弹性金属塑料瓦推力轴承起动过程实验研究[公开] by 潘菁菁[硕士]

1、中图分类号： 单位代号：11903 密 级： 学 号： SHANGHAI UNIVERSITYENGINEERING MASTERS THESIS题目弹性金属塑料瓦推力轴承起动过程瞬态研究作 者 潘菁菁学科专业 机械设计及理论导 师 王小静完成日期 2005年3月本论文经答辩委员会全体委员审查, 确认符合上海大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：主任：委员：导 师：答辩日期：原 创 性 声 明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确

2、的说明并表示了谢意。签 名：_日 期_本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 （保密的论文在解密后应遵守此规定）签 名：_ 导师签名：_ _日期：_图书分类号： 单位代码：11903学 号：03720482上海大学工学硕士学位论文弹性金属塑料瓦推力轴承起动过程实验研究姓 名：潘菁菁导 师：王小静时 间：2005年3月A Dissertation Submitted to Shanghai University for the Degree ofMaster in Engi

3、neeringThe experiment research of the Elasto-metal-plasticsthrust bearing during its starts-upM D Candidate ：Pan jingjingSupervisor ：Wang xiaojingMajor ：Science and Technology for Machine DesignShanghai University Mechanical Engineering & Automation CollegeFebruary 2005摘 要本文对弹性金属塑料瓦推力轴承起动过程中的瞬态性

4、能进行了试验研究，在国内外推力轴承试验台研究的基础上，作者设计制造出一台弹性金属塑料瓦推力轴承试验装置。设计了基于PC 机的数据采集卡组建的信号采集系统的硬件系统和使用LABVIEW 开发了基于虚拟仪器技术的弹性金属塑料瓦的数据采集软件系统。在该试验台上进行了弹性金属塑料瓦推力轴承瞬态工况下的试验研究，重点分析了弹性金属塑料瓦推力轴承起动过程中的润滑机理，并研究分析了弹性金属塑料瓦在起动过程中，聚四氟乙烯分子在钢表面形成转移膜的形成分布；对比了弹性金属塑料瓦推力轴承与巴氏合金瓦推力轴承在瞬态工况下的性能差别，并得到了一些有意义的试验结果：通过弹性金属塑料瓦推力轴承起动试验可知，升速时间越短，弹

5、性金属塑料瓦的温升越快，随着升速时间的增加，温度升高；油膜温度随载荷的增大而增大，油膜厚度随载荷的增大而减小。通过加长主轴运转时间试验可知，随着主轴的连续运转不同升速时间对弹性金属塑料瓦油膜温度的影响很小；弹性金属塑料瓦随着主轴的连续运转，聚四氟乙烯层减薄，瓦块出油边磨损量较多；通过弹性金属塑料瓦推力轴承和巴氏合金瓦推力轴承的对比实验可知，弹性金属塑料瓦起动初期温升比巴氏合金瓦更快，稳定运转后弹性金属塑料轴瓦的油膜温度低于巴氏合金轴瓦。这是由于升速时，弹性金属塑料瓦的瓦体导热性差，油膜中的热量难以及时传出，当运转时间加长以后，由于弹性金属塑料瓦轴瓦表面的滑移作用，增大了润滑油的流量，使得弹性金

6、属塑料瓦的油膜温度要低于金属瓦的油膜温度，而且载荷越大、转速越高，两者的油膜温度差值越大，越显示出弹性金属塑料瓦的优越性。 关键词：弹性金属塑料瓦 起动过程 瞬态实验研究 推力轴承本课题得到上海市高等学校科学技术发展基金项目（NO.02AK19）“弹性金属塑料瓦推力轴承起动过程瞬态热流体研究”的资助ABSTRACTThis paper is aimed to research the experimental transient performance of the Elasto-metal-plastics (EMP thrust bearing during its start-up. T

7、he author designed and manufactured a test rig for this purpose. An EMP thrust bearings data acquisitions hardware based on the PC and a software based on LabVIEW was developed.A lot of EMP thrust bearing transient experiments had done on the test rig, The lubrication mechanics of the EMP thrust bea

8、rings start-up is studied and the behavior of the polytetrafluoroethylene(PTFE molecule distribution on the surface of the thrust collar is analyzed when the EMP thrust bearing starts up. The performance of the EMP thrust bearing is compared to that of the Babbitt metal thrust bearing in the transie

