生态友好型水润滑滑动轴承在鸦雀尾泵站中的应用

胡绪宝,袁龙刚

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528403)

目前水利水电设备油润滑金属轴承、油封属于易损件，制约了大修周期，并存在易磨损、易腐蚀、润滑油污染、结构复杂和维护成本高等技术难题[1-3]，陈江明等[4-8]进行了轻质聚合物基耐磨材料用水作润滑介质的生态友好型水润滑滑动轴承的研究，有效解决了传统油润滑轴承的不足,使水润滑轴承能够广泛应用于水利工程[9-12]。中山市鸦雀尾泵站针对大型排涝泵站采用常规轴承存在的一系列问题，在国内较早提出并成功应用生态友好型水润滑滑动轴承技术，并在实践中进一步完善该技术。

1 水泵水导轴承选型应用

1.1 工程概况

鸦雀尾泵站位于五乡联围干堤、阜沙镇阜沙涌鸡鸦水道出口处，工程的主要功能为排涝，泵站设计流量为44 m3/s，泵站选用4台1600ZLQ11-3.4型全调节立式轴流泵，配套4台TL630-24/2150型同步电动机，泵站总装机容量为2 520 kW。水泵机组总装示意见图1。

图1 水泵机组总装示意

泵站设计排涝标准：10年一遇最大24 h设计暴雨产生径流1 d排干不致灾。

泵站特征扬程：设计净扬程为3.5 m；最高净扬程为4.6 m。

水泵水导轴承位于水泵泵体内部，分为上水导轴承和下水导轴承，水导轴承的主要作用是径向固定水泵主轴，承受水泵主轴旋转中传来的径向力。

1.2 水导轴承工作环境

气温：多年平均气温为22.1℃，年际变化不大。历年最低气温为-1.3℃，历年最高气温为38.7℃。

湿度：多年平均相对湿度为83%，最大为95%，最小为81%。

水质：根据地表河水水质检测结果，地表河水对混凝土无腐蚀性，在干湿交替情况下对钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。地表河水水质检测指标见表1。

表1 地表河水水质检测指标

1.3 生态友好型水润滑滑动轴承技术原理

生态友好型水润滑滑动轴承在充分研究水环境中轴与轴承的摩擦物理学和摩擦润滑化学特性[13-15]的基础上，通过多相IPN技术合成工程弹性体合金材料，并合理设计轴瓦和轴承结构，使得该类轴承产品具有水润滑、自润滑、高承载和刚韧等特性；IPN合金制备过程中，通过原位聚合引入功能填料，如自润滑微晶，极压磨介粒子等，功能填料则利用等离子体表面活化，使其通过化学键与基体键合，达到材质均质、均相、强固。

1.4 生态友好型水润滑滑动轴承主要优点

1) 功能填料的表面活化处理。对功能性添加物如补强芳纶纤维、高强高模高密度聚乙烯纤维及固体内外润滑剂进行表面活化改性，使其表面形成的活性基团与基体树脂形成化学键结合，而非普通的物理共混。达到均质、均相、强固，防止添加物迁移、渗析，保持材料持久性均质、稳定。

2) 工程弹性体合金互穿网络材料合成及原位聚合技术。通过针对性选择基体树脂，有效控制微相分离形态，达到基体聚合物改性目的。互穿聚合物网络结构，形成空间网状结构，对第三方添加粒子有包覆作用，增强聚合物合金的稳定性。

3) 基于摩擦、磨损性能优化的轴承设计。分析多种实际应用所对应的磨损情况，模拟设计各种工况下滑动轴承的动态压力分布和液膜分布，优化轴承设计改善摩擦、磨损情况，提高轴承的性能和寿命。

4) 离心薄层包覆工艺技术。对于承载要求高的工况，可通过在金属摩擦副表面包覆薄层弹性体聚合物合金材料作耐磨涂层，定期更新耐磨材料层，可以大大延长摩擦副的使用寿命。通过一般的浇注反应热聚合方法形成薄层粘接到结基体材料上，而本产品采用的特色工艺，通过离心浇注的工艺，能够在金属表面包覆薄层工程弹性体聚合物合金材料，瓦衬厚度最小可达2 mm，克服了传统过盈压装，壁厚比较大，过盈应力缓慢释放影响尺寸稳定性，极大提高了轴承的动态工作压力，另一方面，又能降低壁厚有效控制高分子材料的热膨胀和吸水膨胀量，保持间隙稳定，满足了高性能的需求。

