叶片轴套摩擦副的磨损

叶片轴套摩擦副的磨损

1润滑副的应用随着水电行业的快速发展，该装置的规模也在不断增加。转轮轮毂及桨叶轴套的工作应力也相应增大。由于传统叶片轴套/叶片枢轴摩擦副间的摩擦系数比较大,从而使叶片轴套/叶片枢轴摩擦副的摩擦磨损加剧。在巨大的水压力作用下,转轮轴套/叶片枢轴摩擦副间的摩擦力矩也将变得很大,由于在结构设计时转轮的轮毂比已经确定,为了在这样一个有限的空间内布置一套复杂的转轮操作机构,无法采取常规的增大摩擦副工作面积的方法来降低工作压力,从而达到减小摩擦副摩擦磨损的作用。由于目前摩擦副材料的性能仍无突破性改进,因而将研究重点放在了在摩擦副的摩擦磨损过程中起着相当作用的润滑油及其相应的润滑油添加剂上。设想,假如有一种添加剂,能够使像轴流转桨式水轮机转轮叶片枢轴/叶片轴套摩擦副那样在重载、低速的极压条件下工作的摩擦副的表面形成润滑膜,使摩擦副的摩擦系数降低,就可以满足降低摩擦副摩擦系数和磨损量的目的。因而研制开发出了轴流转桨式水轮机转轮操作油系统轴套极压添加剂,并在轴套摩擦磨损专用试验台上用ZCuSn10P1轴套/Q235转轴、ZCuZn25A16Fe3Mn3轴套/Q235转轴、钢背聚四氟乙烯轴套/Q235转轴和钢背聚甲醛轴套/Q235转轴等四组摩擦副进行了添加极压添加剂前后的摩擦磨损性能对比试验,并专门测试了该添加剂对操作油粘度和密封件性能的影响。2活性金属颗粒及金属晶体结构表面发生化学活性轴流转桨式水轮机转轮操作油系统轴套极压添加剂加入润滑油中后,添加剂分子在室温下被化学吸附在转轮叶片枢轴/叶片轴套摩擦副的工作表面上。当摩擦副的工作表面在工作压力和工作速度下做相对运动时,摩擦副表面局部凸起点直接接触,产生瞬时高温、高压及金属晶格扭曲、撕裂。而添加剂利用上述过程导致的化学活性与金属凸起点和撕裂下来的活性金属颗粒发生化学反应——添加剂中的有机硫化物在高温高压下分解为硫化氢、元素硫、硫醇、二烷基硫化物和黄原酸等对金属反应活性比较高的产物,与活性金属颗粒反应后生成FeS、Fe2S3、Fe(SR)2(硫醇铁)等硫化物,生成一种柔韧的牢固地吸附在摩擦副工作表面的金属化合物,并在接触应力的作用下自动填补到凹陷部分,形成一层熔点较低、抗剪切强度较大的化学反应膜,从而使叶片枢轴叶片轴套摩擦副工作表面间的摩擦由叶片枢轴材料(金属)/叶片轴套材料(金属)变为摩擦系数相对较小的化学反应膜/化学反应膜,从而实现了降低摩擦系数和磨损量的目的。上述反应可由下式简单表示:3比较摩擦磨损性能的试验3.1试验轴套及试验转轴的工作压力轴流转桨式水轮机转轮叶片轴套摩擦磨损专用试验台的结构如图1所示。该试验台一次可测试3只轴套。试验台专门设置了一个油槽。在油槽中充满汽轮机油L-TSA32,使试验轴套和试验转轴全部没入润滑油中。作用在试验轴套上的工作压力由试验台上专用的加载装置获得。试验轴套固定不动,试验轴套以11次/min的速度摆动,摆动角为50°。定期测量试验轴套和试验转轴的磨损量,即可获得在该种工作条件下试验轴套和试验转轴的磨损量与转轴摆动次数的关系曲线。通过比较添加极压添加剂前后相同工作条件下试验轴套和试验转轴在相同转轴摆动次数时磨损量的多少及磨损趋势,即可判定添加极压添加剂对水轮机转轮叶片枢轴/叶片轴套摩擦副磨损性能的影响。3.2u3000工作压力和转速为检验添加极压添加剂前后摩擦副摩擦系数的变化情况,将转轮叶片轴套摩擦磨损专用试验台稍加改装,撤下电动机和减速器,代之以接力器,如图2所示。