核主泵推力軸承高性能制造原理及其應(yīng)用研究

雷明凱，李夢啟，郭東明

(1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.哈電集團哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

大功率核主泵主要有軸封式、屏蔽式和濕繞組式3種類型，均采用立式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分別依靠軸向和徑向推力軸承定位支承，保證全工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。核主泵推力軸承主要由可傾式推力瓦、推力盤或泵軸軸套、定位機構(gòu)和支承機構(gòu)組成。作為以工質(zhì)水或?qū)Ｓ糜妥鰸櫥瑒┑母叨确蔷€性動力系統(tǒng)，是核主泵制造難度最大的關(guān)鍵部件[1-2]。推力軸承設(shè)計、加工和檢測的高性能要求主要包括3個方面：第一，在高速重載條件下形成良好的潤滑液膜，提供推力瓦整體高承載能力，通常水膜厚度為10～50 μm，油膜厚度為40～100 μm；第二，軸承零部件對于加工、裝配和使役產(chǎn)生的動力結(jié)構(gòu)偏差具有自適應(yīng)調(diào)整功能，保持推力瓦間載荷協(xié)調(diào)和均衡；第三，在啟停、惰轉(zhuǎn)、失水等瞬變和災(zāi)變工況下，混合潤滑狀態(tài)的摩擦副保證良好的自潤滑和耐磨損性能[3-4]。

普通推力軸承利用常規(guī)制造方法，按照精確設(shè)計的幾何尺寸及公差范圍加工，滿足零部件性能要求[5-6]。對于大功率核主泵推力軸承，傳統(tǒng)制造方法直接加工出幾何精度要求的零部件時，加工引起的材料特性變化可能導(dǎo)致推力軸承性能難以達標。水潤滑軸向推力軸承石墨基材料可傾瓦的上表面為微米級高度弧面，下表面與馬氏體不銹鋼瓦基完全平面接觸，保證推力瓦形成有效的動壓潤滑水膜。在核主泵正常使役條件下，精密加工的石墨瓦表界面完整性變化改變了力、熱載荷作用的變形規(guī)律，造成精準調(diào)控石墨瓦變形量的困難，嚴重影響了推力軸承的承載和均載性能。在低速運轉(zhuǎn)等瞬變工況時，與Stellite耐磨合金推力盤之間的混合潤滑狀態(tài)，導(dǎo)致石墨瓦面溫度急劇上升，發(fā)生深度磨損甚至破壞。屏蔽式核主泵推力軸承惰轉(zhuǎn)時曾出現(xiàn)石墨瓦燒瓦、熱應(yīng)力沖擊開裂等嚴重磨損現(xiàn)象[7]。推力盤因泵軸振動發(fā)生的靜、動態(tài)傾斜，不僅降低了軸向和徑向推力軸承穩(wěn)定性，而且造成支承機構(gòu)磨損和疲勞失效，加工引起的零部件表界面完整性變化，也成為影響支承機構(gòu)協(xié)調(diào)和均衡作用的決定因素[8]。

為了解決核主泵推力軸承可傾瓦變形過大、摩擦磨損量偏高，以及結(jié)構(gòu)振動等制造難題，系統(tǒng)開展了推力軸承設(shè)計加工檢測一體化的高性能制造原理研究，提出了面向材料的高性能設(shè)計加工檢測正問題和反問題復(fù)合求解原則，發(fā)展出以制造的表界面完整性為性能控制量的零部件設(shè)計加工檢測方法，實現(xiàn)了推力軸承推力瓦、定位機構(gòu)和支承機構(gòu)等關(guān)鍵零部件的高性能制造，旨在發(fā)展我國核主泵推力軸承自主化制造理論和技術(shù)。

1 核主泵推力軸承設(shè)計加工檢測一體化的高性能制造原理

針對核主泵推力軸承高承載、均載能力和耐磨損抗沖擊性等高性能要求，推力軸承基于性能的設(shè)計加工檢測一體化制造目標描述為

A(G,M,S,C,P)X=B

(1)