9、nt state operating conditions. Some significance results have been obtained from the experiments. It is found that the time of the raising speed is shorter, the increasing speed of the oil film temperature is faster; and the longer the raising speed time, the higher the oil film temperature is; the

10、load is bigger, the oil film temperature is higher, and the oil film thickness is thinner. When the shaft rotating for a long time, the raising speed time has little effect on the oil film temperature. As the continuous rotating of the shaft, the thickness of the PTFE layer will be thinner, and the

11、big wear happens on the outlet side. Comparing the performance of the EMP thrust bearing to the Babbitt metal thrust bearing, in the first start up, the temperature of the EMP thrust bearing is higher than the Babbitt metal thrust bearing; as the rotating time is longer, the oil film temperature of

12、the EMP thrust bearing islower than that of Babbitt metal thrust bearing. That is because there is slipping in the surface of the EMP thrust bearing, which enlargs the oil flow; and the lager the load, the higher the rotating speed, the higher temperature difference between the two kinds of thrust b

13、earings, the more superiority of the EMPthrust bearing is.Keyword: EMP pad start-up transient research thrust bearing experimentSHANGHAI UNIVERSITY.1 摘 要.V ABSTRACT.VI第一章 绪 论.11.1引言.11.2国内外巴氏合金瓦推力轴承实验研究概况.31.3国内外弹性金属塑料瓦的研究概况.51.4本论文的研究内容.8第二章 弹性金属塑料瓦推力轴承实验台的结构设计.102.1推力轴承工作原理简介.102.2实验推力轴承参数设计.102.3

14、实验台结构设计.13第三章 数据采集系统的硬件设计.183.1方案设计.183.2数据采集系统硬件的选用.193.3传感器的标定.263.4传感器的测试方法.29第四章 数据采集系统软件设计.354.1开发环境简介.354.2数据采集系统程序设计.36第五章 巴氏合金瓦推力轴承起动过程实验研究.435.1不同升速时间巴氏合金瓦推力轴承性能变化实验研究.435.2加载过程中巴氏合金瓦推力轴承性能变化.475.3 加长运转时间巴氏合金瓦推力轴承性能变化.495.4 本章小结.51第六章 弹性金属塑料瓦推力轴承的实验研究.526.1不同升速时间弹性金属塑料瓦推力轴承性能变化实验研究.526.2加载过

15、程中弹性金属塑料瓦推力轴承性能变化.586.3 加长运转时间弹性金属塑料瓦推力轴承的性能变化.626.4 弹性金属塑料瓦推力轴承进油温度不同的对比实验.696.5 弹性金属塑料瓦与镜板间无预留间隙起动实验研究.706.6 弹性金属塑料轴瓦与巴氏合金轴瓦的对比实验研究.726.7 本章小结.78第七章 总结与期望.807.1 总结.807.2 期望.81参考文献.82攻读硕士学位期间发表论文.88致 谢.89插图清单.90表格清单.93第一章 绪 论1.1引言推力轴承是立式水轮发电机组的关键部件之一，推力瓦几乎承受了机组转动部分的全部重量（包括水推力），其性能直接关系到整台机组能否正常运行发电。

16、长期以来，在各大水轮发电机组上使用的推力轴承的瓦面材料大都用钨金(亦称巴氏合金，主要成分为锡、铅、铜、锑 。随着推力轴承负载的提高，推力瓦的几何尺寸和工况要求也不断提高，从而增加了瓦的弹性变形和热变形，引起瓦面局部单位面积压力过大，轴瓦与轴发生热膨胀，油膜间隙减小直至油膜破坏，摩擦发热而温度过高，瓦面钨金烧损，推力轴承发生故障，机组不能运行，甚至造成起动中烧瓦的恶性事故。前苏联19561975年的20年中发生300起推力轴承停机故障，我国乌江渡、龙羊峡、大化、葛洲坝、白山、渔子溪等电厂的大型水轮发电机钨金瓦推力轴承曾发生多次烧瓦故障。提高推力轴承运行承载性能的主要途径有：1改进推力轴承的支承结

