彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)過程實(shí)驗(yàn)研究[公開] by 潘菁菁[碩士]

1、中圖分類號(hào)： 單位代號(hào)：11903 密 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： SHANGHAI UNIVERSITYENGINEERING MASTERS THESIS題目彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)過程瞬態(tài)研究作 者 潘菁菁學(xué)科專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)及理論導(dǎo) 師 王小靜完成日期 2005年3月本論文經(jīng)答辯委員會(huì)全體委員審查, 確認(rèn)符合上海大學(xué)碩士學(xué)位論文質(zhì)量要求。答辯委員會(huì)簽名：主任：委員：導(dǎo) 師：答辯日期：原 創(chuàng) 性 聲 明本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確

2、的說明并表示了謝意。簽 名：_日 期_本論文使用授權(quán)說明本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。 （保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）簽 名：_ 導(dǎo)師簽名：_ _日期：_圖書分類號(hào)： 單位代碼：11903學(xué) 號(hào)：03720482上海大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)過程實(shí)驗(yàn)研究姓 名：潘菁菁導(dǎo) 師：王小靜時(shí) 間：2005年3月A Dissertation Submitted to Shanghai University for the Degree ofMaster in Engi

3、neeringThe experiment research of the Elasto-metal-plasticsthrust bearing during its starts-upM D Candidate ：Pan jingjingSupervisor ：Wang xiaojingMajor ：Science and Technology for Machine DesignShanghai University Mechanical Engineering & Automation CollegeFebruary 2005摘 要本文對(duì)彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)過程中的瞬態(tài)性能進(jìn)行了

4、試驗(yàn)研究，在國(guó)內(nèi)外推力軸承試驗(yàn)臺(tái)研究的基礎(chǔ)上，作者設(shè)計(jì)制造出一臺(tái)彈性金屬塑料瓦推力軸承試驗(yàn)裝置。設(shè)計(jì)了基于PC 機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡組建的信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和使用LABVIEW 開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的彈性金屬塑料瓦的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)。在該試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了彈性金屬塑料瓦推力軸承瞬態(tài)工況下的試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)過程中的潤(rùn)滑機(jī)理，并研究分析了彈性金屬塑料瓦在起動(dòng)過程中，聚四氟乙烯分子在鋼表面形成轉(zhuǎn)移膜的形成分布；對(duì)比了彈性金屬塑料瓦推力軸承與巴氏合金瓦推力軸承在瞬態(tài)工況下的性能差別，并得到了一些有意義的試驗(yàn)結(jié)果：通過彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)試驗(yàn)可知，升速時(shí)間越短，彈性金屬塑

5、料瓦的溫升越快，隨著升速時(shí)間的增加，溫度升高；油膜溫度隨載荷的增大而增大，油膜厚度隨載荷的增大而減小。通過加長(zhǎng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間試驗(yàn)可知，隨著主軸的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)不同升速時(shí)間對(duì)彈性金屬塑料瓦油膜溫度的影響很??；彈性金屬塑料瓦隨著主軸的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，聚四氟乙烯層減薄，瓦塊出油邊磨損量較多；通過彈性金屬塑料瓦推力軸承和巴氏合金瓦推力軸承的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，彈性金屬塑料瓦起動(dòng)初期溫升比巴氏合金瓦更快，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后彈性金屬塑料軸瓦的油膜溫度低于巴氏合金軸瓦。這是由于升速時(shí)，彈性金屬塑料瓦的瓦體導(dǎo)熱性差，油膜中的熱量難以及時(shí)傳出，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間加長(zhǎng)以后，由于彈性金屬塑料瓦軸瓦表面的滑移作用，增大了潤(rùn)滑油的流量，使得彈性金屬塑料瓦

6、的油膜溫度要低于金屬瓦的油膜溫度，而且載荷越大、轉(zhuǎn)速越高，兩者的油膜溫度差值越大，越顯示出彈性金屬塑料瓦的優(yōu)越性。 關(guān)鍵詞：彈性金屬塑料瓦 起動(dòng)過程 瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)研究 推力軸承本課題得到上海市高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展基金項(xiàng)目（NO.02AK19）“彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)過程瞬態(tài)熱流體研究”的資助ABSTRACTThis paper is aimed to research the experimental transient performance of the Elasto-metal-plastics (EMP thrust bearing during its start-up. The a

7、uthor designed and manufactured a test rig for this purpose. An EMP thrust bearings data acquisitions hardware based on the PC and a software based on LabVIEW was developed.A lot of EMP thrust bearing transient experiments had done on the test rig, The lubrication mechanics of the EMP thrust bearing

8、s start-up is studied and the behavior of the polytetrafluoroethylene(PTFE molecule distribution on the surface of the thrust collar is analyzed when the EMP thrust bearing starts up. The performance of the EMP thrust bearing is compared to that of the Babbitt metal thrust bearing in the transient s

