(jī)油缸啟門(mén)力出現(xiàn)異常,在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn),反弧門(mén)的關(guān)節(jié)軸承已破損；擴(kuò)大檢查后發(fā)現(xiàn),除最上游閘室反弧門(mén)關(guān)節(jié)軸承工作時(shí)間較短,軸承潤(rùn)滑層功能未完全失效外,其它關(guān)節(jié)軸承均已嚴(yán)重失效,其中最下游反弧門(mén)與下游航道連通,運(yùn)行水流條件最為惡劣,關(guān)節(jié)軸承已破碎。發(fā)生損壞時(shí)軸承已運(yùn)行約10 萬(wàn)次,折合運(yùn)行距離約480 km。為分析實(shí)際運(yùn)行工況下船閘反弧門(mén)關(guān)節(jié)軸承的實(shí)際壽命,評(píng)判關(guān)節(jié)軸承更換周期,本研究通過(guò)反弧門(mén)啟閉力檢測(cè)、工況分析及軸承壽命計(jì)算,對(duì)高水頭船閘反弧門(mén)吊桿節(jié)點(diǎn)軸承失效原因進(jìn)行探討分析。

2 啟閉力在線檢測(cè)

利用液壓測(cè)試儀對(duì)啟閉系統(tǒng)油缸壓力進(jìn)行了采集和分析,將所測(cè)得的油缸壓強(qiáng)經(jīng)計(jì)算公式轉(zhuǎn)換為啟閉力。由于船閘反弧門(mén)閉門(mén)過(guò)程中的閉門(mén)力主要依靠閘門(mén)自重,故測(cè)試只對(duì)油缸有桿腔（油缸拉力）壓力進(jìn)行測(cè)試采集,測(cè)點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 反弧門(mén)油缸油壓測(cè)點(diǎn)示意圖

選取運(yùn)行工況比較典型的Z2 和Z6 兩套反弧門(mén)為測(cè)試對(duì)象,測(cè)試時(shí)Z2 和Z6 上下游水位差分別為35 m、19 m。經(jīng)過(guò)油缸油壓測(cè)試轉(zhuǎn)換到反弧門(mén)啟閉力曲線見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 Z2 反弧門(mén)啟閉力曲線圖

圖4 Z6 反弧門(mén)啟閉力曲線圖

比較圖3 和圖4 的啟閉力曲線可知,測(cè)試工況下,兩套閘門(mén)的啟門(mén)時(shí)間均在4 min 左右,其中Z6 反弧門(mén)啟門(mén)時(shí)間稍短,為3.7 min。閥門(mén)啟閉過(guò)程中,兩套閘門(mén)時(shí)均動(dòng)水啟門(mén)力均呈先升后降的變化規(guī)律,Z6 時(shí)均閉門(mén)力呈升-降-升的變化規(guī)律。這種規(guī)律考慮是反向弧形的門(mén)體結(jié)構(gòu)形式在閥門(mén)運(yùn)行過(guò)程中,門(mén)體受到了門(mén)井水流的較強(qiáng)作用力,導(dǎo)致閥門(mén)動(dòng)水啟閉力有較大幅度的變化。閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中,門(mén)井水位持續(xù)下跌,支臂受下跌水流的作用力而使啟門(mén)力增加,Z2 反弧門(mén)啟門(mén)力峰值出現(xiàn)在t=80 s～90 s 范圍,為1618 kN,谷值為922 kN；Z6 反弧門(mén)啟門(mén)力峰值為1400 kN,谷值為907 kN。閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中的實(shí)際工作水頭已經(jīng)較開(kāi)門(mén)階段降低,動(dòng)水閉門(mén)力峰值一般不超過(guò)動(dòng)水啟門(mén)力峰值。由于Z2 的運(yùn)行水頭較大,Z2 最大啟門(mén)力較Z6 大。

Z6 的啟門(mén)力隨著行程的增加而增大,運(yùn)行至1/2 行程后,油壓出現(xiàn)明顯波動(dòng),閘門(mén)發(fā)生了較長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)。閉門(mén)過(guò)程中,Z6 的振動(dòng)更為明顯,Z2 的振幅更大。閥門(mén)系統(tǒng)中吊桿相比閥門(mén)可視為柔性構(gòu)件,閥門(mén)則為剛度很高的構(gòu)件,兩者組成了剛度懸殊的體系。閥門(mén)系統(tǒng)的低頻振動(dòng)特性主要由吊桿支配。反弧門(mén)啟閉力谷值綜合考慮各種因素后應(yīng)重點(diǎn)考慮避免關(guān)門(mén)過(guò)程中吊桿受壓,將可能導(dǎo)致軸承受壓[5]。

3 軸承壽命計(jì)算

該自潤(rùn)滑軸承型號(hào)為SKF GE260 TA-2 LS,尺寸：d260 D370 B150 C110,基本額定載荷為動(dòng)態(tài)4325 kN,靜態(tài)8580 kN。軸承材料為鋼/鋼材料及鋼/PTFE,基材為軸承鋼,自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承襯墊粘結(jié)在關(guān)節(jié)軸承外圈內(nèi)球面。

在考慮球面滑動(dòng)軸承的壽命時(shí)應(yīng)區(qū)分基本額定壽命與使用壽命?；绢~定壽命是一個(gè)理論的指導(dǎo)值,用于估算使用壽命,使用壽命取決于實(shí)際的工作條件,是軸承在運(yùn)行中達(dá)到的實(shí)際壽命。