17、构和冷却结构。西方国家的水轮发电机制造厂家主要依靠开发多点支承结构，如小弹簧簇支承、橡胶板支承、多托盘支承、平衡梁支承及多点可调螺丝支承等1，以调整瓦的变形，利用多年积累的试验和实际运行数据优化设计，提高了大型推力轴承运行的可靠性，因而西方国家的水电机组使用钨金瓦推力轴承较多，不过现在对弹性金属塑料瓦的研究也开始起步。我国和前苏联在大型推力轴承中采用的液压弹性油箱支承结构，尤其是我国采用的无支柱螺丝弹性油箱支承结构能比较有效地减少钨金瓦压力变形。2采用瓦面新材料。我国和前苏联致力于采用新型轴瓦材料，以尽可能提高推力轴承的综合性能。弹性金属塑料推力瓦是一种新型轴瓦材料，是用青铜合金弹簧丝有规则绕

18、制的弹性垫基体与聚四氟乙烯板(或改性聚四氟乙烯板 组成的复合体，钎焊到钢基瓦坯上而制成的，它不仅把聚四氟乙烯化学稳定性及自润滑性和金属青铜丝柔软、弹性良好地结合起来，而且还赋予它以新的优良的综合特性。1974年，前苏联首次将弹性金属塑料瓦推力轴承成功应用于古比雪夫电站9号机组上2。同年底，伏尔加9号机组也采用了弹性金属塑料瓦。1981年在布拉茨克电站的单机250MW 的一台机上进行了全性能实验，并获得通过。1983年5月，布拉茨克全部机组换用了这种轴瓦。至1985年末，前苏联已经在38座水电站的325台机组上安装了弹性金属塑料瓦，以代替巴氏合金瓦，获得巨大成功，并取得了极大的技术经济效益。自九

19、十年代初我国从前苏联引进弹性金属塑料瓦推力轴承以来，这种新型复合材料轴承在我国水电机组中已经得到广泛应用，我国已能自行生产，在国内70以上的水电发电机组中已采用弹性金属塑料瓦来取代传统巴氏合金轴瓦。比如，湖南资兴市波水电站原三台卧式水轮发电机组采用传统的巴氏合金瓦，于1993年12月相继投入运行3。由于制造厂家在机组设计、制造工艺上的缺陷，导致机组运行轴瓦温度过高，特别是2号和3号机组尤为突出，为此不得不长期低负荷运行。同时在正常运行时，常发生机组烧瓦事故(瓦温表指示59时 。在投运几年来(19931999年 ，由于烧瓦事故造成的检修次数为12次/月，从而造成电站检修成本过高，检修工期过长，严

20、重影响电站的安全、经济、稳定运行。为了解决这一问题，电站于1999年11月对机组采用了弹性金属塑料轴瓦。经运行发现使用弹性金属塑料轴瓦后， 在相同工况下运行时，瓦温比原来降低约10，这样使得轴瓦事故率大为下降。该塑料瓦与镜板的摩擦系数仅为巴氏合金的35%50%，这不仅使盘车省事、省力，而且降低了推力轴承的磨损速度。且该塑料瓦不需研刮，从而减轻了劳动强度，缩短了检修工期。国外如北欧Fortum 公司也为大量电站安装了弹性金属塑料瓦轴承4，经过运行使用，同样认为使用弹性金属塑料瓦的轴承，其工作性能远好于普通巴氏合金瓦轴承。大量样机实验和现场运行结果表明，弹性金属塑料瓦推力轴承与巴氏合金瓦推力轴承由

21、于轴瓦材料、结构的不同，前者在各项润滑性能上都显示出明显的优越性5-8。弹性金属塑料复合材料轴瓦的一些摩擦学特性保证该种轴承优异的润滑性能。弹性金属塑料瓦表面的氟塑料，干摩擦系数是已知固体工程材料中最低的、其油润滑下的摩擦系数更低，自润滑性非常好。氟塑料与钢对摩时，其分子会在钢表面形成一层转移膜。瓦表面能形成微凹变形自动起到类似金属瓦表面人工挑花的作用，有利于形成微储油坑，这对于低速重载轴承安全起停尤为重要。由于弹性较好，该种轴承能吸收外因素（例如水力不平衡、振动、摆动等）脉动负荷对轴承的危害。这些特性使弹性金属塑料瓦的起动功率和制动功率大大降低，在安装和检修时不需要刮瓦和研瓦，不需要高压顶起