9、tate operating conditions. Some significance results have been obtained from the experiments. It is found that the time of the raising speed is shorter, the increasing speed of the oil film temperature is faster; and the longer the raising speed time, the higher the oil film temperature is; the load

10、 is bigger, the oil film temperature is higher, and the oil film thickness is thinner. When the shaft rotating for a long time, the raising speed time has little effect on the oil film temperature. As the continuous rotating of the shaft, the thickness of the PTFE layer will be thinner, and the big

11、wear happens on the outlet side. Comparing the performance of the EMP thrust bearing to the Babbitt metal thrust bearing, in the first start up, the temperature of the EMP thrust bearing is higher than the Babbitt metal thrust bearing; as the rotating time is longer, the oil film temperature of the

12、EMP thrust bearing islower than that of Babbitt metal thrust bearing. That is because there is slipping in the surface of the EMP thrust bearing, which enlargs the oil flow; and the lager the load, the higher the rotating speed, the higher temperature difference between the two kinds of thrust beari

13、ngs, the more superiority of the EMPthrust bearing is.Keyword: EMP pad start-up transient research thrust bearing experimentSHANGHAI UNIVERSITY.1 摘 要.V ABSTRACT.VI第一章 緒 論.11.1引言.11.2國(guó)內(nèi)外巴氏合金瓦推力軸承實(shí)驗(yàn)研究概況.31.3國(guó)內(nèi)外彈性金屬塑料瓦的研究概況.51.4本論文的研究?jī)?nèi)容.8第二章 彈性金屬塑料瓦推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).102.1推力軸承工作原理簡(jiǎn)介.102.2實(shí)驗(yàn)推力軸承參數(shù)設(shè)計(jì).102.3實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)

14、構(gòu)設(shè)計(jì).13第三章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).183.1方案設(shè)計(jì).183.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件的選用.193.2.1傳感器的選擇.193.2.2數(shù)據(jù)采集卡的選擇.213.2.3電平轉(zhuǎn)換電路.233.3傳感器的標(biāo)定.263.3.1溫度傳感器的標(biāo)定.263.3.2位移傳感器的標(biāo)定.283.3.3. 力傳感器的標(biāo)定.283.4傳感器的測(cè)試方法.293.4.1 溫度傳感器的測(cè)試方法.293.4.2油膜厚度的測(cè)試方法.32第四章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).354.1開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介.354.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).364.2.1功能要求.364.2.2程序設(shè)計(jì).374.2.3工作流程.42第五章 巴氏合金瓦推力軸承

15、起動(dòng)過程實(shí)驗(yàn)研究.435.1不同升速時(shí)間巴氏合金瓦推力軸承性能變化實(shí)驗(yàn)研究.435.2加載過程中巴氏合金瓦推力軸承性能變化.475.2.1加載過程中巴氏合金瓦推力軸承溫度的變化.475.2.2加載過程中巴氏合金瓦推力軸承位移的變化.485.3 加長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間巴氏合金瓦推力軸承性能變化.495.4 本章小結(jié).51第六章 彈性金屬塑料瓦推力軸承的實(shí)驗(yàn)研究.526.1不同升速時(shí)間彈性金屬塑料瓦推力軸承性能變化實(shí)驗(yàn)研究.526.2加載過程中彈性金屬塑料瓦推力軸承性能變化.586.2.1加載過程中彈性金屬塑料瓦推力軸承溫度的變化.586.2.2加載過程中彈性金屬塑料瓦推力軸承位移的變化.616.3 加長(zhǎng)運(yùn)

16、轉(zhuǎn)時(shí)間彈性金屬塑料瓦推力軸承的性能變化.626.4 彈性金屬塑料瓦推力軸承進(jìn)油溫度不同的對(duì)比實(shí)驗(yàn).696.5 彈性金屬塑料瓦與鏡板間無預(yù)留間隙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究.706.6 彈性金屬塑料軸瓦與巴氏合金軸瓦的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究.726.6.1 彈性金屬塑料軸瓦與巴氏合金軸瓦的升速實(shí)驗(yàn)對(duì)比.726.6.2 彈性金屬塑料軸瓦與巴氏合金軸瓦的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)比.756.7 本章小結(jié).78第七章 總結(jié)與期望.807.1 總結(jié).807.2 期望.81參考文獻(xiàn).82攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文.88致 謝.89插圖清單.90表格清單.93第一章 緒 論1.1引言推力軸承是立式水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，推力瓦幾乎承受了機(jī)組轉(zhuǎn)