式中：B為推力軸承性能參數(shù)；G,M,S為幾何、材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)；C為使役條件；P為制造工藝參數(shù)，A為G,M,S,C,P共同作用的參數(shù)X與B的依賴關(guān)系。在推力軸承設(shè)計時，X為G,M,S，是一個由B出發(fā)確定零部件G,M,S的反問題；在加工時，X為P，是一個由P出發(fā)獲得具有B的零部件G,M,S的正問題；在檢測時，X為輸入信號，B為輸出信號，是一個獲得零部件G,M,S，以及B的服務(wù)于設(shè)計與加工的反問題。

圖1給出了推力軸承設(shè)計加工檢測一體化的高性能制造路線圖。推力軸承高性能設(shè)計、加工和檢測的正問題和反問題，是以表界面完整性調(diào)控為核心的推力軸承性能與幾何、材料、結(jié)構(gòu)間各環(huán)節(jié)的正向和反向關(guān)聯(lián)，依靠3條路徑：

1)高性能加工的正問題路徑

基于零部件加工的不可逆熱力學(xué)理論，利用不依賴于具體工藝參數(shù)的加工過程量向所制造的零部件輸入能量流和物質(zhì)流，在力、熱、化學(xué)等加工工藝載荷作用下，減控零部件幾何、材料、結(jié)構(gòu)等多元耦合約束，建立材料加工載荷的應(yīng)力場、溫度場和化學(xué)位場環(huán)境，揭示與零部件表界面完整性變化相關(guān)的加工過程印記，依據(jù)可控的表界面完整性與零部件性能的關(guān)系，建立以表界面完整性為性能控制量的零部件幾何、材料、結(jié)構(gòu)的加工體系[9-10]。

2)高性能設(shè)計的反問題路徑

考慮推力軸承服役條件等效的加工工藝載荷作用，面向材料正則化解決加工體系的反問題，利用數(shù)據(jù)正則化、模型正則化和加工過程印記分析，獲得表界面完整性與材料加工載荷、加工工藝載荷和加工過程量的適定關(guān)系，建立由性能到零部件幾何、材料、結(jié)構(gòu)的設(shè)計體系[11]。

3)高性能檢測的反問題路徑

設(shè)計與加工的正和反問題共性環(huán)節(jié)中參數(shù)，如G,M,S，加工工藝載荷，材料加工載荷，表界面完整性和性能等都可是被檢測的參數(shù)，使檢測反問題成為參數(shù)識別問題或者混合問題，服務(wù)于設(shè)計與加工的參數(shù)檢測，提供了設(shè)計加工檢測一體化的實驗證據(jù)和高性能制造的質(zhì)量保證。

圖1 核主泵推力軸承設(shè)計加工檢測一體化的高性能制造路線圖Fig.1 High performance manufacturing roadmap forintegrated design,processing and evaluation ofthrust bearings of primary pump

圖2給出了推力軸承推力瓦設(shè)計加工檢測一體化的高性能制造流程圖。推力軸承推力瓦的制造流程，包括了高性能制造正和反問題復(fù)合求解的3個要點：一是推力瓦加工的表界面完整性調(diào)控是設(shè)計加工檢測正和反問題的核心點。分別通過加工過程量和服役條件轉(zhuǎn)化為共性的力、熱、化學(xué)等能量和物質(zhì)傳遞的加工工藝載荷，通過減控零部件G,M,S等多元耦合約束，建立表界面完整性與應(yīng)力場、溫度場和化學(xué)位場等材料加工載荷的適定關(guān)系，確定了由推力軸承B到零部件G,M,S設(shè)計加工檢測的一體化路線。二是推力軸承制造反問題的面向材料正則化求解方法。利用數(shù)據(jù)正則化、模型正則化和加工過程印記分析，對于G,M,S等信息不完全的正問題和性能B檢測不足的反問題提供一個總體求解方案，在設(shè)計與加工正向求解基礎(chǔ)上將問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)識別問題，所有未知參數(shù)都是通過交替進行設(shè)計與加工正反分析的迭代過程確定[12]。三是高性能制造參數(shù)選取與優(yōu)化。以基于知識方法取代實驗迭代的試錯法，通過可控的表界面完整性設(shè)計零部件G,M,S，同時確定和優(yōu)化零部件的加工過程量，選擇滿足高性能要求的加工制造方法和工藝條件P，實現(xiàn)推力軸承的高性能制造。

圖2 推力軸承推力瓦設(shè)計加工檢測一體化的高性能制造流程圖Fig.2 High-performance manufacturing flow chart forintegrated design,processing and evaluation of thrustpads in thrust bearing of primary pump

