立式水潤滑可傾瓦軸承-轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)*

張 旭 陳昌敏 荊建平

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 上海 200240)

我國引入的三代核電堆型AP1000的核島主泵采用立式水潤滑屏蔽泵。該泵轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子一同浸沒在冷卻劑中[1-7]，因而，支撐轉(zhuǎn)子的導(dǎo)軸承也必須采用核反應(yīng)堆冷卻劑潤滑，即水潤滑。

上述水潤滑屏蔽泵的部分尺寸和工作參數(shù)如表 1所示。

表1 AP1000的核島主泵水潤滑徑向軸承部分參數(shù)

水潤滑軸承是核主泵中最關(guān)鍵的部件之一，也是核主泵技術(shù)引進(jìn)中隱患最多的部件[8]。國內(nèi)學(xué)者對該水潤滑軸承進(jìn)行了大量的仿真和試驗(yàn)[8-9]。其中，實(shí)現(xiàn)對各工況下水膜壓力分布的測量，無疑對驗(yàn)證液體動壓潤滑理論與測量軸承的動靜特性有重要的意義。

對于固定瓦軸承，尤其是臥式布置的固定瓦軸承，對載荷-偏心和潤滑膜壓力的測量技術(shù)已經(jīng)非常成熟。CHILDS、CHATTERTON等學(xué)者采用浮動軸承加載，即將轉(zhuǎn)子固定在浮動安裝的軸承上施加靜載荷的方式，設(shè)計(jì)了若干軸承試驗(yàn)臺[10-14]。上述試驗(yàn)臺通過在軸上或固定圓瓦軸承瓦面上埋置傳感器，測得了臥式轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的瓦面壓力分布，如圖 1所示。

和固定瓦軸承不同，為了保證瓦塊的自由運(yùn)動，測量可傾瓦軸承瓦面壓力時，無法將傳感器從軸承座置入軸瓦表面，而需要從瓦背置入。又由于軸承采用一般狀態(tài)下具有一定導(dǎo)電能力的水進(jìn)行潤滑，且內(nèi)部存在一定供水背壓，由此帶來傳感器出線密封、絕緣等問題。因此對軸承潤滑膜壓力分布的測量尚未涉及水潤滑可傾瓦軸承。

另外，立式軸承和臥式軸承對軸承安裝精度要求有很大的不同。在廣泛采用的臥式軸承試驗(yàn)臺布置中[10-12]，軸承的自重和加載方向是相同的。在軸頸起飛之后，液膜力即可抵消重力的作用。且由于液膜力隨液膜厚度減小顯著增加，由此在軸頸傾斜時，浮動安裝的軸承會受到潤滑膜提供的隨傾斜角度增大的回正力矩。因而，臥式軸承試驗(yàn)臺有很強(qiáng)的抗軸承傾斜擾動能力。其約束機(jī)構(gòu)通常形式簡單,如圖2所示。

圖2 浮動軸承約束機(jī)構(gòu)(框內(nèi))[12]

而對于立式軸承試驗(yàn)臺，通過下文分析可知，軸承的重力影響大不相同，初始間隙不均往往導(dǎo)致轉(zhuǎn)子起飛失敗。有鑒于此，本文作者對核主泵立式水潤滑可傾瓦軸承進(jìn)行縮比，通過反向加載、瓦上置入壓力傳感器陣列手段，采用適合立式轉(zhuǎn)子加載工況的軸承約束機(jī)構(gòu)，研制了立式四瓦可傾瓦水潤滑軸承試驗(yàn)臺，為水潤滑導(dǎo)軸承的靜動力學(xué)特性、故障診斷、壽命預(yù)測的深入研究提供試驗(yàn)條件。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

建立的試驗(yàn)臺如圖 3、圖 4所示。在試驗(yàn)臺中，轉(zhuǎn)子架于2個角接觸徑向軸承之間，由膜片聯(lián)軸器與三相異步電機(jī)(配有變頻器)相連。

圖3 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)

