關于彈性墊支撐自調(diào)節(jié)受力推力軸承的研究與應用

王煥棟（浙江雙富電力設備有限公司，浙江 杭州 311201）

關于彈性墊支撐自調(diào)節(jié)受力推力軸承的研究與應用

王煥棟
（浙江雙富電力設備有限公司，浙江 杭州 311201）

摘要：由在推力瓦下方安裝的特制合成橡膠墊所構成的彈性墊，對受力狀態(tài)的推力軸承產(chǎn)生自調(diào)節(jié)，具有結構簡單、自調(diào)節(jié)性能良好、軸瓦溫差小、運行性能穩(wěn)定的特點；而且這種軸承具有自調(diào)節(jié)機組軸線的功能，可以做到不盤車刮墊，不處理機組軸線，是中小型水輪發(fā)電機組剛性支撐推力軸承改為彈性支撐的最佳選擇。

關鍵詞：剛性推力軸承；合成橡膠彈性墊；彈性墊推力軸承

1　剛性支撐推力軸承存在的問題

圖1內(nèi)循環(huán)剛性支撐推力軸承

中小型水輪發(fā)電機推力軸承，基本上都是剛性支撐推力軸承，典型結構如圖1。

即在機架內(nèi)安裝有推力軸承支架，在推力支架上安裝有支柱螺釘、托盤、推力軸瓦（巴氏合金瓦或彈性金屬塑料瓦），推力瓦支撐著由發(fā)電機鏡板、推力頭、卡環(huán)、大軸、轉輪等構成的機組全部轉動部分重量及其水推力。在推力軸承支架外裝有推力軸承油箱，油箱內(nèi)裝有油冷器、擋油板、分油板等，構成推力軸承的潤滑冷卻系統(tǒng)。

中小型水輪發(fā)電機推力軸承，基本上是一種傳統(tǒng)的剛性支撐結構，其結構簡單，但卻存在以下問題：

（1）推力瓦受力及鏡板水平是以調(diào)整支柱螺釘?shù)母叨葋韺崿F(xiàn)，由于無法準確測量各塊軸瓦的受力，往往只能憑操作者的經(jīng)驗和感覺，難以保證各塊軸瓦受力均勻，調(diào)整困難，誤差可能達到各瓦平均受力的10%～25%，如果調(diào)整受力不順利，可能誤差達平均受力的±25%。同一臺機各瓦溫差一般在5～7℃，有的甚至達到10℃以上，難以達到“剛性支撐推力軸承各軸瓦的載荷分布與平均值的偏差應在±10%之內(nèi)”的技術規(guī)范要求。

以新安江電廠剛性支柱推力軸承為例，在調(diào)整推力瓦受力時，曾先后用過人工大錘打受力，每打一錘，都要測量抗重螺絲扭轉角度（或弦長），以及用千分表測量水機主軸位移等，然后綜合分析判斷。由于用人工大錘打受力，要求每錘力量均勻是不現(xiàn)實的，再加之抗重螺絲、托盤等部件加工精度的影響，推力瓦很難達到受力調(diào)整均勻的狀態(tài)，一般軸瓦運行溫差達到7℃以內(nèi)已經(jīng)很理想了。也曾用過在托盤上裝千分表，按托盤變形調(diào)受力，從理論上講，在托盤上貼應變片按軸瓦應力來調(diào)節(jié)受力應當是可行的，但實際運行情況并不理想，10塊軸瓦溫差達9℃，并不比人工調(diào)節(jié)受力準確。分析其原因，除加工質量和公差影響外，主要是抗重螺絲頭部是圓弧的，抗重螺絲與托盤的接觸中心在機組運行中有位移。目前各水電廠還是用人工大錘打受力、依靠綜合分析判斷來調(diào)整推力瓦受力。