17、動(dòng)部分的全部重量（包括水推力），其性能直接關(guān)系到整臺(tái)機(jī)組能否正常運(yùn)行發(fā)電。長(zhǎng)期以來，在各大水輪發(fā)電機(jī)組上使用的推力軸承的瓦面材料大都用鎢金(亦稱巴氏合金，主要成分為錫、鉛、銅、銻 。隨著推力軸承負(fù)載的提高，推力瓦的幾何尺寸和工況要求也不斷提高，從而增加了瓦的彈性變形和熱變形，引起瓦面局部單位面積壓力過大，軸瓦與軸發(fā)生熱膨脹，油膜間隙減小直至油膜破壞，摩擦發(fā)熱而溫度過高，瓦面鎢金燒損，推力軸承發(fā)生故障，機(jī)組不能運(yùn)行，甚至造成起動(dòng)中燒瓦的惡性事故。前蘇聯(lián)19561975年的20年中發(fā)生300起推力軸承停機(jī)故障，我國(guó)烏江渡、龍羊峽、大化、葛洲壩、白山、漁子溪等電廠的大型水輪發(fā)電機(jī)鎢金瓦推力軸承曾發(fā)生

18、多次燒瓦故障。提高推力軸承運(yùn)行承載性能的主要途徑有：1改進(jìn)推力軸承的支承結(jié)構(gòu)和冷卻結(jié)構(gòu)。西方國(guó)家的水輪發(fā)電機(jī)制造廠家主要依靠開發(fā)多點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)，如小彈簧簇支承、橡膠板支承、多托盤支承、平衡梁支承及多點(diǎn)可調(diào)螺絲支承等1，以調(diào)整瓦的變形，利用多年積累的試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了大型推力軸承運(yùn)行的可靠性，因而西方國(guó)家的水電機(jī)組使用鎢金瓦推力軸承較多，不過現(xiàn)在對(duì)彈性金屬塑料瓦的研究也開始起步。我國(guó)和前蘇聯(lián)在大型推力軸承中采用的液壓彈性油箱支承結(jié)構(gòu)，尤其是我國(guó)采用的無支柱螺絲彈性油箱支承結(jié)構(gòu)能比較有效地減少鎢金瓦壓力變形。2采用瓦面新材料。我國(guó)和前蘇聯(lián)致力于采用新型軸瓦材料，以盡可能提高推力軸承的

19、綜合性能。彈性金屬塑料推力瓦是一種新型軸瓦材料，是用青銅合金彈簧絲有規(guī)則繞制的彈性墊基體與聚四氟乙烯板(或改性聚四氟乙烯板 組成的復(fù)合體，釬焊到鋼基瓦坯上而制成的，它不僅把聚四氟乙烯化學(xué)穩(wěn)定性及自潤(rùn)滑性和金屬青銅絲柔軟、彈性良好地結(jié)合起來，而且還賦予它以新的優(yōu)良的綜合特性。1974年，前蘇聯(lián)首次將彈性金屬塑料瓦推力軸承成功應(yīng)用于古比雪夫電站9號(hào)機(jī)組上2。同年底，伏爾加9號(hào)機(jī)組也采用了彈性金屬塑料瓦。1981年在布拉茨克電站的單機(jī)250MW 的一臺(tái)機(jī)上進(jìn)行了全性能實(shí)驗(yàn)，并獲得通過。1983年5月，布拉茨克全部機(jī)組換用了這種軸瓦。至1985年末，前蘇聯(lián)已經(jīng)在38座水電站的325臺(tái)機(jī)組上安裝了彈性金

20、屬塑料瓦，以代替巴氏合金瓦，獲得巨大成功，并取得了極大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。自九十年代初我國(guó)從前蘇聯(lián)引進(jìn)彈性金屬塑料瓦推力軸承以來，這種新型復(fù)合材料軸承在我國(guó)水電機(jī)組中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)已能自行生產(chǎn)，在國(guó)內(nèi)70以上的水電發(fā)電機(jī)組中已采用彈性金屬塑料瓦來取代傳統(tǒng)巴氏合金軸瓦。比如，湖南資興市波水電站原三臺(tái)臥式水輪發(fā)電機(jī)組采用傳統(tǒng)的巴氏合金瓦，于1993年12月相繼投入運(yùn)行3。由于制造廠家在機(jī)組設(shè)計(jì)、制造工藝上的缺陷，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行軸瓦溫度過高，特別是2號(hào)和3號(hào)機(jī)組尤為突出，為此不得不長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行。同時(shí)在正常運(yùn)行時(shí)，常發(fā)生機(jī)組燒瓦事故(瓦溫表指示59時(shí) 。在投運(yùn)幾年來(19931999年 ，由于燒瓦

21、事故造成的檢修次數(shù)為12次/月，從而造成電站檢修成本過高，檢修工期過長(zhǎng)，嚴(yán)重影響電站的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這一問題，電站于1999年11月對(duì)機(jī)組采用了彈性金屬塑料軸瓦。經(jīng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)使用彈性金屬塑料軸瓦后， 在相同工況下運(yùn)行時(shí)，瓦溫比原來降低約10，這樣使得軸瓦事故率大為下降。該塑料瓦與鏡板的摩擦系數(shù)僅為巴氏合金的35%50%，這不僅使盤車省事、省力，而且降低了推力軸承的磨損速度。且該塑料瓦不需研刮，從而減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了檢修工期。國(guó)外如北歐Fortum 公司也為大量電站安裝了彈性金屬塑料瓦軸承4，經(jīng)過運(yùn)行使用，同樣認(rèn)為使用彈性金屬塑料瓦的軸承，其工作性能遠(yuǎn)好于普通巴氏合金瓦軸承。大