22、装置，节省了时间，也降低了修理费用。用塑料瓦椎力轴承的机组起动力矩较小、盘车力矩较小、不制动的惰性停机时间较长。已有实验发现，在氟塑料与润滑油界面上存在滑移现象9-10，滑移的存在使弹性金属塑料瓦的油膜温度下降、承载力提高、摩擦功耗减小。低油温油膜厚又保证了弹性金属塑料瓦推力轴承具备更高负荷能力。然而，与该种性能优越的新型轴承的广泛应用形成鲜明对比的是弹性金属塑料瓦推力轴承的研究严重滞后，其润滑机理还未得以真正揭示，尤其是弹性金属塑料瓦起动过程中的瞬态性能变化还未得以掌握。缺乏研究基础的工程应用必将带来重大事故隐患。葛洲坝、大化等电站在机组起动过程中已发生弹性金属塑料瓦烧瓦的恶性事故，黄河小浪

23、底水利枢纽则发生起动时由弹性金属塑料瓦引发的机组振动事故11。对于弹性金属塑料瓦的研究远没有金属瓦成熟，对其承载机理研究尚待深化。因此，研究弹性金属塑料瓦推力轴承起动时的瞬态性能变化十分重要。据作者调研，有关弹性金属塑料瓦推力轴承起动时瞬态性能变化的实验研究未见报道。因此，该项研究急待开展。本课题即以弹性金属塑料瓦推力轴承为研究对象开展其起动过程瞬态性能实验研究。1.2国内外巴氏合金瓦推力轴承实验研究概况在国内外，已有许多厂家和学者对巴氏合金瓦推力轴承进行了实验研究12-22。 1986年，东方电机厂建成了1000t 推力轴承实验台23。1000t 推力轴承实验台是在国家“七五”期间建造的大型

24、推力轴承实验台。该实验台为立式结构，主要由主体部分、液静压传动与供油系统、数据检测与处理系统、电力拖动与电气控制系统等四部分组成。至1989年11月，在该实验台上巳完成了球面“点”支撑和单托盘支撑结构的对比实验，获得近16万个实验数据。大量的实验数据及其分析结果为推力轴承的理论计算提供了边界条件和验证资料。哈尔滨大电机研究所24在九十年代初期研制了3000t 推力轴承实验台。从1995开始到1997年，哈尔滨大电机研究所在该实验台上完成了6000 t级弹性金属塑料瓦推力轴承的实验研究25，取得大量的实测数据，为大型水电机组推力轴承(包括三峡机组推力轴承 的设计制造提供了技术储备。哈尔滨理工大学

25、26于1998年利用光干涉法建立了微型推力轴承实验台。该实验台具有可视性，可直接观察轴承在过载时油膜破裂的过程。应用光干涉法，通过显微镜观察或利用摄像机拍照，可得到清晰的明暗条纹图像，直观地得到整个轴瓦上的油膜形状及轴瓦变形，包括机械变形及热变形，对其分析可得到稳定工作状态下整个轴瓦上的油膜厚度变化场。指出当某些工况参数改变时，如外载的增加，转速的降低，温度的升高，粘度的下降，甚至在不完全液体润滑状态下，均可能导至油膜破裂。微型推力轴承实验台由于具有可视性，可直接观察这一油膜破裂的整个过程。哈尔滨理工大学27并于2000年建立了可视推力轴承实验台。该实验台设计的主要参数模拟哈尔滨大电机研究所3

26、0MN 推力轴承实验台为基本原则，使模拟实验台与30MN 实验台的实验结果有现实的可比较性及有进行相似分析的基础，同时还考虑了与测试方案相协调的有关结构。关于实验台的加载，因采用可视结构，而且要有足够大的视域，因此受到有关部件强度和刚度要求的限制，只考虑加小量(可调 推力负荷。该实验台油槽的局部及其他有关零件使用耐热有机玻璃制作，所以可以用肉眼来观察油槽内流体的流动状况，还可以用激光测速。研究油槽中油的流态，对推力轴承润滑参数的计算，特别是温度场的计算提供可靠的边界条件。哈尔滨电工学院28-29建立了小型推力轴承实验台，该实验台的加载最高可以达到390KN 。实验台可用于立式滑动轴承的实验研究

27、，对小型推力轴承可以进行原型实验，对大，中型轴承可进行模拟实验。西安交通大学30-31建立了模拟推力实验台。该实验台采用卧式单跨双支撑转子定位，采用高压油作用在推力盘上来施加轴向载荷。他们进行了可倾瓦推力轴承起动过程瞬态热效应的实验研究。实验研究了可倾瓦推力轴承在23005100r min 的名义转速范围内时，空载快速起动及慢速起动过程中推力轴承油膜温度和油膜厚度的瞬态变化规律。实验表明，在起动过程中，油膜温度随转速的提高而升高，不同的升速时间对油膜温度的影响也不同，油膜的厚度也随转速的提高而升高。法国de Poitiers大学32建立的推力轴承实验台，用来测推力轴承的热效应。该实验台较小，载