由于在調(diào)受力時無法準確測定各瓦的受力情況，也無法預知各軸瓦的運行溫度，只有等機組試運行時才知道最后的結果，有的機組大修，曾發(fā)生多次反復調(diào)受力的情況，造成機組無法如期投產(chǎn)。所以調(diào)整推力軸瓦受力，是各電廠（站）機組大修時最棘手、最頭痛的工作之一。

（2）中小型水輪發(fā)電機剛性支撐軸承，由于發(fā)電機主軸、推力頭、鏡板均為剛性連接，在制造和安裝中，會產(chǎn)生機組主軸與鏡板不垂直，使機組主軸與鏡板產(chǎn)生傾斜，導致機組在旋轉中產(chǎn)生擺度。這種擺度，往往都用研刮推力頭或研刮推力頭與鏡板間的調(diào)整墊（絕緣墊）來處理，也有的用修刮推力頭卡環(huán)等來調(diào)整。不管哪種辦法，都要對機組進行盤車找擺度。由于設備加工精度、安裝質量、測試方法等都對盤車、調(diào)受力有直接影響，尤其是一些老機組，因為加工粗糙，設備老化嚴重，盤車、調(diào)整受力難以找準。曾經(jīng)在一臺7.5MW立式機組上，盤車找擺度，處理軸線花了半個月。既使安裝時可以達到技術標準，但實際運行后，往往也會發(fā)生機組擺度大、軸瓦溫度高、瓦溫偏差大等問題，給機組安全運行帶來威脅。所以盤車找擺度，處理擺度也是各電廠（站）機組檢修比較難干的工作之一。

由于剛性支撐推力軸承普遍存在著以上兩個主要問題，而且已經(jīng)存在了半個世紀以上，直到現(xiàn)在尚沒有更好的解決辦法，造成了該軸承安全運行可靠性低，調(diào)受力、盤車、找軸線、處理軸線時間長。已經(jīng)成為中小型電站的一個老大難問題，有的電站甚至嚴重地威脅著機組安全運行，所以筆者認為必須對剛性支撐推力軸承進行改造。

近些年，筆者也參加過一些新的大型機組的安裝與調(diào)試，由于設計水平提高，新材料、新結構、新工藝的應用，設備加工質量的大幅提高，不僅調(diào)整推力軸瓦受力丟掉了榔頭，盤車找擺度等工作變得簡單易行，而且有的新機組提出現(xiàn)場可以不調(diào)受力、不盤車找擺度的技術條件。但這些軸承都是液壓推力軸承，即由彈簧束（銷）、彈性圓盤、平衡塊等支撐的軸承，結構復雜，造價高，都不適用于中小型機組，現(xiàn)急需找到一種結構簡單、投資少、見效快、改造方便、運行可靠，適合于中小型水輪發(fā)電機組的彈性自調(diào)節(jié)受力的推力軸承。而彈性墊支撐自調(diào)節(jié)受力推力軸承的研究與應用的成功，為中小型剛性支撐推力軸承的改造帶來了希望。

2　關于彈性墊的試驗和研究

彈性墊支撐推力軸承早在20世紀80年代已經(jīng)開始試用，如國內(nèi)用耐油橡膠制造的扇形彈性墊支撐推力軸承，在推力載荷50t、450r/min的機組上使用，初期機組運行正常，但運行兩年以后，彈性墊發(fā)生塑性變形，周邊脹出形成鼓形，彈性墊厚度從5 mm降到4.8mm。與此同時，國外用圓形耐油橡膠彈性墊的推力軸承，推力荷載50t，428r/min試驗，也出現(xiàn)類似的變形和情況。由于當時的彈性墊材料不過關，而這種支撐的軸承便被擱置。但彈性墊支撐的推力軸承從設計原理到現(xiàn)場試驗，都一致認為是可行的。是中小型機組剛性支撐改為彈性支撐的最佳途徑。但因當時的條件限制，尤其是對彈性墊的材料研究和試驗不夠，所以彈性墊支撐軸承一直沒有得到應有的發(fā)展和推廣。時過境遷，隨著現(xiàn)代科技的進步和新材料的發(fā)展，給彈性墊支撐軸承發(fā)展創(chuàng)造了條件。

