主泵电机推力轴承用新型限位销结构*

付嵩，张金慧，李伟，王伟光

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150066)

*国家重大科技专项经费资助(2010ZX06001-013-14)；国家国际科技合作专项资助(2011DFB01660)



主泵电机推力轴承用新型限位销结构*

付嵩，张金慧，李伟，王伟光

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150066)

*国家重大科技专项经费资助(2010ZX06001-013-14)；国家国际科技合作专项资助(2011DFB01660)

摘要限位销是推力轴承中很重要的一个部件，它能够起到限制静止部件推力轴瓦随推力盘摆动的作用。论述了一种新型限位销的结构，即在不锈钢表面喷涂碳化钨增加限位销的耐磨性，通过试验对比，验证了表面喷涂工件具有与碳化钨工件同等的耐磨性及抗冲击性。而用表面喷涂工艺代替整体碳化钨结构，能够简化限位销的安装结构，减少了轴承结构件数量。

关键词水润滑推力轴承；磨损；表面喷涂；碳化钨

0引言

由于摩擦力的存在，当轴承运行时推力瓦会随推力盘运动，为限制推力瓦的运动，需要在推力瓦基和轴承座之间增加限位销。所以在轴承工作时，限位销与瓦基之间就会产生摩擦，这就要求限位销材料必需耐摩。而由于水润滑轴承运行环境的特殊性，适用于普通油润滑推力轴承的渗氮等表面硬化工艺在水中会生锈，该方式不再适用于水润滑轴承。所以必须开发一种适用于水润滑推力轴承的限位销结构，使其即耐磨又不会生锈。

1国内外解决方案

1.1国外解决方案

国外某公司对此问题的其中一种解决方案是采用碳化钨材料。其结构为销子采用碳化钨材料，而在瓦基上与销子接触的地方镶嵌一碳化钨插块，这样便可依靠碳化钨的耐磨性解决限位销的磨损问题。其结构见图1、图2。

由于碳化钨硬度较高，加工困难，所以为了将其与瓦基固定，在插块上增加了两块压板固定碳化钨插块，但是这样不仅增加了结构的复杂性，而且两压板为悬臂樑结构，也增加了结构的不稳定性。

1.2国内解决方案

目前提高材料耐磨性的方法有采用高耐磨材料、表面强化等方法。文中提到的国外即采用高耐磨材料，但是材料的表面硬度越高，材料的脆性也越大，所以该结构具有结构复杂、抗冲击性差的缺点。

为减化结构及增加限位销的抗冲击性，我们对该结构进行了优化。因此在设计限位销时采取了表面强化的方式，即在不锈钢表面喷涂碳化钨耐磨层[1]，如图3所示。

由图3可以看出，该结构易于加工，相对碳化钨结构减少了两个压板，使结构更简单，并且由于其基材为不锈钢，所以它的抗冲击性能也优于全碳化钨结构。

2试验测试

为证明该结构的可行性，我们对喷涂方案试制了样件并对其进行了一系列试验，并与碳化钨结构的试验结果进行了对比见图4。

2.1摩擦系数测试

采用水润滑摩擦磨损试验机测定表面喷涂碳化钨及整体碳化钨样件的摩擦系数随时间变化曲线。图5、图6、图7分别为表面喷涂碳化钨及整体碳化钨样件的摩擦系数的变化对比曲线。

由试验可以看出碳化钨喷涂试块与碳化钨硬质合金具有相近的摩擦系数。在水润滑条件下，随摩擦时间的增加，碳化钨硬质合金涂层经历短期的磨合阶段后，摩擦系数趋于稳定；在100N载荷下，碳化钨硬质合金涂层的平均摩擦系数为0.149，随载荷的增加，碳化钨硬质合金涂层的摩擦系数略有增大，在500N载荷下，平均摩擦系数达到0.176。碳化钨硬质合金涂层展现出与碳化钨硬质合金相似的摩擦学特性，可以得出碳化钨硬质合金涂层完全达到了硬质合金材料耐磨性能的结论。

2.2水润滑摩擦温度测试

在水润滑条件下，随摩擦时间的增加，碳化钨硬质合金涂层水介质温度逐渐增大；在100N载荷下碳化钨硬质合金涂层60min的摩擦磨损过程中，水介质温升为6.9℃，随着载荷增加，对磨副材料之间摩擦导致的水介质温升逐渐增大，在500N载荷下，水介质温升为24.5℃。碳化钨硬质合金涂层与碳化钨硬质合金在摩擦磨损过程中水介质温差基本相同，进一步验证了涂层具有与硬质合金材料相同的摩擦学特性。