28、荷在1KN 到8KN 之间，是通过丝杠螺母来加载的。实验台主要由一根精确的主轴，负载系统及实验轴承组成。主轴由4KW 可变速电机驱动，推力轴承的加载由安置在设备顶部的螺母螺钉组成的手动系统完成。为了保证镜板和推力环之间的严格对中，放置了一个球形枢轴来把推力主轴和固定片分开。1.3国内外弹性金属塑料瓦的研究概况自从1974年弹性金属塑料瓦推力轴承首次成功地应用于前苏联古比雪夫电站9号电站上，对复合材料在轴承中的应用日益成为轴承领域内研究的热点。我国从1991年开始从前苏联陆续进口弹性金属塑料瓦，到1997年底，据不完全统计已进口60余台套32。国内开展了很多关于弹性金属塑料瓦推力轴承实验应用及工

29、艺和构造等方面的研究34-48，以模型实验和现场测量为主。这些成果都表明塑料瓦的使用明显地避免了一些大机组推力瓦烧损事故的发生，提高了机组的运行可靠性，取得了良好的经济效益。国内很多单位如上海大学、哈尔滨大电机研究所、大连理工大学、西安交通大学、哈尔滨理工大学等开始了采用计算机数值分析的方法对弹性金属塑料瓦推力轴承进行流体动压润滑理论的研究。1993年，上海大学郑水荣50对大型可倾弹性金属塑料瓦推力轴承的流体动压润滑理论进行了分析。计算模型包括雷诺方程、油膜能量方程、润滑介质的粘温关系方程以及轴瓦的变形方程。其中应用有限元方法求解了雷诺方程和轴瓦变形，有限差分法求解了能量方程。着重考虑了压力场

30、下轴瓦的弹性变形，对球面支承、巴氏合金涂覆层和托盘支承、弹性金属塑料涂覆层两种推力轴承进行了轴瓦变形计算。通过仿真发现在轻载工况下，两种轴承压力场、温度场分布情况基本类似，但在重载工况下弹性金属塑料瓦推力轴承将失去承载能力。这主要是由于弹性金属塑料层的压缩变形而造成的。由于其变形，使得轴瓦产生凹凸畸变，从而在轴瓦局部区域出现发散性油楔，不能形成良好的动压润滑油膜，轴承不能承载，产生干摩擦。轴瓦温度场分布很不规则，特别是中间温度的周向分布出现局部低谷，并且入口温度与出口温度很相近，这也说明轴瓦表面出现畸变，同时局部区域与镜板表面发生了干摩擦。1995年，上海大学汪岩松51在能量方程中加入了传导项

31、，并且全部采用有限元方法联立求解可倾式弹性金属塑料瓦推力轴承的数学模型，给出了详细的有限元求解方程的构造及边界条件的引入。文中通过对轴瓦变形情况的详细分析，对轴瓦初始型面进行了更进一步的研究，设计了五种不同的初始型面，周向中间部分（高压区）适当凸起。文中首次提出了弹性金属塑料瓦表面油膜存在滑移的假设，即该处油膜速度不为零。通过数值实验发现计入滑移后，油膜温升大约降低10%。1995年，大连理工大学马震岳等人52也对可倾瓦支承式弹性金属塑料瓦推力轴承进行了TEHD 分析。理论研究成果也验证了弹性金属塑料瓦的性能优于传统的钨金瓦。1996年，武中德53也对大型水电机组弹性金属塑料瓦推力轴承的热弹流

32、体动压润滑性能进行了研究。文中采用二维模型，忽略油膜厚度方向的温度变化。温度场的求解内、外径边界处为绝热边界，考虑了轴瓦热弹变形对轴承润滑性能的影响。通过对四套塑料瓦推力轴承的仿真计算，总体认为弹性金属塑料瓦推力轴承工作性能优异，其瓦体温度比瓦面温度低很多，比同样的钨金瓦瓦体温度也低很多，且温差小，分布较均匀；与同样的钨金瓦相比，油膜峰值压力降低，最小油膜厚度增大，油膜厚度分布区域均匀。由于材料性质的特殊性，轴瓦表面的变形也比钨金瓦要复杂。1997年，上海大学王小静54对弹簧支承式弹性金属塑料瓦推力轴承进行了三维热弹流分析。联立求解了广义雷诺方程、完整的三维能量方程和轴瓦热传导方程、轴瓦热弹变