2 推力軸承可傾式推力瓦形性協(xié)同設(shè)計方法與制造工藝

針對推力瓦瓦面存在的熱瞬態(tài)變形和抗沖擊性較差問題，選用強韌性優(yōu)異且具有自潤滑摩擦磨損性能的碳纖維增強聚芳醚熱塑性樹脂基復(fù)合材料[13-14]。優(yōu)選碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料推力瓦模壓成型工藝，對各溫度和應(yīng)變速率下樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線進行擬合，采用修正的樹脂基復(fù)合材料粘塑性模型建立本構(gòu)方程。模壓成型物理模型由推力瓦瓦片、模具和排氣流道等組成，獲得推力瓦在模壓過程中各個時間步的溫度分布，并導(dǎo)入有限元模型，建立最大熱能、彈性應(yīng)變能與碳纖維分散、彈性變形、界面狀態(tài)的定量關(guān)系，加工正向求解出推力瓦在保壓、模內(nèi)冷卻、零件頂出和模外冷卻等階段的表面形貌和殘余應(yīng)力等表界面完整性參數(shù)變化。推力瓦的表面形貌、織構(gòu)化及其滑移特性是流體動壓潤滑主要的G,M,S參數(shù)，基于界面滑移和空化作用修正Reynolds方程的參變量變分原理，考慮碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料加工表面宏微尺度共存的形貌影響，在應(yīng)變梯度理論框架下，利用尺度依賴非局部彈塑性本構(gòu)關(guān)系建立推力軸承跨尺度混合潤滑模型[15-16]，利用包括瞬變和災(zāi)變等全工況下推力軸承界面潤滑機理，設(shè)計正向求解出提高推力軸承承載能力的推力瓦滑移面設(shè)計參數(shù)。圖3給出了核主泵推力軸承樹脂基復(fù)合材料推力瓦、對比的Babbitt合金和剛性瓦，在1 485 r/min工況下，瓦面滑移特性對軸向推力軸承最小液膜厚度的影響作用。成型加工表面滑移特性改變，最小液膜厚度可從14 μm增加至26 μm，顯著提高了推力軸承極限剪切應(yīng)力和承載能力。

圖3 推力軸承可傾式推力瓦表面滑移特性對最小液膜厚度影響規(guī)律Fig.3 Influence of surface sliding characteristicsof thrust pads on minimum liquid film thicknessof axial thrust bearings

碳纖維增強聚芳醚熱塑性樹脂基復(fù)合材料推力瓦具有中心網(wǎng)格陣列織構(gòu)和邊緣楔形面復(fù)合結(jié)構(gòu)，在低、高PV運行下瓦面中心彈性變形和整體彈性變形的自適應(yīng)控制，保證了全工況下推力軸承彈流潤滑性能和混合潤滑性能。圖4給出了碳纖維增強聚芳醚復(fù)合材料推力瓦與Stellite 12合金對磨副水潤滑比磨損率和磨損表面形貌照片。碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料推力瓦隨PV值=7.0～13.5 MPa·ms-1增加的比磨損率降低，為10-7mm3·N-1·m-1量級。Stellite 12合金的比磨損率則隨PV值逐漸增大，為10-8mm3·N-1·m-1量級，高PV值復(fù)合材料推力瓦和Stellite 12合金的比磨損率趨于接近。

圖4 碳纖維增強聚芳醚復(fù)合材料與Stellite合金水潤滑磨損實驗結(jié)果Fig.4 Wear tests of the CFR polyarylethercomposites with Stellite alloy

圖5給出了軸向推力軸承可傾式推力瓦樹脂基復(fù)合材料與瓦基界面附著性超聲無損檢測結(jié)果。采用5～30 MHz聚焦探頭水浸耦合掃描和超聲透射法，檢測碳纖維增強聚芳醚熱塑性樹脂基復(fù)合材料瓦面與不銹鋼瓦基界面結(jié)合質(zhì)量，通過超聲回波和透射信號幅值判定界面粘著狀態(tài)，推力瓦模壓加工的界面未見脫粘等缺陷，實現(xiàn)了可傾式推力瓦形性協(xié)同設(shè)計與制造。