筆者最近幾年，一直進行這方面的研究和試驗，先后對用普通耐油橡膠、聚氨脂、聚四氟乙烯、特制合成橡膠做彈性墊進行了試驗和分析。

普通耐油橡膠：價格便宜，彈性好，短期應用可以，但在長期高油溫下運行，性能不穩(wěn)定。橡膠會吸入液體、高溫油與橡膠發(fā)生化學反應，有時吸入量大于抽出量，以致橡膠體積增大。而且普通橡膠硬度低、隨著溫度、時間、壓力的變化，塑性變形增大，而彈性變形減小，彈性模量和硬度變低，逐步失去調(diào)節(jié)能力。

聚四氟乙烯：俗稱“塑料王”，它的抗老化、抗磨損、化學穩(wěn)定性、耐油、耐高溫、吸入量，抽出量都比較理想，是一種不可多得的好材料。但它的硬度比橡膠高，而彈性比橡膠小，它的彈性模量400～800 MPa，在推力瓦單位載荷3～4MPa時彈性變形過小，彈性變形僅為0.02～0.03mm，由于它的調(diào)節(jié)余量過小，而失去了做彈性墊的可能性。

聚氨酯（簡稱TPU）是一種重要的合成樹脂品種，而其中聚氨脂彈性體，可在較寬的硬度范圍，具有較高的彈性及強度，優(yōu)異的耐磨性、耐油性及抗振性能，具有優(yōu)異的綜合性能，很可能是今后彈性墊的發(fā)展方向。但在試驗中發(fā)現(xiàn)，聚氨脂在高溫、高壓下工作易軟化，失去彈性，甚至比一般耐油橡膠的使用壽命還要短。

綜合上述彈性墊的三種材料分析，雖然都不具備選用推力軸承彈性墊的條件，但它給我們研制和探索新的彈性材料提供了很多借鑒。我們通過幾年的摸索和試驗，選用了一種新的合成橡膠，通過特殊的工藝處理，完全可以用在中小型機組推力軸承的彈性墊上，并且我們在彈性墊的結構、設計計算上也有所突破。通過試驗室和真機試驗，取得了圓滿成功。

特制彈性橡膠墊是根據(jù)彈性墊在推力軸承中的運行特性和技術要求，選用的一種優(yōu)質合成橡膠，經(jīng)過特殊加工而成。它是一種耐油、耐高溫、耐老化、彈性調(diào)節(jié)性能良好的產(chǎn)品。特制彈性墊的技術性能如下：

（1）該橡膠墊具有優(yōu)良的耐油性和耐高溫性，可以在120℃的高溫礦物油中長期工作（發(fā)電機推力軸承溫度最高運行油溫不超過70℃）。

（2）物理機械性能優(yōu)異，已經(jīng)成為耐油橡膠制品的標準彈性體。

抗拉強度2.5MPa；

壓縮永久變形17%～28%；

拉斷伸長率250%以上；

溶脹率20%～30%；

揮發(fā)分≤1%；

灰分≤1.5%。

（3）彈性變形

彈性墊在受壓時，必然會產(chǎn)生物理和化學變化，當壓縮力消失后，會阻止橡膠恢復到原來狀態(tài)，于是就產(chǎn)生永久變形，而壓縮永久變形的大小，它取決于壓縮狀態(tài)的溫度、時間、與壓強。而在高溫下的化學變化是導致彈性墊發(fā)生永久變形的主要原因。壓縮永久變形是去除施加給彈性墊的壓縮力，在標準溫度下，恢復高度后測得。

彈性墊的永久變形，經(jīng)過處理后，可以控制在20%以下。

彈性墊在壓縮時，在厚度方向產(chǎn)生的變形（減?。┡c永久變形的差為彈性變形。彈性變形是壓縮力消失后能夠恢復的變形。

彈性墊是長期浸在70℃的礦物油中，在壓強0～5MPa（正常情況下是在0～4MPa），交變荷載下長期工作，它是利用推力荷載的變化而產(chǎn)生的彈性變形，來調(diào)節(jié)推力瓦荷載，均衡軸瓦間的溫度，所以它對彈性變形要求很高。