工作压力由试验台上专用的加载装置获得。在油槽中充满汽轮机油L-TSA32,将C轴套的压力分别调至10MPa、20MPa、30MPa、40MPa和45MPa,专用接力器产生的推力通过连杆、摆臂带动试验转轴,以v=0.003m/s的表面滑动速度缓慢转动。通过比较添加极压添加剂前后相同工作条件下试验轴套试验转轴摩擦副间摩擦力矩的变化,即可判定添加极压添加剂对水轮机转轮叶片枢轴/叶片轴套摩擦副摩擦系数的影响。4影响轮叶片枢轴/叶片轴套磨损性能的因素在水轮机协联机构操作油中加入水轮机专用极压添加剂后,不仅要考察对转轮叶片枢轴/叶片轴套摩擦副摩擦磨损性能的影响,还应保证水轮机协联操作机构操作油的粘度和各处密封条(圈)的性能不发生变化。为此,在相应的专业部门对添加添加剂前后操作油粘度和密封橡胶性能的变化进行了检测。4.1汽轮机油l-tsa321号试样对试验用汽轮机油L-TSA32(2号试样)和加入3%(体积百分比)水轮机专用极压添加剂的汽轮机油L-TSA32(1号试样)各一份进行了检验,检验结果见表1。4.2材料的浸泡性能对在一张3mm厚耐油橡胶板上裁下的、分别在试验用汽轮机油L-TSA32和加入3%(体积百分比)水轮机专用极压添加剂的汽轮机油L-TSA32中浸泡500h的橡胶试样各一份进行了检验(其中1号试样为在加入添加剂的汽轮机L-TSA32油中浸泡的橡胶板,2号试样为在未加入添加剂的汽轮机油中浸泡的橡胶板)。由于无法断定试样的压展方向,分别在两份试样的纵横方向各进行了一次检测,检验结果见表2。5极压添加剂添加量的影响(1)化学反应膜的形成应该是一个渐进的过程。化学反应膜一经形成,就不断重复着:“化学反应膜重载、低速摆动→活性金属颗粒高温、高压+添加剂→化学反应膜”这一动态过程。由于化学反应膜的工作条件比较恶劣,将可能出现局部剥离,从而裸露出基材中的金属材料,而金属材料的凸凹不平将在化学反应膜上产生划痕,使其破坏进一步加剧,发生大面积的脱落,使摩擦副又回到金属与金属相互摩擦的工况,此时由于极压添加剂的作用,将形成一层新的化学反应膜或将破损的化学反应膜修复好。图3所示的添加添加剂后ZCuSn10P1轴套的磨损量变化曲线就很典型:由于ZCuSn10P1轴套的机械性能较差,化学反应膜比较容易脱落,从而使其轴套磨损量曲线呈阶梯状上升的形式——即不断重复着化学反应膜脱落和再生的过程。如果采用机械性能较好的ZCuZn25A16Fe3Mn3轴套,化学反应膜脱落和再生过程的周期将减缓或干脆就不发生。(2)添加极压添加剂后,在摩擦副金属工作表面形成的化学反应膜使摩擦副中轴套的磨损规律发生了变化,各轴套的跑合磨损次数普遍增加了。由于化学反应膜的形成及其具有的再生性质,减缓了各摩擦副中轴套的磨损,同时又因为化学反应膜的修复功能是随时进行的,所以轴套的磨损曲线都比较光滑且磨损量的绝对增加值也比较小,稳定磨损阶段与跑合磨损阶段的界限不如未加添加剂的轴套明显。从摩擦磨损的角度看,这无疑要比未加添加剂时好。(3)添加极压添加剂后,提高了轴套的抗磨性能(尤其是在高压下的抗磨性能)。从两个方面来考察:首先,对于青铜轴套,由于摩擦副中的轴套和转轴表面均产生了化学反应膜,使ZCuSn10P1这种较常规且硬度不高轴套的磨损量降低了很多;使ZCuZn25A16Fe3Mn3这种硬度较高的轴套应用于真机成为可能。