22、量樣機(jī)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，彈性金屬塑料瓦推力軸承與巴氏合金瓦推力軸承由于軸瓦材料、結(jié)構(gòu)的不同，前者在各項(xiàng)潤(rùn)滑性能上都顯示出明顯的優(yōu)越性5-8。彈性金屬塑料復(fù)合材料軸瓦的一些摩擦學(xué)特性保證該種軸承優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。彈性金屬塑料瓦表面的氟塑料，干摩擦系數(shù)是已知固體工程材料中最低的、其油潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)更低，自潤(rùn)滑性非常好。氟塑料與鋼對(duì)摩時(shí)，其分子會(huì)在鋼表面形成一層轉(zhuǎn)移膜。瓦表面能形成微凹變形自動(dòng)起到類似金屬瓦表面人工挑花的作用，有利于形成微儲(chǔ)油坑，這對(duì)于低速重載軸承安全起停尤為重要。由于彈性較好，該種軸承能吸收外因素（例如水力不平衡、振動(dòng)、擺動(dòng)等）脈動(dòng)負(fù)荷對(duì)軸承的危害。這些特性使彈性金屬塑料瓦的

23、起動(dòng)功率和制動(dòng)功率大大降低，在安裝和檢修時(shí)不需要刮瓦和研瓦，不需要高壓頂起裝置，節(jié)省了時(shí)間，也降低了修理費(fèi)用。用塑料瓦椎力軸承的機(jī)組起動(dòng)力矩較小、盤車力矩較小、不制動(dòng)的惰性停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)。已有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在氟塑料與潤(rùn)滑油界面上存在滑移現(xiàn)象9-10，滑移的存在使彈性金屬塑料瓦的油膜溫度下降、承載力提高、摩擦功耗減小。低油溫油膜厚又保證了彈性金屬塑料瓦推力軸承具備更高負(fù)荷能力。然而，與該種性能優(yōu)越的新型軸承的廣泛應(yīng)用形成鮮明對(duì)比的是彈性金屬塑料瓦推力軸承的研究嚴(yán)重滯后，其潤(rùn)滑機(jī)理還未得以真正揭示，尤其是彈性金屬塑料瓦起動(dòng)過程中的瞬態(tài)性能變化還未得以掌握。缺乏研究基礎(chǔ)的工程應(yīng)用必將帶來重大事故隱患。葛洲

24、壩、大化等電站在機(jī)組起動(dòng)過程中已發(fā)生彈性金屬塑料瓦燒瓦的惡性事故，黃河小浪底水利樞紐則發(fā)生起動(dòng)時(shí)由彈性金屬塑料瓦引發(fā)的機(jī)組振動(dòng)事故11。對(duì)于彈性金屬塑料瓦的研究遠(yuǎn)沒有金屬瓦成熟，對(duì)其承載機(jī)理研究尚待深化。因此，研究彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)性能變化十分重要。據(jù)作者調(diào)研，有關(guān)彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)時(shí)瞬態(tài)性能變化的實(shí)驗(yàn)研究未見報(bào)道。因此，該項(xiàng)研究急待開展。本課題即以彈性金屬塑料瓦推力軸承為研究對(duì)象開展其起動(dòng)過程瞬態(tài)性能實(shí)驗(yàn)研究。1.2國(guó)內(nèi)外巴氏合金瓦推力軸承實(shí)驗(yàn)研究概況在國(guó)內(nèi)外，已有許多廠家和學(xué)者對(duì)巴氏合金瓦推力軸承進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究12-22。 1986年，東方電機(jī)廠建成了1000t 推

25、力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)23。1000t 推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)是在國(guó)家“七五”期間建造的大型推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)為立式結(jié)構(gòu)，主要由主體部分、液靜壓傳動(dòng)與供油系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測(cè)與處理系統(tǒng)、電力拖動(dòng)與電氣控制系統(tǒng)等四部分組成。至1989年11月，在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上巳完成了球面“點(diǎn)”支撐和單托盤支撐結(jié)構(gòu)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲得近16萬個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果為推力軸承的理論計(jì)算提供了邊界條件和驗(yàn)證資料。哈爾濱大電機(jī)研究所24在九十年代初期研制了3000t 推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)。從1995開始到1997年，哈爾濱大電機(jī)研究所在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成了6000 t級(jí)彈性金屬塑料瓦推力軸承的實(shí)驗(yàn)研究25，取得大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為大型水電機(jī)