圖5 推力軸承可傾式推力瓦樹脂基復(fù)合材料與瓦基界面附著性超聲無損檢測結(jié)果Fig.5 Ultrasonic nondestructive evaluation of adhesionbetween CFR polyarylether composite and pad base ofthrust pads in thrust bearings

3 推力軸承定位機構(gòu)抗沖擊設(shè)計方法與制造工藝

推力軸承定位機構(gòu)用于可傾式推力瓦自適應(yīng)擺動特性的定位限位，在正常工況下微動摩擦接觸限位，在啟停和事故等瞬態(tài)工況下緩沖間隙碰撞限位，保證推力瓦穩(wěn)定偏轉(zhuǎn)和載荷均衡，減少軸向和徑向振動沖擊。定位機構(gòu)的定位塊和定位銷釘，在水潤滑摩擦磨損和沖擊載荷下服役，選用高硬耐磨WC-Ni硬質(zhì)合金，過盈裝配固定的定位銷釘與定位塊橢圓形限位孔穿插結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用高速火焰噴涂(HVOF)硬質(zhì)合金涂層、電火花沉積或感應(yīng)熔覆過渡層的覆層制造熱力學(xué)模型，分析噴涂WC-Ni涂層的燃料流量絕對值及比率、噴涂距離、噴涂角度等工藝參數(shù)，結(jié)合高速噴涂粒子熱輻射及運動軌跡的實時檢測，提取沉積粒子溫度和速度等加工過程量，構(gòu)建對應(yīng)于沉積過程熱、力、化學(xué)等加工工藝載荷的覆層溫度場和應(yīng)力場，揭示與硬質(zhì)合金覆層顯微硬度和界面斷裂韌性定量關(guān)聯(lián)的加工過程印記。圖6給出了HVOF噴涂粒子速度和溫度等加工過程量對WC-Ni硬質(zhì)合金涂層顯微硬度和界面斷裂韌性的影響作用結(jié)果。當WC-Ni粒子速度相同時，隨粒子溫度從2 080～2 110 K升至2 220～2 245 K，覆層顯微硬度相應(yīng)提高，確定粒子溫區(qū)下，顯微硬度隨粒子速度單調(diào)增加。利用硬質(zhì)合金覆層界面斷裂韌性檢測方法，對定位機構(gòu)覆層零件界面結(jié)合強度定量評價，作為定位機構(gòu)的抗沖擊性能控制量。

圖6 HVOF噴涂粒子速度和溫度對WC-Ni硬質(zhì)合金涂層顯微硬度和界面斷裂韌性影響Fig.6 WC-Ni cemented carbide coating microhardnessand interfacial fracture toughness dependent on sprayedparticles velocity and temperature by HVOF

圖7 HVOF噴涂硬質(zhì)合金覆層制造的推力軸承定位機構(gòu)零件照片F(xiàn)ig.7 Photographs of thrust bearing positioning partsmanufactured by HVOF sprayed cemented carbide coatings

圖7給出了HVOF噴涂硬質(zhì)合金覆層制造的推力軸承定位塊和定位銷釘照片。依據(jù)高硬度和成分梯度結(jié)構(gòu)WC-Ni硬質(zhì)合金覆層零件設(shè)計，優(yōu)化斜角掃描噴涂工藝，以及涂層與過渡層厚度、材料和結(jié)構(gòu)，覆層界面不發(fā)生開裂的高結(jié)合強度，消除了核主泵推力軸承定位機構(gòu)采用硬質(zhì)合金體材料常規(guī)設(shè)計潛在的脆性斷裂風(fēng)險，實現(xiàn)了大尺寸推力軸承定位機構(gòu)的抗沖擊制造。