彈性墊在壓力機上作彈性試驗中證實，在壓力升高過程中，初始階段0～6MPa，變形與施加的壓力量近似線性變化，彈性變形總值為20%左右。而我們正常應用的壓力不會超過4MPa，是彈性墊產(chǎn)生彈性變形的初始階段。其變形值相當于5%～7%，距彈性墊的最大彈性變形還有相當大的距離。

（4）硬度

彈性墊的硬度與相應材料彈性模量和粘彈性有關，對彈性墊的彈性變形有直接影響。

彈性墊的硬度用邵氏A型硬度計測量85～90度。

（5）外觀及外形尺寸

表面光滑，顏色均勻，無凹坑，無壓痕和麻點，填充材料無顆粒，材質均勻。

彈性墊切斷后，內(nèi)部無氣泡、無氣孔、無雜質，材料結構均勻密實。

同塊彈性墊厚度差不超過0.03mm；同一臺機組彈性墊高度差不超過0.05mm。

同一臺機組，彈性墊與推力瓦組合高度差應小于0.05mm。

3　彈性墊支撐推力軸承的結構布置及對剛性支撐推力軸承的改造方案

用彈性墊支撐推力軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性支柱螺栓、托盤等，把彈性墊直接放在上機架和下機架的基礎面上，在彈性墊上直接安放推力瓦。如托口小電站兩臺機組，為了有效降低機組高度，就是把彈性墊直接安放在上機架的基礎面上，如圖2所示。

圖2彈性墊直接放在機架上

這種布置方式，對新機組設計上，具有降低機組高度，增加機組剛性，節(jié)省投資的優(yōu)勢。

在一般中小型水輪發(fā)電機組上，尤其是一些老機組，都選用懸吊式水輪發(fā)電機組剛性支柱推力軸承，由于用彈性墊代替了支柱螺釘和托盤，使機組推力軸承轉動部分高度降低，顯然把彈性墊直接安放在上機架基礎面上是不可能的。要在保證原機組轉動部分安裝高程不變的情況下，從新設計制造一個推力軸承支架，安裝在機架上，將彈性墊安放在推力軸承支架上，改造結構簡單，方便易行，如圖3所示。

圖3彈性墊放在軸承座上

從結構上看，彈性墊支撐結構簡單，但因為彈性墊支撐無法調(diào)節(jié)各推力瓦受力，無法調(diào)節(jié)機組的水平，又要做到機組不進行盤車刮墊處理機組擺度（托口5號、6號機組只進行聯(lián)軸盤車檢查機組軸線），所以安放用彈性墊支撐的支架基礎，加工精度、光潔度要求都很高，不是一般設備可以完成的。安裝后彈性墊基礎面必須達到0.02mm/m。對彈性墊的厚度、推力瓦的厚度、彈性墊和推力瓦的組合厚度都有很高的技術要求。換言之，是用設備加工的高精度和彈性墊的良好性能來保證實現(xiàn)推力瓦受力均勻，和機組運行軸線良好。

4　彈性墊支撐自調(diào)節(jié)受力推力軸承的試驗

4.1彈性墊支撐推力軸承試驗電站機組參數(shù)

試驗機組安裝在湖南省托口水電廠小電站（生態(tài)電站）的兩臺機組上，該電站的機組參數(shù)為：

水輪機型號HLFF133-LJ-195；設計水頭49m；發(fā)電機型號 SF15-20/3920；額定功率 15MW；n=300r/min，推力載荷160t；推力瓦設計單位載荷P=3.07MPa；平均周速V=13.87m/s；瓦面徑向寬度B=240mm；瓦面周長L=200.48mm；進油溫度＜40℃；冷卻水溫度28℃；冷卻水量0.0047m3/s；設計為每臺機10塊彈性金屬塑料瓦。