33、形方程、油膜厚度方程以及温粘关系。轴瓦温度场由拉普拉斯方程确立，与油槽中冷油接触面的边界条件为固体与液体间的对流换热。雷诺方程、能量方程、热传导方程均采用有限差分法进行求解，而固体的热弹变形方程使用有限元方法求解。其模型仿真结果与国外文献和葛洲坝12.5万千瓦机组扇形可倾瓦推力轴承实验数据均吻合较好。在前述上海大学汪岩松论文中提出了弹性金属塑料瓦表面润滑油膜可能存在滑移现象，但没有实验验证，为此王小静设计了对比实验验证界面滑移现象，用钢材料圆盘和聚四氟乙烯材料圆盘进行对比，观察滑移是否存在。实验结果表明，当达到一定工况条件后，由聚四氟乙烯材料圆盘测得的油膜剪切力矩，明显小于相同情况下钢材料圆盘

34、测得的油膜剪切力矩，从而证明了在聚四氟乙烯与润滑油界面间的滑移假设的成立，并提出了初步的滑移速度数学模型。计入滑移效应后，论文进行了弹簧支承式弹性金属塑料瓦推力轴承的TEHD 分析。计入滑移效应的计算结果与不计入滑移的计算结果相比较，两者的性能分布曲线基本类似，前者的油膜压力略大，膜厚较小，变形略大，摩擦力减小，最为明显的是油膜温度和轴瓦温度的下降，前者最高油膜温度为37.4，后者为38.4。油膜温度的下降使轴瓦温度也相应下降。在轴瓦与润滑油界面上的滑移现象能使流量有所增大，摩擦力相应减小，从而使油膜温度降低。与普通金属瓦推力轴承的比较发现，弹性金属塑料瓦的油膜压力略小，其峰值偏向出油边，普通

35、金属瓦的油膜厚度较厚而变形较小，并且其油膜温度略高于弹性金属塑料瓦，普通金属瓦的轴瓦温度比弹性近似塑料瓦要高许多。计入滑移后的计算结果，与大化电厂单机100MW 发电机组弹性金属塑料瓦推力轴承的实验数据非常吻合。西安交通大学采用细长管流阻对比测试方法，也证实了聚四氟乙烯边界滑移现象。此外还有针对弹性金属塑料瓦材料性能方面的研究。西安交通大学徐华等55通过对由聚四氟乙烯塑料和青铜丝弹簧所组成的复合材料轴瓦的性能进行实验测量和理论分析，建立了反映复合材料轴瓦的应力与应变关系的材料松弛模量矩阵。比较了普通聚四氟乙烯材料和经过压缩强化的聚四氟乙烯材料的力学性能，发现强化后的聚四氟乙烯塑料的粘滞性效应有

36、所减弱，而模量要高于未强化时的一个数量级以上，更适合弹性金属塑料瓦的要求。文中还测出了该轴承复合材料弹性模量随温度和频率变化的曲线，这为进行热弹流数值模拟提供了必要的材料参数。吕新广等56-57对弹性金属塑料瓦的导热性能参数进行了测定。按照文中的尺寸参数，当工作表面温度相同时，通过单位面积的巴氏合金瓦表面的热流量比通过弹性金属塑料瓦瓦面的热流量要高出10倍左右，所以弹性金属塑料瓦的钢基温度相应地要比巴氏合金瓦的低很多。李永海等58实验测试了弹性金属塑料瓦常温下的压缩弹性模量。发现弹性复合层的力与变形的关系呈非线性，关系曲线上各点斜率不同，即各点的弹性模量不等。实验证明无论是计算弹性模量，还是理

37、论弹性模量，弹性金属塑料瓦的值均高于弹性复合层的值，实际应用时应采用弹性复合层的弹性模量，其值大小并不象金属材料那样为常数，而是随压力增大而逐渐增大，且瓦内各部分材料结构的不均匀性将导致瓦面各点的刚度有一定的差别。其后作者又考察了温度对弹性模量的影响59。在低于45时，温度对弹性模量的影响较小；高于45后，温度对弹性模量的影响很大，随着温度的升高弹性模量降低较快。Markin 60采用有限元分析软件，对球支承和弹簧支承推力轴承进行了润滑特性分析。文章最后也对采用聚四氟乙烯材料涂层表面的轴瓦进行了研究61-64。国外有关聚四氟乙烯表面涂层轴承的研究还很多，但是他们所采用的仅仅是在轴瓦表面涂覆聚四

