生態(tài)友好型水潤滑滑動軸承在鴉雀尾泵站中的應(yīng)用

胡緒寶,袁龍剛

(中山市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

目前水利水電設(shè)備油潤滑金屬軸承、油封屬于易損件，制約了大修周期，并存在易磨損、易腐蝕、潤滑油污染、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和維護(hù)成本高等技術(shù)難題[1-3]，陳江明等[4-8]進(jìn)行了輕質(zhì)聚合物基耐磨材料用水作潤滑介質(zhì)的生態(tài)友好型水潤滑滑動軸承的研究，有效解決了傳統(tǒng)油潤滑軸承的不足,使水潤滑軸承能夠廣泛應(yīng)用于水利工程[9-12]。中山市鴉雀尾泵站針對大型排澇泵站采用常規(guī)軸承存在的一系列問題，在國內(nèi)較早提出并成功應(yīng)用生態(tài)友好型水潤滑滑動軸承技術(shù)，并在實(shí)踐中進(jìn)一步完善該技術(shù)。

1 水泵水導(dǎo)軸承選型應(yīng)用

1.1 工程概況

鴉雀尾泵站位于五鄉(xiāng)聯(lián)圍干堤、阜沙鎮(zhèn)阜沙涌雞鴉水道出口處，工程的主要功能為排澇，泵站設(shè)計(jì)流量為44 m3/s，泵站選用4臺1600ZLQ11-3.4型全調(diào)節(jié)立式軸流泵，配套4臺TL630-24/2150型同步電動機(jī)，泵站總裝機(jī)容量為2 520 kW。水泵機(jī)組總裝示意見圖1。

圖1 水泵機(jī)組總裝示意

泵站設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)：10年一遇最大24 h設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)生徑流1 d排干不致災(zāi)。

泵站特征揚(yáng)程：設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為3.5 m；最高凈揚(yáng)程為4.6 m。

水泵水導(dǎo)軸承位于水泵泵體內(nèi)部，分為上水導(dǎo)軸承和下水導(dǎo)軸承，水導(dǎo)軸承的主要作用是徑向固定水泵主軸，承受水泵主軸旋轉(zhuǎn)中傳來的徑向力。

1.2 水導(dǎo)軸承工作環(huán)境

氣溫：多年平均氣溫為22.1℃，年際變化不大。歷年最低氣溫為-1.3℃，歷年最高氣溫為38.7℃。

濕度：多年平均相對濕度為83%，最大為95%，最小為81%。

水質(zhì)：根據(jù)地表河水水質(zhì)檢測結(jié)果，地表河水對混凝土無腐蝕性，在干濕交替情況下對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。地表河水水質(zhì)檢測指標(biāo)見表1。

表1 地表河水水質(zhì)檢測指標(biāo)

1.3 生態(tài)友好型水潤滑滑動軸承技術(shù)原理

生態(tài)友好型水潤滑滑動軸承在充分研究水環(huán)境中軸與軸承的摩擦物理學(xué)和摩擦潤滑化學(xué)特性[13-15]的基礎(chǔ)上，通過多相IPN技術(shù)合成工程彈性體合金材料，并合理設(shè)計(jì)軸瓦和軸承結(jié)構(gòu)，使得該類軸承產(chǎn)品具有水潤滑、自潤滑、高承載和剛韌等特性；IPN合金制備過程中，通過原位聚合引入功能填料，如自潤滑微晶，極壓磨介粒子等，功能填料則利用等離子體表面活化，使其通過化學(xué)鍵與基體鍵合，達(dá)到材質(zhì)均質(zhì)、均相、強(qiáng)固。

1.4 生態(tài)友好型水潤滑滑動軸承主要優(yōu)點(diǎn)

1) 功能填料的表面活化處理。對功能性添加物如補(bǔ)強(qiáng)芳綸纖維、高強(qiáng)高模高密度聚乙烯纖維及固體內(nèi)外潤滑劑進(jìn)行表面活化改性，使其表面形成的活性基團(tuán)與基體樹脂形成化學(xué)鍵結(jié)合，而非普通的物理共混。達(dá)到均質(zhì)、均相、強(qiáng)固，防止添加物遷移、滲析，保持材料持久性均質(zhì)、穩(wěn)定。

