大推力水润滑轴承瓦面材料试验*

张金慧，李伟，王伟光，付嵩

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150066)



大推力水润滑轴承瓦面材料试验*

张金慧，李伟，王伟光，付嵩

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150066)

摘要大推力水润滑推力轴承是三代核电的核心部件，大推力水润滑推力轴承的关键是瓦面材料的选择。根据要求，选择了两种新的复合材料替代石墨材料，并从其机械性能、摩擦磨损等方面对该材料进行对比试验，验证了该种材料应用于水润滑推力轴承的可行性。

关键词摩擦磨损；冲击功；复合材料

国家重大科技专项经费资助(2010ZX06001-013-14)

0引言

对于水润滑推力轴承来说，关键是轴瓦摩擦副材料的选择。传统的水润滑轴承材料是石墨，石墨材料具有良好的自润滑性能，耐高温，耐辐照，在水润滑轴承中有着广泛的应用，但是石墨材料也有其局限性。石墨的抗冲击性较差，一般来讲石墨材料的冲击功只有2.5kJ/m2左右，这一点成为限制大推力水润滑轴承发展的制约因素。因为在主泵承受冲击或安装过程中轴瓦受到冲击的情况下，石墨瓦面表面有可能局部脱落，这时轴承在运行中，就有可能造成烧瓦事故，所以研究一种新的耐磨损、耐冲击的瓦面材料对提高大推力轴承的承载力乃至机组的安全运行都是至关重要的。

1材料选取

磨损是一个复杂的过程，影响磨损的因素很多，但从本质上讲，所有提高耐磨性的措施都是通过改善增强相与基体相的结合强度来实现的。从材料因素来看，主要的因素包括基体组织、增强颗粒、温度与热处理及制备方法等。其中颗粒增强相是影响复合材料的主要因素。复合材料之所以具有较高的耐磨性，关键就是增强颗粒的作用。树脂基复合材料的摩擦磨损性能很大程度上取决于填料，不同填料对聚合物摩擦磨损性能的提高程度是不同的，其提高机理也不相同[1]。

综上所述，并考虑摩擦系数及磨损量两个重要指标，我们选定了两种新的复合材料PEEK CA30及PEEK FC30作为研究的重点。其中PEEK CA30为30%碳纤维增强型PEEK，PEEK FC30为填加10%PTFE、10%石墨、10%碳纤维。纤维增强PEEK不仅可提高材料的力学性能，同时还可改善材料的摩擦学性能。这是因为当纤维增强PEEK复合材料在摩擦副表面滑动时，转移膜中的磨损炭纤维为基体碎屑可以减少与摩擦面的直接接触，从而可以减少接触压力和表面应力，同时由于摩擦界面温度较高，部分磨损炭纤维转化为石墨，使转移膜具有良好的润滑性能。因此增强后PEEK材料比纯PEEK材料具有更好的机械性能，更耐磨，具有更好的导热系数[2-3]。

表1　三种材料的物理性能

从表1中可以看出PEEK复合材料的冲击强度约为石墨材料的2倍，抗压及抗折等参数均优于石墨。为进一步验证PEEK复合材料的性能我们对PEEK进行了摩擦磨损试验。

2试验及测试

2.1　试验方法

摩擦磨损试验的结果能够反映材料的摩擦磨损性能，摩擦磨损试验方法直接影响到试验结果，为保证测得的试验数据能够接近实际工况，对摩擦磨损试验进行模拟实际工况试验，以便得到实际工况的摩擦磨损性能指标。

2.2　试验环境

对磨环：PEEK CA30及PEEK FC30

对磨：高铬钢

对磨环境：去离子水

施加载荷：50N、100N、200N

对磨时间：10h

对磨速度：2m/s

2.3　摩擦系数测试

摩擦系数表明了材料或摩擦副在摩擦过程中的运动阻力，摩擦系数的大小直接反映了材料的摩擦性能，但对于相同的材料摩擦系数并不是定值，它还与摩擦副表面状态、润滑介质、周围环境及工作参数有关[4]。图1~图3为在上述试验环境下测得的PEEK FC30及PEEK CA30的摩擦系数曲线。