26、組推力軸承(包括三峽機(jī)組推力軸承 的設(shè)計(jì)制造提供了技術(shù)儲(chǔ)備。哈爾濱理工大學(xué)26于1998年利用光干涉法建立了微型推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有可視性，可直接觀察軸承在過載時(shí)油膜破裂的過程。應(yīng)用光干涉法，通過顯微鏡觀察或利用攝像機(jī)拍照，可得到清晰的明暗條紋圖像，直觀地得到整個(gè)軸瓦上的油膜形狀及軸瓦變形，包括機(jī)械變形及熱變形，對(duì)其分析可得到穩(wěn)定工作狀態(tài)下整個(gè)軸瓦上的油膜厚度變化場(chǎng)。指出當(dāng)某些工況參數(shù)改變時(shí)，如外載的增加，轉(zhuǎn)速的降低，溫度的升高，粘度的下降，甚至在不完全液體潤(rùn)滑狀態(tài)下，均可能導(dǎo)至油膜破裂。微型推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)由于具有可視性，可直接觀察這一油膜破裂的整個(gè)過程。哈爾濱理工大學(xué)27并于2000

27、年建立了可視推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)模擬哈爾濱大電機(jī)研究所30MN 推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)為基本原則，使模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)與30MN 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有現(xiàn)實(shí)的可比較性及有進(jìn)行相似分析的基礎(chǔ)，同時(shí)還考慮了與測(cè)試方案相協(xié)調(diào)的有關(guān)結(jié)構(gòu)。關(guān)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加載，因采用可視結(jié)構(gòu)，而且要有足夠大的視域，因此受到有關(guān)部件強(qiáng)度和剛度要求的限制，只考慮加小量(可調(diào) 推力負(fù)荷。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)油槽的局部及其他有關(guān)零件使用耐熱有機(jī)玻璃制作，所以可以用肉眼來觀察油槽內(nèi)流體的流動(dòng)狀況，還可以用激光測(cè)速。研究油槽中油的流態(tài)，對(duì)推力軸承潤(rùn)滑參數(shù)的計(jì)算，特別是溫度場(chǎng)的計(jì)算提供可靠的邊界條件。哈爾濱電工學(xué)院28-29建立了小型推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，

28、該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加載最高可以達(dá)到390KN 。實(shí)驗(yàn)臺(tái)可用于立式滑動(dòng)軸承的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)小型推力軸承可以進(jìn)行原型實(shí)驗(yàn)，對(duì)大，中型軸承可進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。西安交通大學(xué)30-31建立了模擬推力實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用臥式單跨雙支撐轉(zhuǎn)子定位，采用高壓油作用在推力盤上來施加軸向載荷。他們進(jìn)行了可傾瓦推力軸承起動(dòng)過程瞬態(tài)熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究了可傾瓦推力軸承在23005100r min 的名義轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時(shí)，空載快速起動(dòng)及慢速起動(dòng)過程中推力軸承油膜溫度和油膜厚度的瞬態(tài)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，在起動(dòng)過程中，油膜溫度隨轉(zhuǎn)速的提高而升高，不同的升速時(shí)間對(duì)油膜溫度的影響也不同，油膜的厚度也隨轉(zhuǎn)速的提高而升高。法國(guó)de Poitie

29、rs大學(xué)32建立的推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，用來測(cè)推力軸承的熱效應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)較小，載荷在1KN 到8KN 之間，是通過絲杠螺母來加載的。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由一根精確的主軸，負(fù)載系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)軸承組成。主軸由4KW 可變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，推力軸承的加載由安置在設(shè)備頂部的螺母螺釘組成的手動(dòng)系統(tǒng)完成。為了保證鏡板和推力環(huán)之間的嚴(yán)格對(duì)中，放置了一個(gè)球形樞軸來把推力主軸和固定片分開。1.3國(guó)內(nèi)外彈性金屬塑料瓦的研究概況自從1974年彈性金屬塑料瓦推力軸承首次成功地應(yīng)用于前蘇聯(lián)古比雪夫電站9號(hào)電站上，對(duì)復(fù)合材料在軸承中的應(yīng)用日益成為軸承領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)。我國(guó)從1991年開始從前蘇聯(lián)陸續(xù)進(jìn)口彈性金屬塑料瓦，到1997年底，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)

30、已進(jìn)口60余臺(tái)套32。國(guó)內(nèi)開展了很多關(guān)于彈性金屬塑料瓦推力軸承實(shí)驗(yàn)應(yīng)用及工藝和構(gòu)造等方面的研究34-48，以模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量為主。這些成果都表明塑料瓦的使用明顯地避免了一些大機(jī)組推力瓦燒損事故的發(fā)生，提高了機(jī)組的運(yùn)行可靠性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)很多單位如上海大學(xué)、哈爾濱大電機(jī)研究所、大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)等開始了采用計(jì)算機(jī)數(shù)值分析的方法對(duì)彈性金屬塑料瓦推力軸承進(jìn)行流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的研究。1993年，上海大學(xué)鄭水榮50對(duì)大型可傾彈性金屬塑料瓦推力軸承的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論進(jìn)行了分析。計(jì)算模型包括雷諾方程、油膜能量方程、潤(rùn)滑介質(zhì)的粘溫關(guān)系方程以及軸瓦的變形方程。其中應(yīng)用有限

