船舶推力轴承弹性金属塑料瓦应用试验研究

李全超，俞 强

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

0 引 言

推力轴承是船舶推进系统的重要组成部分，其功能是传递轴系推力，使船舶获得动力。船舶推进系统中广泛采用动压润滑式推力轴承，推力瓦是其关键推力承受部件，其承担了旋转轴系推力传递至静止结构的所有载荷，推力瓦承载性能对推力轴承功能指标至关重要。

随着对船舶产品设计精细化程度的逐步深入，对设备进行小型化设计，控制和缩小设备尺寸，减轻船舶总体布置负担是设备研究方向之一。因此，在一定结构尺寸约束下, 要使推力轴承能承受更大推力载荷，提高推力瓦块的平均单位压力（即比压）将成为必然的选择之一[1]。

船用推力轴承常用推力瓦为钢制金属瓦上浇铸轴承合金（巴氏合金），该材料弹性模量和弹性极限都很低，嵌入性和摩擦顺应性好，易与轴磨合，不易发生咬粘。但该材料承载能力较差，常规推力轴承设计中许用比压一般仅为约2MPa，这使得推力轴承设计尺寸重量较为庞大，制约了船舶总体布置和重量控制。

弹性金属塑料瓦（EMP瓦）是一种新型复合材料推力瓦，其轴瓦表面是一层聚四氟乙烯材料。聚四氟乙烯是目前固体材料中摩擦系数最小的一种，具有十分优异的减摩性、自润滑性和跑合性。弹性金属塑料瓦具有极高的耐磨损性能和优异机械性能。在润滑不充分的条件下, 金属塑料摩擦副一般不会产生高温、胶合等烧瓦现象[2]。

弹性金属塑料瓦的研究最早始于1969年，是苏联为解决大中型水力发电机机组推力轴承多发事故而发明的高科技成果, 1970年俄罗斯古比雪夫航空学院研制成功了弹性金属塑料瓦。我国于1989年开始，为解决国产巴氏合金瓦推力轴承在一些电站运行中的问题, 而从苏联引进了弹性金属塑料瓦推力轴承，而后开始自主创新，研制国产弹性金属塑料瓦。目前，弹性金属塑料瓦已在我国水轮机、大型电机、大型高速齿轮箱等领域的推力轴承上得到广泛的应用[3]。

本文对应用弹性金属塑料瓦的船舶轴系主推力轴承进行试验研究，测试该弹性金属塑料瓦在船舶轴系典型环境下的使用性能，研究该推力瓦在船舶推力轴承使用环境下适应能力，为弹性金属塑料瓦的推广应用提供技术参考经验。

1 金属塑料推力瓦材料与结构

本文选用了一种水轮发电机行业成熟应用的改良型金属塑料材料作为船舶推力轴承弹性金属塑料瓦表面材料，该材料采用高强度合成纤维和高耐磨特种工程塑料增强改性聚四氟乙烯, 具有极高的耐磨损性能和优异机械性能，适合特大型、巨型水电机组推力轴承及巨型减速机推力轴承，先后应用于多型水电机组和推力轴承上[4]，其与传统巴氏合金的性能指标对比情况如表1所示。

表 1 两种瓦面材料性能参数对照表Tab. 1 Two kinds of material parameter table

弹性金属塑料瓦结构如图1所示，金属塑料材料瓦面通过钎焊工艺与钢基体进行压制而成，从上至下共由4层材料构成。

图 1 弹性金属塑料瓦剖面示意图Fig. 1 Schematic diagram of elastic-metal-plastic pad

2 推力轴承设计

在稳定工况下，推力轴承油膜压力分布计算采用有限宽度滑动表面的雷诺微分方程进行数值求解来实现[4]：

式中：p，μ，h，ω分别为流体的压力、粘度、膜厚和角速度；r和θ为极坐标元素。

基于以上理论对某船舶推力轴承进行设计，设计结果如表2所示。

表 2 推力轴承设计参数表Tab. 2 Design parameters of thrust bearing

3 推力轴承实验台设计

3.1 实验台组成

将推力轴承样机安装在某推力轴承专用实验台上，进行试验研究。实验台架布置如图2所示，主要由电机、减速箱、弹性联轴节、推力轴承、中间轴承、中间轴、加载装置等部件构成。实验台旋转由电机驱动，推力轴承承载的推力由加载装置模拟。