图1　100N PEEK FC30与高铬钢

图2　200N PEEK FC30与高铬钢

图3　100N PEEK CA30与高铬钢

由图1、图2、图3曲线可见PEEK FC30与高铬钢在水润滑环境，100N载荷下摩擦系数约为0.08；在200N载荷下摩擦系数约为0.03，随载荷增加，摩擦系数降低。 PEEK CA30与PEEK FC30具有相似的摩擦系数曲线。

2.4　磨损测试

在摩擦磨损试验中，磨损量是评定材料的耐磨性，控制产品质量和研究磨损机理的一个重要指标，也是磨损试验方法的重要内容，表2列出PEEK FC30与PEEK CA30在2.2工况下的比磨损率。

表2　PEEK FC30及PEEK CA30试验结果对比

由表2可以看出PEEK FC30因含PTFE及石墨，所以摩擦系数要优于PEEK CA30，而PEEK CA30含30%的碳纤维，磨损率低于PEEK FC30，说明PEEK CA30更耐磨。

在摩擦磨损试验后，除了通过摩擦系数和磨损量评价其材料性能外，摩擦磨损表面微观分析也是评价材料摩擦学性能的重要手段。特别是以机理研究和新材料开发为目的的摩擦-磨损试验，试验后的表面微观形态可为揭示其磨损机理提供重要依据。采用扫描电镜观察试验后的PEEK FC30、PEEK CA30及其高铬钢对磨副的表面磨损形貌，如图4所示。

(a)PEEK FC300

(b)高铬钢

(c)PEEK CA30

(d)高铬钢

由图4可见磨损后表面PEEK塑性变形，并存在磨坑、磨平的碳纤维和粘着的PTFE片，表现为磨粒磨损和疲劳磨损，高铬钢表面存在明显划痕和粘着的PEEK磨屑，表现为磨粒磨损和粘着磨损。

由于本次试验主要测试了两种新材料的摩擦磨损性能，所以并没有测试石墨的摩擦系数，不过在以往的试验中，同等条件下石墨的摩擦系数为0.1~0.2。

3结语

由以上试验可以看出，PEEK FC30及PEEK CA30的摩擦磨损性能与石墨材料处于同一水平，而其抗冲击性能是石墨材料的2倍。因此PEEK FC30与PEEK CA30完全可以用于水润滑推力轴承的瓦面材料，而在大推力水润滑推力轴承中PEEK FC30及PEEK CA30复合材料更有优势。不过需要说明的是由于PEEK FC30中含有PTFE成分，其耐辐照性能较差，所以其不适用于主泵电机等有辐照的环境中；而PEEK CA30则耐辐照，它在水润滑推力轴承中的应用更加广泛。

参考文献

[1]刘佐民.摩擦学理论与设计.武汉：武汉理工大学出版社，2009.

[2]潘育松，熊党生.聚醚醚酮复合材料摩擦学性能研究现状.工程塑料应用，2006.

[3]贾均红，陈建敏，周惠娣，等.炭纤维增强聚醚醚酮复合材料在水润滑下的摩擦学行为.高分子材料科学与工程，2005.

[4]温诗铸，黄平.摩擦学原理.北京：清华大学出版社，2012.

[5]北京兆迪科技有限公司.ANSYS Workbench 14.0结构分析快速入门、进阶与精通[M].北京：电子工业出版社,2014.

[6]欧江.基于有限元的立式电机机座的瞬态响应分析[J].机械研究与应用,2006,19(5):42-43.

[7]毛文贵,李建华,傅彩明.立式电机机座的动态性能仿真研究[J].大电机技术,2010,(3):31-34.

Research on Bushing Surface Material of Large Thrust

Water-Lubricated Bearing

ZhangJinhui,LiWei,WangWeiguang,andFuSong

(Harbin Electric Power Equipment Co.,Ltd.,Harbin 150066, China)

AbstractLarge thrust water-lubricated bearing is the core component of the third generation nuclear power, and the key of it is the choice of bearing bushing materials. According to requirements, two kinds of new composite materials are selected to replace graphite material and comparatively experiment of them is carried out from aspects of mechanical property, friction and wear etc. The feasibility of them used in water-lubricated bearing is verified finally.

Key wordsFriction and wear；impact energy；composite material

收稿日期：2015-09-14

作者简介：张金慧男1978年生；毕业于哈尔滨理工大学电机专业，现从事大中型异步电机及轴承的设计工作.

中图分类号：TM304

文献标识码：B

文章编号：1008-7281(2015)06-0031-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.10