31、元方法求解了雷諾方程和軸瓦變形，有限差分法求解了能量方程。著重考慮了壓力場(chǎng)下軸瓦的彈性變形，對(duì)球面支承、巴氏合金涂覆層和托盤支承、彈性金屬塑料涂覆層兩種推力軸承進(jìn)行了軸瓦變形計(jì)算。通過仿真發(fā)現(xiàn)在輕載工況下，兩種軸承壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布情況基本類似，但在重載工況下彈性金屬塑料瓦推力軸承將失去承載能力。這主要是由于彈性金屬塑料層的壓縮變形而造成的。由于其變形，使得軸瓦產(chǎn)生凹凸畸變，從而在軸瓦局部區(qū)域出現(xiàn)發(fā)散性油楔，不能形成良好的動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜，軸承不能承載，產(chǎn)生干摩擦。軸瓦溫度場(chǎng)分布很不規(guī)則，特別是中間溫度的周向分布出現(xiàn)局部低谷，并且入口溫度與出口溫度很相近，這也說明軸瓦表面出現(xiàn)畸變，同時(shí)局部區(qū)域與鏡

32、板表面發(fā)生了干摩擦。1995年，上海大學(xué)汪巖松51在能量方程中加入了傳導(dǎo)項(xiàng)，并且全部采用有限元方法聯(lián)立求解可傾式彈性金屬塑料瓦推力軸承的數(shù)學(xué)模型，給出了詳細(xì)的有限元求解方程的構(gòu)造及邊界條件的引入。文中通過對(duì)軸瓦變形情況的詳細(xì)分析，對(duì)軸瓦初始型面進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究，設(shè)計(jì)了五種不同的初始型面，周向中間部分（高壓區(qū)）適當(dāng)凸起。文中首次提出了彈性金屬塑料瓦表面油膜存在滑移的假設(shè)，即該處油膜速度不為零。通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)計(jì)入滑移后，油膜溫升大約降低10%。1995年，大連理工大學(xué)馬震岳等人52也對(duì)可傾瓦支承式彈性金屬塑料瓦推力軸承進(jìn)行了TEHD 分析。理論研究成果也驗(yàn)證了彈性金屬塑料瓦的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鎢

33、金瓦。1996年，武中德53也對(duì)大型水電機(jī)組彈性金屬塑料瓦推力軸承的熱彈流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能進(jìn)行了研究。文中采用二維模型，忽略油膜厚度方向的溫度變化。溫度場(chǎng)的求解內(nèi)、外徑邊界處為絕熱邊界，考慮了軸瓦熱彈變形對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響。通過對(duì)四套塑料瓦推力軸承的仿真計(jì)算，總體認(rèn)為彈性金屬塑料瓦推力軸承工作性能優(yōu)異，其瓦體溫度比瓦面溫度低很多，比同樣的鎢金瓦瓦體溫度也低很多，且溫差小，分布較均勻；與同樣的鎢金瓦相比，油膜峰值壓力降低，最小油膜厚度增大，油膜厚度分布區(qū)域均勻。由于材料性質(zhì)的特殊性，軸瓦表面的變形也比鎢金瓦要復(fù)雜。1997年，上海大學(xué)王小靜54對(duì)彈簧支承式彈性金屬塑料瓦推力軸承進(jìn)行了三維熱彈流分

34、析。聯(lián)立求解了廣義雷諾方程、完整的三維能量方程和軸瓦熱傳導(dǎo)方程、軸瓦熱彈變形方程、油膜厚度方程以及溫粘關(guān)系。軸瓦溫度場(chǎng)由拉普拉斯方程確立，與油槽中冷油接觸面的邊界條件為固體與液體間的對(duì)流換熱。雷諾方程、能量方程、熱傳導(dǎo)方程均采用有限差分法進(jìn)行求解，而固體的熱彈變形方程使用有限元方法求解。其模型仿真結(jié)果與國(guó)外文獻(xiàn)和葛洲壩12.5萬千瓦機(jī)組扇形可傾瓦推力軸承實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均吻合較好。在前述上海大學(xué)汪巖松論文中提出了彈性金屬塑料瓦表面潤(rùn)滑油膜可能存在滑移現(xiàn)象，但沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為此王小靜設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證界面滑移現(xiàn)象，用鋼材料圓盤和聚四氟乙烯材料圓盤進(jìn)行對(duì)比，觀察滑移是否存在。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)達(dá)到一定工況條