2.3表面磨损形貌

采用扫描电镜观察试验后试件表面磨损形貌如图8、图9、图10、图11、图12、图13所示。

由图可见，经水润滑摩擦试验后，表面表现出磨粒磨损特征，存在较浅磨痕和轻微塑性变形，随载荷增加磨损加剧，磨痕深度逐渐加大，碳化钨硬质合金涂层表面表现出与碳化钨硬质合金表面相同的较轻磨粒磨损磨痕特征。

2.4磨损轮廓

推动轴承的磨损轮廓见图14。

图 14为在 200 N载荷下，碳化钨硬质合金涂层和碳化钨硬质合金的磨损轮廓对比。在 200 N载荷下摩擦试验后，碳化钨硬质合金涂层的磨损深度约为 4μm，碳化钨硬质合金的磨损深度略大，约为 6μm。这一结果再次验证了硬质合金涂层达到了硬质合金体材料的耐磨性能，甚至具有较好的减摩特性[2-3]。

2.5界面结合测试

图15为碳化钨硬质合金涂层与不锈钢基体界面 C扫描成像图。该图显示碳化钨硬质合金涂层与不锈钢基体间界面具有很低的回波幅值，说明涂层与基体界面形成了均匀良好的冶金结合。而图16中的碳化钨硬质合金涂层横截面金相照片也展示了碳化钨涂层与不锈钢基体具有良好的冶金结合界面。并且通过与图17中涂层表面金相对比，可以看出碳化钨硬质合金涂层平整致密、无微观缺陷。

因此，通过特殊表面喷涂技术，可以获得具有与不锈钢基体界面结合良好、致密的硬质合金涂层。而由于与不锈钢基体的复合，可以在保证表面耐磨性的前提下使得零部件具有更好的抗冲击性能。在后面的真机运行试验中也验证了该种结构的耐磨损及抗冲击性。

3试验件真机运行试验

为进一步验证新结构的性能，我们生产了一套试验件应用于真机试验。如图18所示为安装到试验瓦上的限位销插块。

试验件在水润滑推力轴承试验台模拟主泵实际工况进行了长时间试验。其中，由于其它原因，试验台在运转过程中出过几次大的事故，使得推力轴承在运转中出现几次较大的冲击，但由拆解后的图19照片可以看出，碳化钨硬质合金涂层表面仍然良好，无受冲击后脱落现象，这也证明了碳化钨硬质合金涂层除具有与碳化钨等同的耐磨性外，还具有比碳化钨更好的抗冲击性能。

4结语

经过对不锈钢表面喷涂碳化钨试验件的实验室对比试验及水润滑推力试验台的真机试验可知，碳化钨硬质合金涂层与碳化钨硬质合金具有相似的低摩擦系数，具有相似的磨损形貌和磨损机制，且涂层与不锈钢基体具有良好的冶金结合界面，可以保证限位销插块与限位销耐磨及抗冲击防护的使用要求。所以用不锈钢表面喷涂碳化钨的限位销结构代替碳化钨的限位销结构的方案是可行的，并且该结构能够减少推力轴承的结构件，增加推力轴承的可靠性。

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]CzichosH. 摩擦学-对摩擦润滑和磨损科学技术的形态分析[M].刘钟华等译.北京：机械工业出版社，1984.

[3]温诗铸，黄平.摩擦学原理.北京：清华大学出版社，2012.

New Structure of Thrust Bearing Spacer Pin for Reactor

Coolant Pump Motor

FuSong,ZhangJinhui,LiWei,andWangWeiguang

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

AbstractThe spacer pin is a very important part of thrust bearing, and it can limit swinging of thrust bearing bush with thrust disc. This paper describes structure of a new type of spacer pin i.e. spraying tungsten carbide on surface of stainless steel, it can increase abrasive resistance of spacer pin. By experimental comparison, it is verified that abrasive resistance and impact resistance of surface spraying workpiece are equivalent to tungsten carbide workpiece. Replacing integral tungsten carbide structure with surface spraying technology can simplify installation structure of spacer pin, thus decrease amount of bearing structure parts.

Key wordsWater-lubricated thrust bearing；abrasion；surface spraying；tungsten carbide

收稿日期：2015-11-01

作者简介：付嵩男1987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：TM303.5

文献标识码：B

文章编号：1008-7281(2016)01-0015-005

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.05