從以上參數(shù)可以看出，無論從機組設計容量、水輪機轉輪直徑及發(fā)電機直徑，都達到了中型立式水輪發(fā)電機的標準，而且推力軸承、上導、下導、水導軸承布置都具有典型中型水輪發(fā)電機組的特點。我們浙江雙富電力設備有限公司（FFEP）在這個電站的兩臺機組推力軸承上，設計制造了彈性墊支撐的自調(diào)節(jié)受力推力軸承，具有一定的示范作用。從設計結構、機組安裝調(diào)試、機組盤車、試運行等進行了一系列的試驗，并取得了圓滿成功。

4.2彈性墊支撐推力軸承的優(yōu)良特性

（1）彈性墊支撐推力軸承的自調(diào)節(jié)性能良好，軸瓦溫差小，運行性能穩(wěn)定。

彈性墊支撐推力軸承是把彈性墊直接安裝在推力瓦的下方，在機組運行中，在推力載荷的作用下，使每塊推力瓦具有足夠的彈性變形；另一方面，由于彈性墊在徑向設計上有一定的偏心矩，使推力瓦在運行中形成動力壓載油楔，推力瓦表面產(chǎn)生油膜。由于彈性墊的良好彈性，及穩(wěn)定的機械和物理性能，推力瓦相當于在彈簧層或彈性液壓油箱上運行，用彈性墊的彈性變形，吸收推力軸承運行中產(chǎn)生的不均衡軸向跳動，以達到調(diào)整推力軸承的不均衡荷載。

眾所周知，一個自調(diào)受力的推力軸承，它的調(diào)節(jié)性能主要表現(xiàn)在同一臺機組每塊推力瓦，在同一運行工況下的溫度差。瓦溫差越小，說明受力均勻度好。一般剛性支柱推力軸承，瓦溫差5～7℃，而托口小電站，5號機組，推力瓦最高瓦溫50℃，10塊推力瓦，最大溫差3.1℃，最高油溫46℃，油溫與瓦溫差4℃。6號機組，推力瓦最高瓦溫51.4℃，10塊推力瓦，最大瓦溫差2.9℃，最高油溫47.6℃，油溫與瓦溫差3.8℃。

兩臺彈性墊支撐的推力軸承均表現(xiàn)推力瓦受力自調(diào)節(jié)性能良好，10塊瓦溫均勻，最高瓦溫、油溫與瓦溫差等比較理想，均在設計規(guī)范允許范圍內(nèi)；瓦溫隨著負荷及環(huán)境溫度變化平穩(wěn)，是一般剛性支撐軸承無法比擬的，已經(jīng)基本上達到彈性液壓推力軸承的運行水平。

（2）彈性墊支撐推力軸承機組軸線可以自行調(diào)整，可以做到不盤車、不刮墊、不處理軸線。

在大部分中小型水力發(fā)電機組中，尤其是一些老機組，由于制造質量、設計和安裝等原因，機組不同程度存在著發(fā)電機主軸與鏡板不垂直，使機組轉動部分產(chǎn)生傾斜，機組運轉中在導軸處產(chǎn)生徑向振動（擺度），所以用盤車檢查軸線，用刮墊處理擺度，是機組大修一項很重要的工作，它不僅技術要求高，工期長，人員多，而且很煩雜，是發(fā)電機檢修中最頭痛的事，而我們采用彈性墊支撐后，由于機組的徑向振動（擺度）可以轉化為推力軸承的軸向跳動，將機組的擺度消化在彈性墊的跳動中，只要把放置推力瓦與彈性墊基礎平面水平調(diào)整達到技術要求后，不需要調(diào)整推力瓦的受力，也不需要發(fā)電機的單獨盤車，省去了發(fā)電機盤車、調(diào)受力、處理擺度的繁雜工作。在托口小電站的兩臺機組安裝中，發(fā)電機沒有進行單獨盤車，直接進行聯(lián)軸盤車，檢查機組軸線情況，盤車后證明機組軸線良好，上下軸承處軸頸及法蘭相對擺度小于0.02mm/m，水導軸承處相對擺度小于0.03mm/m，軸線沒有進行任何處理即可安裝各導軸承。機組投入運行以后，托口電站5、6號機組最大振動與機組擺度均在國家技術標準范圍內(nèi)（見表1）。