35、件后，由聚四氟乙烯材料圓盤測(cè)得的油膜剪切力矩，明顯小于相同情況下鋼材料圓盤測(cè)得的油膜剪切力矩，從而證明了在聚四氟乙烯與潤(rùn)滑油界面間的滑移假設(shè)的成立，并提出了初步的滑移速度數(shù)學(xué)模型。計(jì)入滑移效應(yīng)后，論文進(jìn)行了彈簧支承式彈性金屬塑料瓦推力軸承的TEHD 分析。計(jì)入滑移效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與不計(jì)入滑移的計(jì)算結(jié)果相比較，兩者的性能分布曲線基本類似，前者的油膜壓力略大，膜厚較小，變形略大，摩擦力減小，最為明顯的是油膜溫度和軸瓦溫度的下降，前者最高油膜溫度為37.4，后者為38.4。油膜溫度的下降使軸瓦溫度也相應(yīng)下降。在軸瓦與潤(rùn)滑油界面上的滑移現(xiàn)象能使流量有所增大，摩擦力相應(yīng)減小，從而使油膜溫度降低。與普通金屬

36、瓦推力軸承的比較發(fā)現(xiàn)，彈性金屬塑料瓦的油膜壓力略小，其峰值偏向出油邊，普通金屬瓦的油膜厚度較厚而變形較小，并且其油膜溫度略高于彈性金屬塑料瓦，普通金屬瓦的軸瓦溫度比彈性近似塑料瓦要高許多。計(jì)入滑移后的計(jì)算結(jié)果，與大化電廠單機(jī)100MW 發(fā)電機(jī)組彈性金屬塑料瓦推力軸承的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。西安交通大學(xué)采用細(xì)長(zhǎng)管流阻對(duì)比測(cè)試方法，也證實(shí)了聚四氟乙烯邊界滑移現(xiàn)象。此外還有針對(duì)彈性金屬塑料瓦材料性能方面的研究。西安交通大學(xué)徐華等55通過對(duì)由聚四氟乙烯塑料和青銅絲彈簧所組成的復(fù)合材料軸瓦的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析，建立了反映復(fù)合材料軸瓦的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的材料松弛模量矩陣。比較了普通聚四氟乙烯材料和經(jīng)過壓

37、縮強(qiáng)化的聚四氟乙烯材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化后的聚四氟乙烯塑料的粘滯性效應(yīng)有所減弱，而模量要高于未強(qiáng)化時(shí)的一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，更適合彈性金屬塑料瓦的要求。文中還測(cè)出了該軸承復(fù)合材料彈性模量隨溫度和頻率變化的曲線，這為進(jìn)行熱彈流數(shù)值模擬提供了必要的材料參數(shù)。呂新廣等56-57對(duì)彈性金屬塑料瓦的導(dǎo)熱性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。按照文中的尺寸參數(shù)，當(dāng)工作表面溫度相同時(shí)，通過單位面積的巴氏合金瓦表面的熱流量比通過彈性金屬塑料瓦瓦面的熱流量要高出10倍左右，所以彈性金屬塑料瓦的鋼基溫度相應(yīng)地要比巴氏合金瓦的低很多。李永海等58實(shí)驗(yàn)測(cè)試了彈性金屬塑料瓦常溫下的壓縮彈性模量。發(fā)現(xiàn)彈性復(fù)合層的力與變形的關(guān)系呈非線性，關(guān)系曲

38、線上各點(diǎn)斜率不同，即各點(diǎn)的彈性模量不等。實(shí)驗(yàn)證明無論是計(jì)算彈性模量，還是理論彈性模量，彈性金屬塑料瓦的值均高于彈性復(fù)合層的值，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)采用彈性復(fù)合層的彈性模量，其值大小并不象金屬材料那樣為常數(shù)，而是隨壓力增大而逐漸增大，且瓦內(nèi)各部分材料結(jié)構(gòu)的不均勻性將導(dǎo)致瓦面各點(diǎn)的剛度有一定的差別。其后作者又考察了溫度對(duì)彈性模量的影響59。在低于45時(shí)，溫度對(duì)彈性模量的影響較??；高于45后，溫度對(duì)彈性模量的影響很大，隨著溫度的升高彈性模量降低較快。Markin 60采用有限元分析軟件，對(duì)球支承和彈簧支承推力軸承進(jìn)行了潤(rùn)滑特性分析。文章最后也對(duì)采用聚四氟乙烯材料涂層表面的軸瓦進(jìn)行了研究61-64。國(guó)外有關(guān)聚