圖4 試驗(yàn)臺照片

試驗(yàn)軸承為剖分式結(jié)構(gòu)，安裝于兩導(dǎo)軸承中央，通過4個滾珠支角支于支撐架上。軸承參數(shù)通過縮比計(jì)算得到，縮比中保證了寬徑比、相對間隙和Summerfeld數(shù)相同?？s比參數(shù)如表2所示。

表2 軸承縮比前后參數(shù)

軸承上下兩端面各有一組正交的位移傳感器，用于測量轉(zhuǎn)軸渦動。軸承座上開有出、入水口，與潤滑系統(tǒng)相連，上下端裝有水封，以保持內(nèi)部壓力。

整個試驗(yàn)臺按照功能可分為測量系統(tǒng)、加載激勵和軸承約束系統(tǒng)、供水和密封系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。下面將進(jìn)一步介紹各部分系統(tǒng)。

1.1 加載、激勵和軸承約束系統(tǒng)

如圖 5所示，試驗(yàn)臺通過固連在支撐架上的液壓油缸施加徑向載荷。載荷施加點(diǎn)位共兩處，分別對應(yīng)瓦向加載和瓦間加載，兩處加載點(diǎn)相隔45°。與每種加載工況相對應(yīng)，每個加載槽左右各有一激勵點(diǎn)位，分別位于加載槽順時針45°處和逆時針45°處。試驗(yàn)時可以旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)軸承，以實(shí)現(xiàn)瓦向、瓦間2種靜載荷加載方式。

加載和激勵機(jī)構(gòu)還需要配合約束機(jī)構(gòu)使用。約束機(jī)構(gòu)需將軸承的運(yùn)動約束在加載力和激勵力平面內(nèi)，同時保證軸承能夠在該平面內(nèi)自由運(yùn)動。臥式軸承試驗(yàn)臺軸承浮動多采用繩吊掛的方式[12-13]。

若將吊掛法用于立式軸承試驗(yàn)臺，據(jù)此討論圖 6中軸承安裝傾斜對系統(tǒng)造成的影響。軸承安裝完成后，由于掛繩長度不一致，造成軸承傾斜θ0。此時軸承邊緣不與轉(zhuǎn)子接觸的條件是：

圖6 掛繩長度不一致造成的軸承傾斜(a)和糾正傾斜所需克服的重力矩(b)

θ0<θ0,max=arctan(ψ/λ)

(1)

以文中試驗(yàn)件為例，間隙比ψ=0.1%，寬徑比λ=1，得到:

θ0,max=0.057°

而滿足此條件要求掛繩長度差別滿足下式：

Δs<Δsmax=2lsinθmax

(2)

其中l(wèi)為懸掛點(diǎn)到軸承重心的水平距離。當(dāng)掛點(diǎn)在軸承座邊緣時,Δs能夠取到最大值，即

Δsmax=0.26 mm

和臥式軸承不同，只有當(dāng)水膜力矩大于軸承重力矩時，才能改變軸承姿態(tài)。此時，根據(jù)靜平衡條件，在軸承最終平衡的位置水膜力和重力矩相等，即：

Mfilm(θstatic)=mgl

(3)

注意到θstatic在存在初始傾斜θ0時不可能為0。因若θstatic為0，水膜厚度沿軸向處處相等，無法產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩。也就是說，立式軸承試驗(yàn)臺在軸承安裝產(chǎn)生一初始偏角時，不可能通過水膜力使得軸承回到與軸頸平行狀態(tài)。因此，和臥式軸承試驗(yàn)臺不同，對于立式軸承試驗(yàn)臺，其初始狀態(tài)軸承與軸頸的平行度的精確調(diào)節(jié)尤其重要。

進(jìn)一步地，即使軸承被一等長平行繩組吊掛至和轉(zhuǎn)子呈平行狀態(tài)，若對軸承施加靜載荷，軸承的水平移動將在繩中產(chǎn)生一回正力(如圖 7所示)，其大小為

圖7 掛繩偏角產(chǎn)生的回正力

Frope=mgtanα

(4)