5) 多层层合技术。在轴瓦跟轴承体(衬背)之间介入卓越NDI工程弹性体材料作弹性缓震层，具有阻尼缓震性及轴线自适应性，有效地解决了水泵上导、中导轴承干启动及偏磨的问题。

6) 双层减振降噪结构技术。此结构技术分2种，其中一种是包括轴承体、减震层和轴瓦层，减震层紧贴在轴承体的内表面，轴瓦层设在减震层的内表面，轴瓦层是由多个板条轴瓦构成，多个板条轴瓦沿着减震层周向分布，相邻板条轴瓦之间形成了介质液槽。板条轴瓦上的与安装轴的轴线平行的两个侧边是活动的，当其中的板条轴瓦的一侧边受压向减震层的方向微动时，板条轴瓦的另一侧边反向微动。由于轴瓦层是由多个板条轴瓦构成，并黏接在减振层上，板条轴瓦在工作过程中可随转速或载荷不同而进行一定的摆动，增加支撑柔性，形状自适应性使表面压力相等，促进形成动态液膜，增强液膜承载刚度，增加吸收振动能量的能力，兼具优良减振降噪特性。

1.5 生态友好型水润滑滑动轴承结构形式

生态友好型水润滑滑动轴承共有6种结构形式，分述如下。

1) 混插板条水润滑滑动轴承，混插板条水润滑滑动轴承结构示意见图2。特点：可由燕尾板条轴瓦灵活拼装成对开轴承，便于安装和维修，无需吊出主轴，检修时如需要更换轴瓦，可便捷地替换板条轴瓦，相比筒式轴承过盈安装更可靠；轴承由多种不同材料等级的均质弹性体聚合物合金燕尾板条轴瓦混合或交错装配而成，轴承耐磨性能好，自润滑，有效实现轴承刚度与耐磨性之间的平衡，既耐磨又能有效控制泵轴振摆；对比传统水润滑轴承最大优点是耐磨且不伤轴(轴套)，对轴线调节不严苛。选用自润滑性能优良的等级可实现直接干启动，无需预润滑，无需外接润滑供水，简化管理系统，降低故障源，提高机组的运行可靠性。

图2 混插板条水润滑滑动轴承结构示意

2) 双层减振式可倾瓦水润滑滑动轴承，双层减振式可倾瓦水润滑滑动轴承结构示意见图3。特点：形状自适应，减少振动和噪音；可倾瓦，液膜稳定，减小摩擦副对磨；独立瓦块，径向膨胀降低，尺寸稳定性高；燕尾设计，特殊热聚合物工艺，永不松脱。

图3 双层减振式可倾瓦水润滑滑动轴承结构示意

3) 柔润式耐泥沙水润滑滑动轴承，柔润式耐泥沙水润滑滑动轴承结构示意见图4。特点：有多种硬度可供选择，可替换各型号橡胶和合成橡胶；使用寿命长，柔润不磨轴(套)，适用于泥沙水质；配合燕尾槽和环槽限位，离心敷层工艺，有效防止轴瓦脱胎。

图4 柔润式耐泥沙水润滑滑动轴承结构示意

4) 卧式水润滑滑动轴承，卧式水润滑滑动轴承结构示意见图5。

图5 卧式水润滑滑动轴承结构示意

特点：整体式动态承载面压可达12 MPa；配合采用独特的分半水槽设计，卧式轴承低速状态下促进形成稳定的润滑液膜，降低启动的扭矩。

5) 双层结构水润滑滑动轴承，双层结构水润滑滑动轴承结构示意见图6。特点：双层结构，外层材料承载力高，可采用过盈安装工艺，内衬材料柔润不磨轴(套)，外层为增强非金属壳体，采用特殊成型工艺，确保双层材料不分离；使用寿命长，柔润不磨轴(套)，适用于泥沙水质。