基本額定壽命以大量實(shí)驗(yàn)室測(cè)試為依據(jù),通過(guò)對(duì)軸承運(yùn)行測(cè)試軸承游隙或摩擦達(dá)到特定值的時(shí)間。基本額定壽命考慮到多種影響因素,以運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)數(shù)或往復(fù)擺動(dòng)次數(shù)為單位。但有些情況下,污染、腐蝕、聯(lián)合動(dòng)載等因素很難量化,球面滑動(dòng)軸承在相同工作條件下可達(dá)到或超過(guò)基本額定壽命。

假定反弧門(mén)吊桿與擺桿之間的最大相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為45°。在運(yùn)行過(guò)程中,軸承內(nèi)部的滑動(dòng)速度為準(zhǔn)靜態(tài),得出滑動(dòng)速度為0.002 m/s。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,得知軸承可能最大載荷為1600 kN。根據(jù)設(shè)計(jì)階段仿真及測(cè)試成果,交變頻率為3 Hz～5 Hz,工作溫度20℃。

軸承基本額定壽命可根據(jù)以下公式計(jì)算

式中：b1為載荷方向系數(shù),定向載荷為1,交變載荷為2；b2為溫度系數(shù),溫度小于120℃,為1；b3為滑動(dòng)系數(shù),直徑為260 mm,為3.6；b4為速度系數(shù),滑動(dòng)速度為0.002 m/s 時(shí),為1；b5為擺動(dòng)角系數(shù),擺動(dòng)角為45°,為10；p 為軸承給定載荷。

v 為平均滑動(dòng)速度0.002 m/s。

計(jì)算得到軸承的基本額定壽命為：19273 h。

根據(jù)這款軸承在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下理論能運(yùn)行16542 h,開(kāi)合總次數(shù)達(dá)545880 次,折算為24.8 年。

4 軸承失效原因分析

影響球面滑動(dòng)軸承壽命的主要因素有負(fù)荷、擺頻、擺幅、軸承尺寸、材料與制造質(zhì)量、環(huán)境與潤(rùn)滑等,見(jiàn)表1。

表1 影響球面滑動(dòng)軸承壽命的主要因素

根據(jù)計(jì)算,軸承的基本額定壽命較長(zhǎng),理論可達(dá)24.8 年。但是實(shí)際工況條件下影響關(guān)節(jié)軸承磨損的因素很多,主要包括速度、載荷、摩擦溫度、環(huán)境以及其他特殊工況條件,這些對(duì)關(guān)節(jié)軸承磨損性能有著重大的影響。有研究表明,隨著速度、載荷、摩擦、溫度的增加,工況條件的惡劣都將導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承的磨損加劇,磨損量增大[6]。

船閘輸水系統(tǒng)已投入運(yùn)行近20 年,反弧門(mén)每天運(yùn)行約60 次,使用時(shí)間長(zhǎng)且運(yùn)行頻繁。吊桿自潤(rùn)滑軸承雖設(shè)置了外、內(nèi)多道水封,首次檢修發(fā)現(xiàn)反弧門(mén)吊桿系統(tǒng)中的軸承內(nèi)部密封已經(jīng)不見(jiàn),表明密封件超過(guò)壽命年限后已老化失效；水和泥沙等雜物進(jìn)入軸和軸承間,改變了軸承工作環(huán)境,這是造成軸承及潤(rùn)滑材料損傷失效的關(guān)鍵原因之一；反弧門(mén)啟閉過(guò)程中吊桿因高速水流作用、實(shí)際水流上下垂直方向運(yùn)動(dòng)卡滯等工況,帶給軸承瞬時(shí)高過(guò)載,以及啟閉力在谷值時(shí),會(huì)導(dǎo)致吊桿及軸承直接受壓和加速磨損；失去密封保護(hù)的軸承長(zhǎng)期在高速水流、交變載荷工況下很可能導(dǎo)致了內(nèi)外圈相對(duì)偏斜,造成了受力的不對(duì)稱性,從而使內(nèi)外圈接觸面端出現(xiàn)應(yīng)力集中,有研究表明,當(dāng)內(nèi)外圈相對(duì)偏斜角達(dá)到1.5°時(shí),其應(yīng)力值最大。應(yīng)力集中的出現(xiàn)可能增大了局部的接觸壓力,加劇自潤(rùn)滑材料的磨損,造成關(guān)節(jié)軸承的過(guò)早失效。此外,檢修發(fā)現(xiàn)的反弧門(mén)及其吊桿系統(tǒng)出現(xiàn)吊耳孔變形、聯(lián)門(mén)軸與吊耳孔的間隙變大,軸端檔板銹蝕、變形、失效,甚至聯(lián)門(mén)軸脫落,導(dǎo)槽磨損等問(wèn)題,可能也加速了軸承的損傷失效。

5 結(jié)論

通過(guò)船閘反弧門(mén)啟閉力檢測(cè)的方法得到了運(yùn)行近20 年的反弧門(mén)啟閉力曲線,分析了吊桿系統(tǒng)及自潤(rùn)滑軸承的實(shí)際運(yùn)行工況；結(jié)合軸承理論壽命計(jì)算及實(shí)際運(yùn)行工況,對(duì)自潤(rùn)滑軸承失效原因進(jìn)行了探討分析。免維護(hù)球面滑動(dòng)軸承長(zhǎng)期在高速水流條件下頻繁運(yùn)行,內(nèi)部、外部密封已老化失效,是軸承失效的重要原因；啟閉力幅度大、過(guò)載荷、吊桿系統(tǒng)振動(dòng)等運(yùn)行工況對(duì)軸承的疲勞壽命有著關(guān)鍵影響；鑒于軸承密封件是軸承在惡劣環(huán)境中正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件。建議在今后的檢修工作中進(jìn)行重點(diǎn)排查,并記錄歷次密封檢查（測(cè)）情況,找到可能的密封件失效點(diǎn)或周期,以達(dá)到指導(dǎo)運(yùn)行、維護(hù)的目的。