其次,对于工程塑料轴套,添加添加剂后,由于与工程塑料轴套形成摩擦副的转轴相应部位形成了化学反应膜,使摩擦副由原来的工程塑料与工程塑料间的摩擦变为工程塑料与化学反应膜之间的摩擦,在较高的工作压力下,工程塑料与化学反应膜之间的磨损量要比与工程塑料之间的磨损量小。(4)添加极压添加剂后,摩擦副的操作力矩均有所降低,且从降低的幅度看,操作力矩越大,降低的幅度越大。进一步分析可以发现,不论是金属轴套还是工程塑料轴套,与Q235转轴组成的摩擦副随着工作压力的增加,作用在各摩擦副上的接力器操作力矩也增加。而添加极压添加剂后,不论轴套的材质如何,均呈现如下特点:①当摩擦副上的工作压力相同时,作用在各摩擦副上的接力器操作力矩基本相同,且均保持在未添加添加剂时最小的接力器操作力矩左右。②随着摩擦副工作压力的增加,作用在各摩擦副上的接力器操作力矩也随之略有增加,但其增加的幅度远远小于未加添加剂时。(5)添加极压添加剂不会对水轮机协联操作机构产生不利影响。首先,转轮叶片轴套/叶片枢轴摩擦副操作力矩的降低,可使转轮接力器活塞直径减小或操作油压力降低,对协联操作机构,这无疑是有利的。其次,水轮机相应密封部件的密封性能将会提高。从添加添加剂前后橡胶板的物理性能试验结果看,除屈挠次数以外,添加添加剂前后橡胶板的其他各项物理性能均未发生变化。添加添加剂后,橡胶板的屈挠次数较未加添加剂的橡胶板的屈挠次数多出很多。橡胶板屈挠次数的多少,表明了橡胶弹性的好坏,屈挠次数越多,弹性越好,密封性能越好,反之,就表明弹性越差,密封性能越差。上述试验表明,使用添加剂后将使相应密封部件的密封性能提高,并且不会增加水轮机协联机构操作油系统的维护量。在本次试验中以3%体积的添加剂加入操作油中,共进行了155000次摆动试验后,仍无需再向操作油中添加添加剂,根据统计资料,转轴摆动100000次,相当于真机运行12.5年,以此推算,可有效运行近20年。这表明,采用轴流转桨式水轮机转轮操作油系统轴套极压添加剂技术无需对水轮机协联机构进行任何专门的维护。另外,水轮机协联操作机构的检修维护量将会减小。添加轴流转桨式水轮机转轮操作油系统轴套极压添加剂后,由于转轮叶片枢轴/叶片轴套摩擦副摩擦力矩的减小,将会使水轮机协联操作机构布置更加合理,且协联机构的操作油压也将有所降低,这就使协联操作机构发生事故的可能性随之降低;同时,采用添加剂后,转轮叶片枢轴/叶片轴套摩擦副的摩擦磨损性能得到提高,使摩擦副发生意外事故和因摩擦副磨损而进行检修的可能性也大为降低。最后,还注意到,向协联机构操作油中加入添加剂后,操作油的粘度仍在国家标准规定的粘度范围内,不会影响水轮机控制系统的反馈参数。(6)形成化学反应膜所需的轴流转桨式水轮机转轮操作油系统轴套极压添加剂的量非常微小。本项研究过程中在操作油中加入了体积百分比3%的添加剂,总计对4组摩擦副进行了155000次摆动试验,仍未显现出需添加添加剂的迹象。(7)轴流转桨式水轮机转轮操作油系统轴套极压添加剂技术为旧机组的维护和改造开辟了一条新路。由于轴流转桨式水轮机转轮叶片轴套/叶片枢轴摩擦副工作表面形成的化学反应膜具有修复摩擦副工作表面和降低摩擦副磨损量的作用,所以在前面已经讨论过的采用极压添加剂后摩擦副摩擦磨损性能的改善等所有优点也都可以在旧机组的维护和改造中体现出来。6极压添加剂c轴流转桨式水轮机转轮操作油系统轴套极压添加剂技术是解决轴流转桨式水轮机叶片轴套/叶片枢轴摩擦副摩擦磨损问题观念上的变革。该项技术并不是按常规思维模式从摩擦副材料(材质、铸造方法及在轴套中添加固体润滑剂等)上下功夫,而是另辟新径,将摩擦副的工作表面由摩擦系数较大的轴套材料