其中α為繩偏角。此時軸承在外加靜載荷、回正力和水膜力下平衡：

Fstatic=Frope+Ffilm

(5)

此時若認(rèn)為水膜力和外載荷相等，則將在測量中引入一系統(tǒng)誤差，且繩長越短，軸承偏心越大，該誤差越大。

考慮到實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)繩長的難度，以及采用繩吊掛時產(chǎn)生的測量系統(tǒng)誤差。文中設(shè)計(jì)了如圖8所示的滾珠支角。其由支座、調(diào)節(jié)螺桿、鎖緊螺母、球碗和滾珠(降低約束機(jī)構(gòu)和軸承座之間的摩擦力)組成。支座上的孔為螺孔，與鎖緊螺母組成雙螺母調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。通過調(diào)整螺桿伸出長度來調(diào)節(jié)被試軸承安裝平面。

圖8 滾珠支腳及安裝示意

此時要實(shí)現(xiàn)公式(2)中的高度容差，允許的各螺桿間最大轉(zhuǎn)角差為

(6)

以M5細(xì)牙螺紋為例，螺紋導(dǎo)程p=0.5 mm，最大轉(zhuǎn)角差為

Δφ=187.2°

此時較為容易實(shí)現(xiàn)對軸承姿態(tài)的調(diào)節(jié)。

1.2 測量系統(tǒng)

試驗(yàn)臺所測量的參數(shù)有轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與鍵相、外加徑向載荷、水膜壓力分布、轉(zhuǎn)軸渦動軌跡、瓦面溫度和軸承進(jìn)出口水壓。

其中轉(zhuǎn)速和鍵相通過安裝在轉(zhuǎn)速盤齒和鍵槽的電渦流傳感器獲得(如圖 9所示)。水膜壓力脈動通過埋入瓦塊的傳感器陣列獲得(如圖10所示)，每瓦共10只；每瓦另埋3只熱電偶，用于獲得瓦面溫度。轉(zhuǎn)軸渦動通過安裝在軸承上下兩端的電渦流傳感器獲得。其余各壓力參數(shù)通過相應(yīng)流體回路上壓力表讀出。

圖9 轉(zhuǎn)軸渦動(a)和鍵相、轉(zhuǎn)速(b)的測量

圖10 傳感器安裝孔布置(a)和瓦塊裝配方式(b)

1.3 供水和密封系統(tǒng)

核主泵在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，一回路冷卻水壓力約為2.41 MPa(如表1所示)。由于有這一供水背壓，核主泵軸承工作在全水膜狀態(tài)下。

為了保證水膜狀態(tài)和實(shí)際情況一致。試驗(yàn)臺使用如圖11所示回路為被試軸承提供一定的供水背壓(試驗(yàn)中為2 MPa)，液壓泵1出口壓力通過溢流閥2調(diào)定，被試軸承8進(jìn)出口壓力通過調(diào)速閥5和減壓閥10調(diào)定。蓄能器7用于吸收來自水泵的壓力波動，被試軸承上下游壓力通過壓力表6、9讀出。

圖11 供水壓力回路

作為以水作潤滑劑的配套措施，所有部件需有防銹能力。試驗(yàn)臺軸承座采用不銹鋼制造，考慮到不銹鋼和巴氏合金親合性差，瓦塊采用45鋼加工，表面作鍍鉻處理。傳感器背面引線處采用702硅膠密封。

測量水膜壓力的傳感器安裝在可傾瓦塊上，其引線通過軸承座上開孔引出。引線孔處需要密封，以保證潤滑回路不在該處卸荷。

引線的密封采用穿孔橡膠片組，在孔緣切縫以便于置線。外部用二分的金屬夾殼夾緊(圖12所示為半邊夾殼)，擰裝于軸承座上。橡膠片孔徑略小于引線直徑，外徑略大于夾殼內(nèi)徑，保證預(yù)緊之后產(chǎn)生足夠大的密封壓力。