39、四氟乙烯表面涂層軸承的研究還很多，但是他們所采用的僅僅是在軸瓦表面涂覆聚四氟乙烯材料，這類軸承只能用于輕載荷工況下，與彈性金屬塑料瓦軸承結(jié)構(gòu)還是有很大區(qū)別的。據(jù)作者所查，在國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道上未找到有關(guān)彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)過程瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道。在上海市教委基金資助下，本論文開展了該方面的研究。1.4本論文的研究?jī)?nèi)容彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)過程中的瞬態(tài)性能對(duì)機(jī)組的影響巨大，其瞬態(tài)性能和承載機(jī)理有待探索，除了理論和數(shù)值分析研究之外，十分必要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以便為理論分析提供依據(jù)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：1、參照國(guó)內(nèi)外推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)按照實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)各部件分別進(jìn)行強(qiáng)度

40、校核和安全校核后制造安裝出彈性金屬塑料瓦推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部分。2、根據(jù)實(shí)際參數(shù)測(cè)試需要，設(shè)計(jì)安裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括基于PC 機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡組建的信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和使用LabVIEW 開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的彈性金屬塑料瓦的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，以保證軸承性能參數(shù)的及時(shí)采集處理。3、實(shí)驗(yàn)臺(tái)和整個(gè)采集系統(tǒng)的安裝調(diào)試。4、進(jìn)行巴氏合金瓦推力軸承穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的實(shí)驗(yàn)研究。5、進(jìn)行彈性金屬塑料瓦推力軸承穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)分析彈性金屬塑料瓦推力軸承起動(dòng)過程中的潤(rùn)滑機(jī)理，并研究分析彈性金屬塑料瓦在起動(dòng)過程中，氟塑料分子在鋼表面形成的轉(zhuǎn)移膜的形成分布。6、比較兩種軸瓦的潤(rùn)滑性能，

41、為彈性金屬塑料瓦推力軸承的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供指導(dǎo)。上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 彈性金屬塑料瓦推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二章 彈性金屬塑料瓦推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1推力軸承工作原理簡(jiǎn)介流體動(dòng)壓潤(rùn)滑推力軸承主要用于各類透平旋轉(zhuǎn)機(jī)械，例如水輪發(fā)電機(jī)組、火力發(fā)電機(jī)組、立式風(fēng)扇和泵、大型蒸汽和燃?xì)馔钙揭约按巴七M(jìn)器等。推力軸承的工作原理：可參考圖2-1。當(dāng)推力環(huán)4沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因受油膜動(dòng)壓的作用而壓于推力塊2上，由于其壓力中心與其背面偏心位置的頂頭1的支點(diǎn)中心不重合，摩擦面間的油膜合力與外力形成力偶，使推力塊逐漸傾斜，壓力中心向支點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)油膜力與外力平衡時(shí)，推力塊便保持一定的傾斜位置，推力環(huán)將潤(rùn)

42、滑油帶入這個(gè)環(huán)與塊的傾斜空間，形成了楔形油膜，并實(shí)現(xiàn)了流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。 圖2-1 推力軸承的工作原理示意圖 （1-頂頭 2-推力軸瓦 3-軸承外殼 4-推力環(huán)）2.2實(shí)驗(yàn)推力軸承參數(shù)設(shè)計(jì)滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)是在有限的給定條件下，確定全部軸承參數(shù)及性能；這些參數(shù)相當(dāng)多，例如：幾何參數(shù)、工況參數(shù)、潤(rùn)滑劑與潤(rùn)滑裝置參數(shù)、溫度參數(shù)、軸成材料、運(yùn)轉(zhuǎn)特性參數(shù)等等。軸承設(shè)計(jì)參數(shù)主要有 ：1. 幾何參數(shù)：包括各種尺寸例如直徑、寬度、長(zhǎng)度、間隙等以及結(jié)構(gòu)參數(shù)如瓦塊數(shù)、支點(diǎn)位置等；2. 工況參數(shù)：載荷(大小、方向特性等 和兩表面的運(yùn)動(dòng)特性（如轉(zhuǎn)速）；3. 潤(rùn)滑劑及供油參數(shù)：包括潤(rùn)滑劑的品種、特性（特別是粘度、粘溫指數(shù)、粘壓指數(shù)等）以及供油壓力、流量和油路各部分尺寸；4. 熱流動(dòng)狀況參數(shù)：包括功耗、散熱量、油膜平均溫度、進(jìn)油溫度、出油溫度等；5. 軸承材料參數(shù)：材料的物理、力學(xué)性能、熱處理性能；6. 工藝與安裝參數(shù)：包括表面微觀幾何形貌(例如波度、表面粗糙度等 以及加工公差、安裝公差等；7. 運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)：包括最小油膜厚度及其極限值、 最大油膜壓力及其極限值等。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要滿足上述參數(shù)要求以外，彈性金屬塑料瓦推力軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)還應(yīng)滿足和適應(yīng)多種工況及運(yùn)行參數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)的要求，例如：轉(zhuǎn)速可調(diào)、載荷可調(diào)、油品可變、支承方式及瓦塊數(shù)可變、軸瓦的型面可變等，同時(shí)還可以在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行彈性金屬塑料瓦推力軸