2) 工程彈性體合金互穿網(wǎng)絡(luò)材料合成及原位聚合技術(shù)。通過針對性選擇基體樹脂，有效控制微相分離形態(tài)，達(dá)到基體聚合物改性目的?；ゴ┚酆衔锞W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對第三方添加粒子有包覆作用，增強(qiáng)聚合物合金的穩(wěn)定性。

3) 基于摩擦、磨損性能優(yōu)化的軸承設(shè)計(jì)。分析多種實(shí)際應(yīng)用所對應(yīng)的磨損情況，模擬設(shè)計(jì)各種工況下滑動軸承的動態(tài)壓力分布和液膜分布，優(yōu)化軸承設(shè)計(jì)改善摩擦、磨損情況，提高軸承的性能和壽命。

4) 離心薄層包覆工藝技術(shù)。對于承載要求高的工況，可通過在金屬摩擦副表面包覆薄層彈性體聚合物合金材料作耐磨涂層，定期更新耐磨材料層，可以大大延長摩擦副的使用壽命。通過一般的澆注反應(yīng)熱聚合方法形成薄層粘接到結(jié)基體材料上，而本產(chǎn)品采用的特色工藝，通過離心澆注的工藝，能夠在金屬表面包覆薄層工程彈性體聚合物合金材料，瓦襯厚度最小可達(dá)2 mm，克服了傳統(tǒng)過盈壓裝，壁厚比較大，過盈應(yīng)力緩慢釋放影響尺寸穩(wěn)定性，極大提高了軸承的動態(tài)工作壓力，另一方面，又能降低壁厚有效控制高分子材料的熱膨脹和吸水膨脹量，保持間隙穩(wěn)定，滿足了高性能的需求。

5) 多層層合技術(shù)。在軸瓦跟軸承體(襯背)之間介入卓越NDI工程彈性體材料作彈性緩震層，具有阻尼緩震性及軸線自適應(yīng)性，有效地解決了水泵上導(dǎo)、中導(dǎo)軸承干啟動及偏磨的問題。

6) 雙層減振降噪結(jié)構(gòu)技術(shù)。此結(jié)構(gòu)技術(shù)分2種，其中一種是包括軸承體、減震層和軸瓦層，減震層緊貼在軸承體的內(nèi)表面，軸瓦層設(shè)在減震層的內(nèi)表面，軸瓦層是由多個(gè)板條軸瓦構(gòu)成，多個(gè)板條軸瓦沿著減震層周向分布，相鄰板條軸瓦之間形成了介質(zhì)液槽。板條軸瓦上的與安裝軸的軸線平行的兩個(gè)側(cè)邊是活動的，當(dāng)其中的板條軸瓦的一側(cè)邊受壓向減震層的方向微動時(shí)，板條軸瓦的另一側(cè)邊反向微動。由于軸瓦層是由多個(gè)板條軸瓦構(gòu)成，并黏接在減振層上，板條軸瓦在工作過程中可隨轉(zhuǎn)速或載荷不同而進(jìn)行一定的擺動，增加支撐柔性，形狀自適應(yīng)性使表面壓力相等，促進(jìn)形成動態(tài)液膜，增強(qiáng)液膜承載剛度，增加吸收振動能量的能力，兼具優(yōu)良減振降噪特性。

1.5 生態(tài)友好型水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)形式

生態(tài)友好型水潤滑滑動軸承共有6種結(jié)構(gòu)形式，分述如下。

1) 混插板條水潤滑滑動軸承，混插板條水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意見圖2。特點(diǎn)：可由燕尾板條軸瓦靈活拼裝成對開軸承，便于安裝和維修，無需吊出主軸，檢修時(shí)如需要更換軸瓦，可便捷地替換板條軸瓦，相比筒式軸承過盈安裝更可靠；軸承由多種不同材料等級的均質(zhì)彈性體聚合物合金燕尾板條軸瓦混合或交錯(cuò)裝配而成，軸承耐磨性能好，自潤滑，有效實(shí)現(xiàn)軸承剛度與耐磨性之間的平衡，既耐磨又能有效控制泵軸振擺；對比傳統(tǒng)水潤滑軸承最大優(yōu)點(diǎn)是耐磨且不傷軸(軸套)，對軸線調(diào)節(jié)不嚴(yán)苛。選用自潤滑性能優(yōu)良的等級可實(shí)現(xiàn)直接干啟動，無需預(yù)潤滑，無需外接潤滑供水，簡化管理系統(tǒng)，降低故障源，提高機(jī)組的運(yùn)行可靠性。