表1托口小電站機組彈性墊支撐推力軸承最大振動與擺度情況

從表1實測記錄表明，機組各部位的擺度及振動均明顯小于國家標準，無論從托口小電站還是廣東、福建等一些安裝彈性墊支撐推力軸承的中小型機組上看，不用盤車刮墊是可行的。

（3）機組軸線穩(wěn)定性提高

機組運行中，由于動不平衡、水力不平衡（尤其是混流式水輪機），在中低負荷下運行，一般都存在著水輪機運行不穩(wěn)定區(qū)，都會促使機組產(chǎn)生軸向和徑向振動，在剛性支撐軸承上，反應明顯。它造成受力支架振動增加，機組擺度加大。這種外力干擾影響機組軸線，處理十分困難，而彈性墊支撐推力軸承，相當于機組在轉動與固定部分過渡段加了一個緩沖器，它可以有效地吸收和消化機組一部分垂直與徑向振動，可以明顯地提高機組的穩(wěn)定性，在托口小電站兩臺機組都是混流式轉輪，水輪機在低負荷運行時也出現(xiàn)明顯不穩(wěn)定區(qū)，補氣閥動作頻繁，噪音大，但水輪機與發(fā)電機振動、擺度都沒有明顯增加。在其它一些改用彈性墊支撐的推力軸承，也都感到機組軸線穩(wěn)定性提高，即使在一些機組上擺度有所增大，但都沒有發(fā)現(xiàn)導軸瓦溫度升高的現(xiàn)象。

（4）由于彈性墊支撐推力軸承結構簡單，可以使推力軸承的造價大幅降低；而且從剛性支撐推力軸承改造成彈性墊支撐推力軸承，簡易方便，改造費用低，性價比高，也就是說，花不多的錢，就可以把剛性支撐墊推力軸承改造成自調(diào)節(jié)受力的彈性軸承。

（5）由于彈性墊支撐推力軸承，不需要推力軸瓦受力調(diào)整，不需要盤車刮墊處理軸線，所以安裝、調(diào)試簡單，備品更換方便。

5　結語

（1）在中小型水電機組上，普遍采用剛性支柱式推力軸承，由于推力瓦受力人工調(diào)整誤差大，各軸承瓦運行溫差大，運行安全可靠性低；而且需要用盤車辦法檢查軸線，用刮墊方法處理軸線，耗用工期長，安裝調(diào)整煩雜，所以需要進行現(xiàn)代化改造。

（2）彈性墊支撐自調(diào)節(jié)受力推力軸承，自調(diào)節(jié)性能好，各軸瓦溫差小，而且機組軸線可以自行調(diào)整，可以做到不盤車、不刮墊。機組軸線運行穩(wěn)定。

（3）彈性墊支撐推力軸承，安裝調(diào)試方便。

（4）本文推薦的合成橡膠彈性墊通過實驗室和實際機組運行考驗，耐油、耐高溫、耐老化，彈性調(diào)節(jié)性能好，能夠滿足推力軸承運行特性要求。

（5）彈性墊支撐推力軸承結構簡單，而且剛性支撐推力軸承改造為彈性墊支撐自調(diào)節(jié)受力推力軸承尤為方便，改造可靠性高，改造費用低、性價比高，是中小型水電機組剛性支撐推力軸承改造成彈性支撐的最佳選擇。

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中圖分類號：TK730.3+22

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0005-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.002

收稿日期：2014-09-30

作者簡介：王煥棟（1937-），男，高級工程師，從事水電站機電設備檢修與改造工作。