图 2 推力轴承实验台示意图Fig. 2 Schematic diagram of thrust bearing test-bed

实验台的主要参数设计如下：

1）推力负荷范围0～500 kN；

2）主轴的转速范围0～300 r/min；

3）润滑方式为强制润滑；

4）润滑油为N68 GB 11120-1989；

5）电机功率100 kW。

3.2 实验台测试参数

推力轴承实验台主要测试参数有：实验台转速、推力、推力轴承滑油进出口温度、滑油流量，推力盘面温度、推力瓦温度等。其中实验台转速通过转速表获取，推力通过推力加载装置力传感器获取，滑油进出口温度通过管路上设置温度传感器获取，推力盘面、推力瓦温度则通过在推力轴承内部安装专用温度传感器和测试系统采集。

推力盘面温度采集方式如图3所示。在推力正车端推力盘面上加工若干个环形沟槽，在槽内嵌入若干应变片传感器，采集推力盘面的温度参数，并通过数据线接入推力轴中心孔之中，采用激光方式将数据传输至端面数据接收装置。

图 3 推力盘面传感器测点示意图Fig. 3 Schematic diagram of sensor on thrust plate

推力瓦温度采集设置了2种方式：1）在推力瓦钢瓦基背面加工若干带螺纹盲孔，内置若干小型热电偶温度传感器，传感器探头距推力瓦钎焊层约1～2 mm；2）推力瓦钢瓦基表面预埋若干光纤光栅温度传感器。2种温度传感器布置形式如图4和图5所示。

图 4 热电阻温度传感器测点示意图Fig. 4 Schematic diagram of thermocouple sensor on elastic-metal-plastic pad

图 5 光纤光栅分布式传感器测点示意图Fig. 5 Schematic diagram of optical fiber sensor on elastic-metal-plastic pad

4 试验研究

4.1 低速轻载试验

图6～图8为推力轴承转速由20 r/min逐渐提升至55 r/min，推力瓦比压由2.5 MPa逐步提升至2.65 MPa，推力盘面、推力瓦测试的温度随时间变化趋势，每个工况试验持续时间约9 h，可以看出：

1）各工况运行过程中推力轴承各测点温度呈先上升后趋于平缓趋势，试验约进行6 h以后温度变化趋于平缓，说明整机处于热平衡状态；

图 6 低速工况试验推力盘温度随时间变化曲线Fig. 6 Temperature history of thrust plate sensor on low speed condition

图 7 低速工况推力块温度（光纤）随时间变化曲线Fig. 7 Temperature history of elastic-metal-plastic pad (optical fiber sensor) on low speed condition

图 8 低速工况推力块温度（热电偶）随时间变化曲线Fig. 8 Temperature history of elastic-metal-plastic pad (thermocouple sensor) on low speed condition

2）低速工况运行过程中推力轴承运行平稳，转速55 r/min、推力瓦比压2.65 MPa状态下热平衡后各测点温度最高，推力瓦热电偶测点温度为43 ℃，推力瓦光纤测点温度为49 ℃，推力盘面温度为55 ℃，最大温差约为12 ℃；

3）推力轴承3个部位测点温度呈推力盘面测点＞光纤测点＞热电偶测点，这是由于3个传感器布置位置距离依次渐远，最高温度随传导距离增加而降低；

4）推力轴承3个部位测点温度可以看出，推力盘面测点温度在启动时剧烈上升，短时间内上升至约45 ℃后转折趋于平缓，而推力块上的温度测点则在启动后变化相对缓慢，约6 h后逐步趋于平缓，这也说明推力盘面在短时间内已达热稳定状态，而整机达到热平衡则需要缓慢的热传导过程。