圖2 混插板條水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意

2) 雙層減振式可傾瓦水潤滑滑動軸承，雙層減振式可傾瓦水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意見圖3。特點(diǎn)：形狀自適應(yīng)，減少振動和噪音；可傾瓦，液膜穩(wěn)定，減小摩擦副對磨；獨(dú)立瓦塊，徑向膨脹降低，尺寸穩(wěn)定性高；燕尾設(shè)計(jì)，特殊熱聚合物工藝，永不松脫。

圖3 雙層減振式可傾瓦水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意

3) 柔潤式耐泥沙水潤滑滑動軸承，柔潤式耐泥沙水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意見圖4。特點(diǎn)：有多種硬度可供選擇，可替換各型號橡膠和合成橡膠；使用壽命長，柔潤不磨軸(套)，適用于泥沙水質(zhì)；配合燕尾槽和環(huán)槽限位，離心敷層工藝，有效防止軸瓦脫胎。

圖4 柔潤式耐泥沙水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意

4) 臥式水潤滑滑動軸承，臥式水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意見圖5。

圖5 臥式水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意

特點(diǎn)：整體式動態(tài)承載面壓可達(dá)12 MPa；配合采用獨(dú)特的分半水槽設(shè)計(jì)，臥式軸承低速狀態(tài)下促進(jìn)形成穩(wěn)定的潤滑液膜，降低啟動的扭矩。

5) 雙層結(jié)構(gòu)水潤滑滑動軸承，雙層結(jié)構(gòu)水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意見圖6。特點(diǎn)：雙層結(jié)構(gòu)，外層材料承載力高，可采用過盈安裝工藝，內(nèi)襯材料柔潤不磨軸(套)，外層為增強(qiáng)非金屬殼體，采用特殊成型工藝，確保雙層材料不分離；使用壽命長，柔潤不磨軸(套)，適用于泥沙水質(zhì)。

圖6 雙層結(jié)構(gòu)水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意

6) 分塊水導(dǎo)瓦結(jié)構(gòu)水潤滑滑動軸承，分塊水導(dǎo)瓦結(jié)構(gòu)水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意見圖7。特點(diǎn)：采用分塊瓦哈夫結(jié)構(gòu)(4塊/6塊/8塊)，便于安裝和維修，無需出軸；獨(dú)立瓦塊，徑向膨脹降低，尺寸穩(wěn)定性高；可以通過在瓦背與軸承體內(nèi)徑之間增減銅箔墊片現(xiàn)場微調(diào)配合間隙；具有適宜的彈性，能有效吸收啟動和運(yùn)行中的震動，保持主軸平穩(wěn)。