38、氟乙烯材料，这类轴承只能用于轻载荷工况下，与弹性金属塑料瓦轴承结构还是有很大区别的。据作者所查，在国内外研究报道上未找到有关弹性金属塑料瓦推力轴承起动过程瞬态实验研究的报道。在上海市教委基金资助下，本论文开展了该方面的研究。1.4本论文的研究内容弹性金属塑料瓦推力轴承起动过程中的瞬态性能对机组的影响巨大，其瞬态性能和承载机理有待探索，除了理论和数值分析研究之外，十分必要进行实验研究，以便为理论分析提供依据。本论文的主要研究内容包括：1、参照国内外推力轴承实验台的结构按照实验目标对实验台进行设计，对实验台各部件分别进行强度校核和安全校核后制造安装出弹性金属塑料瓦推力轴承实验台的机械部分。2、根据

39、实际参数测试需要，设计安装实验台的数据采集系统，包括基于PC 机的数据采集卡组建的信号采集系统的硬件系统和使用LabVIEW 开发了基于虚拟仪器技术的弹性金属塑料瓦的数据采集软件系统，以保证轴承性能参数的及时采集处理。3、实验台和整个采集系统的安装调试。4、进行巴氏合金瓦推力轴承稳态和瞬态工况下的实验研究。5、进行弹性金属塑料瓦推力轴承稳态和瞬态工况下的实验研究。重点分析弹性金属塑料瓦推力轴承起动过程中的润滑机理，并研究分析弹性金属塑料瓦在起动过程中，氟塑料分子在钢表面形成的转移膜的形成分布。6、比较两种轴瓦的润滑性能，为弹性金属塑料瓦推力轴承的设计应用提供指导。上海大学硕士学位论文 第二章

40、弹性金属塑料瓦推力轴承实验台的结构设计第二章 弹性金属塑料瓦推力轴承实验台的结构设计2.1推力轴承工作原理简介流体动压润滑推力轴承主要用于各类透平旋转机械，例如水轮发电机组、火力发电机组、立式风扇和泵、大型蒸汽和燃气透平以及船舶推进器等。推力轴承的工作原理：可参考图2-1。当推力环4沿箭头方向转动时，因受油膜动压的作用而压于推力块2上，由于其压力中心与其背面偏心位置的顶头1的支点中心不重合，摩擦面间的油膜合力与外力形成力偶，使推力块逐渐倾斜，压力中心向支点移动。当油膜力与外力平衡时，推力块便保持一定的倾斜位置，推力环将润滑油带入这个环与块的倾斜空间，形成了楔形油膜，并实现了流体动压润滑。 图2

41、-1 推力轴承的工作原理示意图 （1-顶头 2-推力轴瓦 3-轴承外壳 4-推力环）2.2实验推力轴承参数设计滑动轴承的设计是在有限的给定条件下，确定全部轴承参数及性能；这些参数相当多，例如：几何参数、工况参数、润滑剂与润滑装置参数、温度参数、轴成材料、运转特性参数等等。轴承设计参数主要有 ：1. 几何参数：包括各种尺寸例如直径、宽度、长度、间隙等以及结构参数如瓦块数、支点位置等；2. 工况参数：载荷(大小、方向特性等 和两表面的运动特性（如转速）；3. 润滑剂及供油参数：包括润滑剂的品种、特性（特别是粘度、粘温指数、粘压指数等）以及供油压力、流量和油路各部分尺寸；4. 热流动状况参数：包括功

42、耗、散热量、油膜平均温度、进油温度、出油温度等；5. 轴承材料参数：材料的物理、力学性能、热处理性能；6. 工艺与安装参数：包括表面微观几何形貌(例如波度、表面粗糙度等 以及加工公差、安装公差等；7. 运转参数：包括最小油膜厚度及其极限值、 最大油膜压力及其极限值等。在进行实验台设计时，除了要满足上述参数要求以外，弹性金属塑料瓦推力轴承实验台还应满足和适应多种工况及运行参数模拟实验的要求，例如：转速可调、载荷可调、油品可变、支承方式及瓦块数可变、轴瓦的型面可变等，同时还可以在该实验台上进行弹性金属塑料瓦推力轴承和传统的巴氏合金推力轴承的性能比较实验。作者根据推力轴承在实际应用时的载荷，依据相似

