弹性金属塑料瓦在大型水电机组推力轴承中的试验研究

　　a.我国90年代初才开始研制开发，在1989-1993年期间，弹性金属塑料轴瓦在映秀湾、白山、盐锅峡、八盘峡、大化、葛洲坝等水电站机组投人试运行和运行，推力由1MN级到30MN级上了四个等级，基本取得了比较满意的运行效果，国内其它电站的一些老机组也希望改造，逐渐由弹性金属塑料瓦取代巴氏合金瓦。但是，由于弹塑瓦的瓦面材料为聚四氟乙烯塑料，其性能与原巴氏合金明显不同，一些设计参数和性能指标需要研究和确定，在润滑理论和制造技术等方面提出了很多新课题。目前，针对大型水电机组推力轴承应用弹塑瓦，已进行了一些润滑理论研究，这些工作为弹塑瓦的应用提供了理论指导。然而，在使用中有时也发生瓦温偏高、甚至烧瓦的情况。由于弹塑瓦的结构和工艺复杂，制造成本较高，为了提高现场装机运行的成功率，进行。氟塑料层厚一般为2~3mm，青铜丝为5mm左右，用以增大氟塑料复合层的弹性模量，减小总的变形值。氟塑料是无极性螺旋直铰链型的聚四乙烯聚合物结晶体，白色、无毒、无味，耐热250弋、不燃烧、不粘附、即使融化也不会与金属枯附，它与钢和巴氏合金的干摩擦系数分别为//=0.04-0.08和n=0.15~0.2，具有自润滑性，不受是否有润滑剂的影响，安装时不需涂动物油亦能盘车，它酎物候性好，自然老化期长达数十年之久。弹塑瓦除具有巴氏合金瓦的一些优点外，因其复合结构的特点，它还具有强的抗环境能力（即使润滑油中混人水分和灰尘仍能正常工作）以及均衡负荷和嗯收振动的能力。但是，氟塑料是绝缘体，虽对轴电流起到良好的绝缘作用，但是导热性能比钢和巴氏合金低99.4%，使瓦面的热量不容易传散。

　　（2）试验条件模拟试验在哈尔滨理工大学轴承。模拟试验台最大轴向推力为392kN，主轴最篼转速为1700i/rain.综合中、大型电站工作条件，模拟圆周速度选择为15.3m/s，瓦面工作负荷压力由3.0~8MPa变化，分别测试瓦温、油温和电机拖动电功率，瓦温以5、7、8处3点的平均值表示。

　　2模拟试验结果及分析（1）固定工况弹塑瓦的瓦温是在固定圆周速度i>= 15.3m/s、负荷压力p=5.4MPa的工况条件下，分别测得的巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦在油槽水冷却时的瓦温随时间的变化。由图可见，大约在40min后，两种瓦的瓦温都处于稳定不变状态，巴氏合金瓦的温度稳定在51.8，弹性金属塑料瓦则稳定在33.57，明显比巴氏合金瓦温低18.23.巴氏瓦和弹塑瓦的瓦温油温随时间的变化（2）不同负荷压力下拖动电机电功率拖动电机电功率反映了去掉空载时的损耗，近似于轴瓦负荷所产生的摩擦热损耗。为在圆周速度u.=15.3m/s、负荷压力由p=3.0~8MPa变化时，拖动电机电功率随负荷压力的变化。由图可见，无论在低负荷压力还是在高负荷压力，弹塑瓦的电功率均低于巴氏瓦，并且负荷压力越高差值越大，说明使用弹塑瓦具有较低的摩擦热损耗。当负荷压力为6MPa时，巴氏瓦拖动电机电功率增加到65kW，而当负荷压力为6.5MPa时，巴氏瓦的拖动电机电功率急剧增加到82kW；同时，巴氏瓦的瓦温也迅速升高到80尤，不得不中断试验。然而，在弹塑瓦的试验中，即使负荷压力增加到8.0MPa，拖动电机电功率也没有明显增加。此外，从的弹塑瓦在圆周速度u=15.3m/s、负荷压力P=8MPa试验条件下所测得的瓦温随时间的变化发现，经过40min以后，瓦温和油温曲线基本是24一条稳定不变的水平线，弹性金属塑料瓦的瓦温为40.95.这表明弹塑瓦在较高的负荷压力下仍能维持较好的工作性能，具有较低摩擦热损耗。