4.2 高速重载试验

图9～图11为推力轴承转速稳定在200 r/min，推力瓦比压由3 MPa逐步提升至6.6 MPa，推力盘、推力瓦测试的温度随时间变化趋势，可以看出：

1）与低速工况试验一致，运行过程中各测点温度呈先上升后趋于平缓趋势，达到热平衡状态，且推力轴承3个部位测点温度呈推力盘面测点＞光纤测点＞热电偶测点；

图 9 高速工况试验推力盘温度随时间变化曲线Fig. 9 Temperature history of thrust plate sensor on high speed condition

图 10 高速工况推力块温度（光纤）随时间变化曲线Fig. 10 Temperature history of elastic-metal-plastic pad (optical fiber sensor) on high speed condition

图 11 高速工况推力块温度（热电偶）随时间变化曲线Fig. 11 Temperature history of elastic-metal-plastic pad (thermocouple sensor) on high speed condition

2）随着推力瓦比压的逐渐增大，各测点平衡温度逐渐增加，3个测量位置的温度差也随之增加。推力瓦比压从3.7 MPa增加至6.6 MPa，热平衡后推力瓦热电偶测点温度增加了20 ℃，光纤测点温度增加了59 ℃，推力盘面测点温度增加了39 ℃；

3）推力瓦比压增加到6.6 MPa热平衡后，热电偶测点温度为88 ℃，推力瓦光纤测点温度为146 ℃，推力盘面温度为159 ℃，最大温差约为71 ℃；

4）高速工况运行过程中推力轴承运行依然平稳，未发现驱动电机电流或温度传感器数值瞬时急剧增加的现象，但推力盘面温度在达到130 ℃后，驱动电机扭矩明显增大，说明高温改变了金属塑料摩擦属性，摩擦系数增大。

4.3 试验后表面检查

试验完成后，对推力轴承弹性金属塑料瓦进行检查，观察试验过后推力瓦表面磨损和烧伤情况，试验前后对比情况如图12所示。对比检查结果如下：

1）金属塑料推力瓦面颜色由原出厂乳白色变成黑褐色，中间摩擦面黑色痕迹明显；

2）金属塑料推力瓦面表面原有的边缘过渡倒角不再明显，瓦面出现塑性变形，材料有软化后流动痕迹，推力瓦出油边发现材料堆积呈卷边；

3）对比测试试验前后推力瓦面高度，测试结果表明，试验前后金属塑料推力瓦面厚度下降了明显，进油边厚度下降约0.5 mm，出油边厚度下降约2.2 mm，进出油边存在约1.7 mm的厚度差，说明推力面已相对出厂状态产生一定倾斜。

以上检查结果表明，金属塑料推力瓦在试验过程中表面材料发生了明显的高温蠕变，材料受压蠕变后厚度变薄，并向出油边滑移。但这种状态下推力轴承仍可以保持正常运行，并未发生烧瓦、粘接等故障。

图 12 金属塑料推力瓦试验前后表面对比图Fig. 12 The elastic-metal-plastic pad before and after test

5 结 语

经过弹性金属塑料瓦在船舶推力轴承上应用的试验研究，可以得出以下结论：

1）船舶推力轴承应用弹性金属塑料瓦后，在比压高达6.6 MPa时仍能正常运行，远超出巴氏合金材料推力瓦使用性能，说明弹性金属塑料瓦具有能承受超大比压能力；

2）船舶推力轴承应用弹性金属塑料瓦后，在推力轴承摩擦副最高温度高达159 ℃，金属塑料产生一定塑性变形情况下，仍能支撑推力轴承正常运转，未发生高温熔化、粘接等危及轴承正常运转故障，性能优于巴氏合金材料；

3）船舶推力轴承应用弹性金属塑料瓦后，可以大幅度提高推力轴承设计比压，但仍应注意，推力瓦设计时应保证一定设计余量，以保证推力瓦耐久使用；

4）推力轴承温度检测时，应尽可能对推力盘面与推力瓦接触面进行直接温度测量，其他位置布置温度计或传感器与摩擦副处实际温度均存在较大误差。