圖12 引線密封示意

2 試驗(yàn)結(jié)果

對試驗(yàn)臺的各項(xiàng)功能指標(biāo)進(jìn)行了測試，其中轉(zhuǎn)速1 588 r/min測試工況的部分結(jié)果如下。

如圖13所示，瓦面溫度隨載荷總體不斷上升，變化幅度約為10 ℃。圖14所示為潤滑水背壓隨載荷的變化，進(jìn)出口壓力為每次試驗(yàn)之前調(diào)定，進(jìn)口壓力設(shè)定值接近2 MPa，出口壓力值平均比入口壓力低0.98 MPa，且該值保持穩(wěn)定。說明試驗(yàn)容器有良好的保壓性能。

圖13 1 588 r/min轉(zhuǎn)速下瓦向承載溫度-載荷曲線

將某一傳感器測得的轉(zhuǎn)軸渦動信號按周期疊加在一起，如圖15所示為設(shè)定工況下，連續(xù)的450個周期的轉(zhuǎn)子在某方向渦動的分量值。能夠看出每周期的位移曲線基本重合，說明試驗(yàn)臺工作狀態(tài)穩(wěn)定，有良好的重復(fù)性。

圖15 某通道測得位移(450周期疊加)

圖16、17所示為1 588 r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖和取其中一個通道所測位移分量的頻譜圖，能夠看到轉(zhuǎn)頻信號在其中占主導(dǎo)成分。

圖16 1 588 r/min轉(zhuǎn)速下軸心軌跡

圖17 1 588 r/min轉(zhuǎn)速下軸心軌跡頻譜

壓力傳感器所測得物理量為壓力的變化率。提取轉(zhuǎn)頻信號做插值處理得到如圖 18、19所示的壓力變化率云圖。

圖18 壓力變化率云圖和轉(zhuǎn)子軌跡圖(1)

圖19 壓力變化率云圖和轉(zhuǎn)子軌跡圖(2)

云圖中，近端為電機(jī)端，右側(cè)為該時刻軸心位置和軌跡?？梢钥闯?，壓力變化率云圖的峰值點(diǎn)相位大約比軸心軌跡提前90°，預(yù)測了峰值和谷值出現(xiàn)的位置，驗(yàn)證了測試結(jié)果的合理性。

如圖 20、 21所示為1 588 r/min轉(zhuǎn)速下瓦間和瓦向承載2種加載方式下軸心平衡位置軌跡(轉(zhuǎn)軸順時針方向轉(zhuǎn)動)。由于靜載荷施加在軸承座上，因此隨著載荷不斷增加，軸心靜平衡位置向上移動。從2條軸心平衡位置軌跡可以看到軸承交叉剛度的影響。

圖20 瓦間承載工況軸心平衡位置軌跡

圖21 瓦向承載工況軸心平衡位置軌跡

3 結(jié)論

(1)按照相似準(zhǔn)則對AP1000核主泵進(jìn)行縮比設(shè)計(jì)，在滿足其Summerfeld數(shù)、寬徑比和間隙比的要求下，設(shè)計(jì)出適合試驗(yàn)研究的軸承試件；通過比較臥式軸承試驗(yàn)臺和立式軸承試驗(yàn)臺在加載時對于軸承約束的不同，給出了適合立式軸承試驗(yàn)臺的浮動軸承約束機(jī)構(gòu)方案。

(2)結(jié)合AP1000核主泵全水膜條件，設(shè)計(jì)了供水和密封系統(tǒng)，保證了軸承能夠獲得一定的供水背壓，使其與核主泵軸承實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)條件相符；裝備了與加載激勵系統(tǒng)相符合的傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對測算被試軸承動靜特性所需要的載荷、軸承-軸頸相對位移、水膜壓力、轉(zhuǎn)速、鍵相、瓦溫、供水壓力等參數(shù)的測量。

(3)對立式可傾瓦水潤滑軸承試驗(yàn)臺進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明試驗(yàn)臺轉(zhuǎn)速、壓力等參數(shù)控制準(zhǔn)確，運(yùn)行狀態(tài)良好，能夠開展核主泵水潤滑軸承動靜特性的試驗(yàn)研究。