　　弹塑瓦的瓦温和油温随时间变化分析以上试验结果，可以得出在圆周线速度15.3m/S条件下，巴氏瓦的安全运行负荷不大于6MPi，而塑料瓦的安全运行负荷可以达到或高于8MPa，另外还发表弹塑瓦的瓦温始终低于巴氏瓦的瓦温，而使用弹塑瓦时油槽温度却略高于B氏瓦的油槽温度，如所示。此外，从下面水电站真机试验的结果几乎得到同样的结论。为何会产生弹塑瓦的瓦温偏低现象，这是一个值得深人研究的理论问铨。根据经典雷诺方程建立的润滑理论，在同样的工作条件、瓦块尺寸情况下，两种瓦块工作中发热量是相同的，而弹塑瓦的瓦面材料为聚四氟乙烯，其导热性很差，导热系数为。24W/mK，比一般金属小300多倍。在同样发热量条件下，弹塑瓦瓦面温度应比巴氏瓦高，这与试验结果相矛盾。这里引用近年来提出的边界滑移理论加以分析。该理论与经典润滑理论的不同点在于，假设聚四氟乙烯与润滑油的界面存在滑移，滑移使得镜板与弹塑瓦之间的润滑油的流量增大，从而抵消或降低了因弹塑瓦瓦体热传导小而产生的油膜温升，导致弹塑瓦瓦温偏低。另外，从油槽温度的测试结果也间接表明，在同样水冷却条件下，使用弹塑瓦导人油槽的润滑油温度略高于巴氏瓦的油温，说明摩擦区较多的热量被导出，使得弹塑瓦的油槽温度略高。除此之外，从的拖动电机电功率测试结果可知，弹塑瓦具有较低的摩擦损耗，这是因为聚四氟乙烯材料表面能低、不粘附、摩擦系数低、具有自润滑性使得弹塑瓦具有较低的摩擦转矩，产生较低的摩擦热，导致瓦温较低。

　　3工业试验及总结（1）工业试验结果为考察弹塑瓦的应用效果，本文分别制造了几套弹塑瓦进行装机试验。表1摘录了几个水电站将巴氏合金瓦改造成弹性金属塑料瓦的实际运行性能记录结果。由表1可见，无论在最低运行负荷3.2MPa，还是在最高运行负荷7.IMPa，弹性金属塑料瓦的瓦温比巴氏合金低12.6-22.9，这一真机试验结果证实了试验室模拟实验的正确性。

　　表1四电站弹性金塑料推力瓦工业试验结果电站名称映秀海白山盐锅峡八盘峡机组号3号卜5号7号1号发电机容童（跚）发电机型号水轮机型号推力负荷（kN）单位负荷（Mft）圆周速度巴氏瓦平温巴氏瓦平削1温（t）1料瓦平均M（t）（2）弹性金属塑料瓦应用总结根据上述试验结果和弹塑瓦的应用经验，弹塑瓦与传统应用了近百年的巴氏合金瓦相比具有如下优点：安装、检修时瓦面不需要刮研；盘车时瓦面不用涂抹动物油脂；取消篼压油顶起装置；启动时不受油箱内油的低温限制；允许在停机以后再起动的热工况起动；允许在10%额定转速以下制动，以致于允许惰性停机；允许较长时间不顶转子起动；一经装机以后，几乎不需要维修，缩短整机检修时间；简化了开机程序，适应快速起动、停机，使电网调峰调压更加机动灵活。

　　巴氏合金瓦改造成弹性金属塑料瓦以后，不仅实现了随时起机停机、安全可靠性高的目标，还使水电站有可能实现增容挖潜和非常情况的适应能力。例如白山发电厂五台300MW水轮发电机组，原巴氏推瓦负荷5.7MPa，经常因瓦温高而被迫停机；改造成弹性金属塑料瓦之后，尽管负荷增大到7.IMPa，但瓦温未增大，而且机组发电容量从300MW提高到330MW，相当于五台机增容150MW，如同新建一座150MW的发电站，每年为电网提供调峰电力1.5-2八盘峡水电站只有1号机组是由巴氏合金瓦改为弹性金属塑料瓦，2号国产机和3、4号瑞士进口机尚未改造。1995年8月中旬黄河上游洪水冲击时，致使全部水冷系统不能正常工作，结果2、3、4号机因瓦温过篼而被迫停机。只有1号机工作，塑料瓦温仅升到47.5，―直运行到洪峰过去。

　　4结论弹性金属塑料瓦不仅瓦温和油温较低，而且承载能力也超过了巴氏合金瓦，完全可以代替巴氏合金瓦在大型水电机组中应用。应用中取消了篼压油顶起装置，具有不需研瓦，盘车时不用润滑油，停机后即能热起动也能冷起动，允许低速制动和惰性停机等优点。由于弹塑瓦的耐高温、耐磨和优异的电绝缘性，在其它轴承系统中也具有广阔的应用前景。