4 推力軸承支承機構(gòu)魯棒設(shè)計方法與制造工藝

大尺寸軸向推力軸承支承機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由推力瓦對應(yīng)的一組上下交錯搭接的平衡梁組成，搭接處通過滾柱支承，采用彈簧預(yù)緊保證結(jié)構(gòu)完整性[17-18]。各可傾瓦之間有效平衡承載，保證均載減磨和抗震性能要求，魯棒設(shè)計降低平衡搭塊式支承機構(gòu)穩(wěn)定性對加工和裝配精度的嚴重依賴。利用熱處理和低溫離子注滲支承機構(gòu)零件的非線性動力學(xué)保辛模型，建立零件最大熱能、存儲彈性應(yīng)變能與硬度、彈性模量的定量關(guān)系，提出滿足支承機構(gòu)性能要求的載荷方差和振動位移為目標函數(shù)的魯棒設(shè)計。圖8給出了推力軸承推力瓦制造誤差對支承系統(tǒng)載荷方差的影響作用結(jié)果。載荷方差越小表明推力軸承支承系統(tǒng)均載能力越強。平衡梁結(jié)構(gòu)在推力瓦制造誤差150 μm產(chǎn)生的推力軸承載荷方差，與無平衡梁結(jié)構(gòu)支承系統(tǒng)的20 μm的制造誤差相當，平衡梁支承結(jié)構(gòu)可有效提高推力瓦間的均載能力。

圖8 推力瓦制造誤差對推力軸承支承系統(tǒng)載荷方差影響分析結(jié)果Fig.8 Influence of thrust pad manufacturing error onload variance of thrust bearing support system

通過優(yōu)化零部件尺寸范圍，確定平衡梁、滾柱耐磨損和抗疲勞的強韌性制造工藝。采用離子注滲技術(shù)[19]，對17-4 PH馬氏體不銹鋼400～450 ℃低溫表面強化，深度為20～30 μm具有殘余壓應(yīng)力的表面改性層提供有效的耐磨抗疲勞性能，表面粗糙度不發(fā)生明顯改變，保證了水潤滑軸承支承結(jié)構(gòu)的平衡精度和靈敏度，滿足了核主泵系統(tǒng)動力學(xué)特性要求。

在大功率核主泵推力軸承設(shè)計加工檢測一體化的高性能制造原理指導(dǎo)下，利用形性協(xié)同的模壓成型工藝、抗沖擊覆層制造工藝，以及具有魯棒性的強韌性制造工藝，實現(xiàn)了碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的軸向和徑向推力軸承高性能制造。圖9 給出了大功率核主泵樣機在全流量試驗后軸向和徑向推力軸承照片。核主泵樣機在全流量試驗啟停工況低PV值運行下，可傾式推力瓦面中心發(fā)生彈性變形，產(chǎn)生網(wǎng)格陣列織構(gòu)，改善了推力軸承的混合潤滑性能。在正常工況高PV值運行下，邊緣楔形面復(fù)合結(jié)構(gòu)可傾瓦的整體彈性變形促進流體動壓潤滑，提高了推力軸承的彈流潤滑性能。因而，從源頭上保證了核主泵運行的穩(wěn)定性和可靠性。

圖9 大功率核主泵樣機在全流量試驗后軸向和徑向推力軸承照片F(xiàn)ig.9 Photographs of axial and radial thrust bearingsprototype after testing of primary pump in full flow rig

5 結(jié)論

大功率核主泵推力軸承設(shè)計加工檢測一體化的高性能制造研究總體思路是，針對推力軸承高承載、均載能力和耐磨損抗沖擊性等性能要求，圍繞表界面完整性調(diào)控為核心的零部件幾何、材料、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的共性環(huán)節(jié)，發(fā)展高性能設(shè)計、加工和檢測一體化的高性能制造理論和3條互相依賴的技術(shù)路徑。依據(jù)高性能制造正問題和反問題復(fù)合求解原則，建立了零部件加工過程量、加工工藝載荷和材料加工載荷與表界面完整性的正向關(guān)系，利用面向材料的數(shù)據(jù)正則化、模型正則化和加工過程印記分析求解反向問題。在設(shè)計與加工正向求解基礎(chǔ)上，通過交替進行設(shè)計與加工正反分析的迭代過程確定所有未知制造參數(shù)，實現(xiàn)以可傾式推力瓦形性協(xié)同設(shè)計與模壓成型加工、定位機構(gòu)抗沖擊設(shè)計與覆層加工，以及支承機構(gòu)魯棒設(shè)計與強韌化加工為代表的推力軸承關(guān)鍵零部件的高性能制造。

致謝

大連理工大學(xué)和哈爾濱電氣動力裝備有限公司核電裝備制造研發(fā)團隊的貢獻。本文由國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目“大功率屏蔽式核主泵自主化形性協(xié)同制造原理”(2015CB057300)，國家自然科學(xué)基金項目(51601029,U1508218)資助。