圖7 分塊水導(dǎo)瓦結(jié)構(gòu)水潤滑滑動軸承結(jié)構(gòu)示意

1.6 水泵水導(dǎo)軸承選用

根據(jù)鴉雀尾泵站所在河流地表河水水質(zhì)檢測結(jié)果，水質(zhì)腐蝕性較小，水質(zhì)泥沙含量較低，為清水河流；根據(jù)水泵裝置模型試驗(yàn)研究報(bào)告中水泵的飛逸特性計(jì)算機(jī)組的最大飛逸轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速(n=250 r/min)的1.75倍。水泵水導(dǎo)軸承目前常用的有金屬軸承、橡膠軸承及水潤滑滑動軸承(高分子聚合物基輕質(zhì)耐磨材料軸承)，鴉雀尾泵站為中山市阜沙鎮(zhèn)的骨干排澇泵站，工程任務(wù)十分重要，雞鴨水道為水源保護(hù)地，從減少礦物油排放，實(shí)現(xiàn)軸承無油化，保護(hù)水源，保護(hù)環(huán)境考慮，不采用油潤滑金屬軸承；橡膠軸承的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效地吸收振動、減少噪聲、耐磨、降低磨損，缺點(diǎn)是干摩擦性能差，耐酸堿性差，使用時(shí)需從外部充分地給水，使用壽命較短，從使用可靠性及使用壽命考慮，不采用橡膠軸承；水潤滑和自潤滑的高分子聚合物基輕質(zhì)耐磨材料能隔離機(jī)械傳動系統(tǒng)的振動、噪音和沖擊，是非常理想的磨潤減振、降噪和抗沖擊材料，尤其適合于用水作潤滑介質(zhì)，因此，選用水潤滑滑動軸承，鴉雀尾泵站為大型排澇泵站，汛期不宜檢修，非汛期檢修周期短，如果汛期排澇期間出現(xiàn)故障，需要快速檢修，水泵水導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)形式選用，首先從便于檢修角度出發(fā)，改變傳統(tǒng)的筒式軸承結(jié)構(gòu)為兩半式對開軸承結(jié)構(gòu)，無需吊出主軸，快速更換損壞的板條軸瓦，檢修完成后安裝時(shí)對軸線調(diào)節(jié)不嚴(yán)苛，能快速安裝；其次機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為250 r/min，機(jī)組轉(zhuǎn)速高，軸瓦需選用耐磨材料，機(jī)組的最大飛逸轉(zhuǎn)速為437.5 r/min，是額定轉(zhuǎn)速的1.75倍，機(jī)組產(chǎn)生飛逸時(shí)，將產(chǎn)生較大的徑向力，需選用剛度大材料，混插板條水潤滑滑動軸承具有有效實(shí)現(xiàn)軸承剛度與耐磨性之間的平衡，既耐磨又能有效控制泵軸振擺，同時(shí)經(jīng)過對生態(tài)友好型水潤滑滑動軸承6種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)比較分析及結(jié)合性價(jià)比，最終選用混插板條水潤滑滑動軸承。

2 運(yùn)行效果分析

鴉雀尾泵站水泵采用了生態(tài)友好型水潤滑水導(dǎo)軸承，與傳統(tǒng)常規(guī)橡膠軸承及油潤滑金屬軸承相比，此軸承結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強(qiáng)、耐磨損、運(yùn)行穩(wěn)定、檢修周期長，每年節(jié)約運(yùn)行維護(hù)成本約10萬元，提高了泵站運(yùn)行保證率，同時(shí)避免了油潤滑軸承漏油造成的江河污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，工程自2018年投產(chǎn)，平均單機(jī)組運(yùn)行達(dá)300 h，運(yùn)行管理便利，節(jié)約運(yùn)行維護(hù)成本約40萬元，排澇效果顯著，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境生態(tài)效益。

3 結(jié)語

水泵水導(dǎo)軸承目前常用的有金屬軸承、橡膠軸承及高分子材料軸承，金屬軸承常采用油潤滑，橡膠軸承及高分子材料軸承常采用水潤滑。水潤滑和自潤滑的高分子聚合物基輕質(zhì)耐磨材料能隔離機(jī)械傳動系統(tǒng)的振動、噪音和沖擊，是非常理想的磨潤減振、降噪和抗沖擊材料，尤其適合于用水作潤滑介質(zhì)，為用戶水下動力傳動系統(tǒng)及裝備高效節(jié)能環(huán)保等重大難題提供有效解決方案，減少礦物油排放，實(shí)現(xiàn)軸承無油化，保護(hù)水源，保護(hù)環(huán)境。

同時(shí)，高分子材料軸承需要進(jìn)一步完善方：① 形成國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，逐步形成標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品；② 水潤滑軸承集成化及數(shù)字化，增加軸承的運(yùn)行如瓦面壓力、液膜厚度、振動、擺度、磨損等參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測，需進(jìn)一步加強(qiáng)以上兩方面的研究。