图6 双层结构水润滑滑动轴承结构示意

6) 分块水导瓦结构水润滑滑动轴承，分块水导瓦结构水润滑滑动轴承结构示意见图7。特点：采用分块瓦哈夫结构(4块/6块/8块)，便于安装和维修，无需出轴；独立瓦块，径向膨胀降低，尺寸稳定性高；可以通过在瓦背与轴承体内径之间增减铜箔垫片现场微调配合间隙；具有适宜的弹性，能有效吸收启动和运行中的震动，保持主轴平稳。

图7 分块水导瓦结构水润滑滑动轴承结构示意

1.6 水泵水导轴承选用

根据鸦雀尾泵站所在河流地表河水水质检测结果，水质腐蚀性较小，水质泥沙含量较低，为清水河流；根据水泵装置模型试验研究报告中水泵的飞逸特性计算机组的最大飞逸转速为额定转速(n=250 r/min)的1.75倍。水泵水导轴承目前常用的有金属轴承、橡胶轴承及水润滑滑动轴承(高分子聚合物基轻质耐磨材料轴承)，鸦雀尾泵站为中山市阜沙镇的骨干排涝泵站，工程任务十分重要，鸡鸭水道为水源保护地，从减少矿物油排放，实现轴承无油化，保护水源，保护环境考虑，不采用油润滑金属轴承；橡胶轴承的优点在于能够有效地吸收振动、减少噪声、耐磨、降低磨损，缺点是干摩擦性能差，耐酸碱性差，使用时需从外部充分地给水，使用寿命较短，从使用可靠性及使用寿命考虑，不采用橡胶轴承；水润滑和自润滑的高分子聚合物基轻质耐磨材料能隔离机械传动系统的振动、噪音和冲击，是非常理想的磨润减振、降噪和抗冲击材料，尤其适合于用水作润滑介质，因此，选用水润滑滑动轴承，鸦雀尾泵站为大型排涝泵站，汛期不宜检修，非汛期检修周期短，如果汛期排涝期间出现故障，需要快速检修，水泵水导轴承的结构形式选用，首先从便于检修角度出发，改变传统的筒式轴承结构为两半式对开轴承结构，无需吊出主轴，快速更换损坏的板条轴瓦，检修完成后安装时对轴线调节不严苛，能快速安装；其次机组额定转速为250 r/min，机组转速高，轴瓦需选用耐磨材料，机组的最大飞逸转速为437.5 r/min，是额定转速的1.75倍，机组产生飞逸时，将产生较大的径向力，需选用刚度大材料，混插板条水润滑滑动轴承具有有效实现轴承刚度与耐磨性之间的平衡，既耐磨又能有效控制泵轴振摆，同时经过对生态友好型水润滑滑动轴承6种结构形式的优缺点比较分析及结合性价比，最终选用混插板条水润滑滑动轴承。

2 运行效果分析

鸦雀尾泵站水泵采用了生态友好型水润滑水导轴承，与传统常规橡胶轴承及油润滑金属轴承相比，此轴承结构简单、承载能力强、耐磨损、运行稳定、检修周期长，每年节约运行维护成本约10万元，提高了泵站运行保证率，同时避免了油润滑轴承漏油造成的江河污染，保护了生态环境，工程自2018年投产，平均单机组运行达300 h，运行管理便利，节约运行维护成本约40万元，排涝效果显著，取得了显著的经济、社会、环境生态效益。

3 结语

水泵水导轴承目前常用的有金属轴承、橡胶轴承及高分子材料轴承，金属轴承常采用油润滑，橡胶轴承及高分子材料轴承常采用水润滑。水润滑和自润滑的高分子聚合物基轻质耐磨材料能隔离机械传动系统的振动、噪音和冲击，是非常理想的磨润减振、降噪和抗冲击材料，尤其适合于用水作润滑介质，为用户水下动力传动系统及装备高效节能环保等重大难题提供有效解决方案，减少矿物油排放，实现轴承无油化，保护水源，保护环境。

同时，高分子材料轴承需要进一步完善方：① 形成国家及行业标准，逐步形成标准化、系统化的标准化产品；② 水润滑轴承集成化及数字化，增加轴承的运行如瓦面压力、液膜厚度、振动、摆度、磨损等参数的状态监测，需进一步加强以上两方面的研究。