43、理论，设计本实验台轴承负载为5KN ，并根据润滑油在镜板表面的摩擦功耗来确定电机的功率。根据对弹性金属塑料瓦的三维热弹流仿真计算，实验台的主要参数设计如下： 推力负荷范围05KN； 主轴的转速范围1503000rpm； 瓦块结构和支承形式：可倾瓦线支承； 瓦块数3（均布）； 瓦张角26°； 瓦偏支角17°； 轴瓦内径80mm ，外径160mm ； 润滑方式为浸油润滑； 拖动电机的功率为3KW ； 轴瓦材料为弹性金属塑料瓦和巴氏合金瓦；润滑剂为46号汽轮机油。弹性金属塑料瓦的结构简图如图2-2所示： 图2-2 弹性金属塑料瓦的结构示意图弹性金属塑料瓦和巴氏合金瓦的实物图如图2

44、-3、 图2-4 所示。 图2-3 弹性金属塑料瓦的实物图 图2-4 巴氏合金瓦的实物图弹性金属塑料瓦和巴氏合金瓦的瓦块分布一致，如下图2-5所示。 图2-5 实验瓦块分布示意图2.3实验台结构设计实验台的工作原理如下：由电机拖动主轴、镜板共同旋转；利用杠杆加载装置将载荷加到实验瓦上，产生轴向推力；实验轴瓦安装在轴承座上，粥成座由钢丝悬挂定位，可通过调节钢丝拉杆调节轴承座的高度，使得轴承座可以根据油膜合力大小自动上下调整高度。主轴转速及轴向推力可根据需要进行调整，以模拟不同的工况。弹性金属塑料瓦推力轴承实验台的简图如图2-6所示。实验装置包括驱动控制系统、主轴旋转部分及实验轴承加载系统三部分组

45、成。实验台主要由拖动电机、联轴器、主轴、推力盘及镜板、轴瓦、支承装置、立柱、润滑油槽和加载装置组成的。9 10111213142-6 实验台示意图1-支架，2-杠杆，3-杠杆支板，4-滚动轴承，5-轴，6-钢丝，7-力传感器，8-轴承座9-立柱，109-钢丝拉杆，11-镜板，12-实验轴瓦，13-轴承端盖，14-套筒，15-轴承端盖，16-支撑板，17-连接轴，18-联轴器，19-电机旋转部件结构如图2-7所示。 图2-7 套筒内部结构1-主轴，2-轴承端盖，3-滚动轴承，4-套筒，5-滚动轴承，6-轴承端盖，7-支撑板，8-连接轴实验台的外观图如图2-8所示。 图2

46、-8 实验台的外观图实验台为立式结构，为了将影响精度的干扰因素减到最少，实验台的结构简单可靠，该实验台的下部设计为仅在电机的驱动下做旋转运动而没有轴向位移。采用两对角接触球轴承而不是静压轴承来支撑主轴，这样整个实验台就因减少了静压轴承的液压系统而紧凑、简单。角接触球轴承采用B 型背对背安装以提高其承载能力。两支点各使用一对反安装的角接触球轴承，每对轴承各限制一个方向的轴向移动。安装时，通过调整轴承外圈的轴向位置，使轴承达到所要求的预紧程度，以减少其受到工作载荷时内、外圈的径向和轴向相对移动。轴承的轴向紧固采用外圈轴向紧固的方法，用轴承端盖加以紧固。在设计时为保证主轴外伸端在运行过程中平稳，保证设计精度，两个滚动轴承支座之间距离和主轴外伸端长度之比为三比一。轴承端盖与套筒用内六角螺栓固定，套筒则用高强度的螺栓固定于上下两个平板上，上平板固定于支架上，下平板将电机吊起固定在支架上。驱动电机采用无刷电机，无刷电机以电子换向装置取代了传统的直流电机中的由电刷和换向器组成的机械换向装置，因此既具有交流电机的运行可靠，维护方便等优点，又具有直流电机的调速性能好，且无励磁损耗、效率高等优点。考虑到通用性，油槽内部零部件均可拆装更换，以满足不同类型轴瓦的需要。油槽内有4根立柱，推力盘用两排与立柱相连的钢丝绳吊起，鉴于钢丝绳的柔性很好，收紧后能自动定心，这样在实验过程中有利于调节