機(jī)組樞軸—銅瓦摩擦副磨損特性及維修方案探討機(jī)組樞軸—銅瓦摩擦副磨損特性及維修方案探討

1、機(jī)組樞軸銅瓦摩擦副磨損特性及維修方案探討機(jī)組樞軸銅瓦摩擦副磨損特性及維修方案探討             機(jī)組樞軸銅瓦摩擦副磨損特性及維修方案探討盧進(jìn)玉1，高萬(wàn)振2，李健2，胡曉忠2(1葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443002； 2武漢材料保護(hù)研究所，湖北 武漢430030)    關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組；樞軸銅瓦摩擦副；失效分析；修復(fù)；摩擦疲勞學(xué)；葛洲壩水電廠    摘  要：對(duì)正在檢修的葛洲壩水

2、力發(fā)電廠18號(hào)125MW的ZZ500LH1020軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組的樞軸銅瓦摩擦副進(jìn)行了失效分析，從宏觀磨損形貌推斷，樞軸銅瓦摩擦副中存在著粘著磨損、磨料磨損和疲勞磨損三種磨損類型；在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，同時(shí)還產(chǎn)生和傳遞著靜載荷伴有脈動(dòng)的附加載荷的交變負(fù)荷，它的損傷屬于機(jī)械滑動(dòng)疲勞損傷。針對(duì)樞軸銅瓦摩擦副的失效原因，對(duì)樞軸銅瓦摩擦副的維修方案進(jìn)行了探討。1 樞軸銅瓦摩擦學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷集    葛洲壩水力發(fā)電廠18號(hào)125 MW ZZ500LH1020軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組樞軸銅瓦摩擦副 樞軸直徑1.4 m,20SiMn鑄鋼，精加工Ra0.63 m；銅瓦

3、內(nèi)徑1.4 m,ZQSnP101磷青銅，精加工Ra0.63m；N46透平油，浸油潤(rùn)滑。    樞軸銅瓦摩擦副運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)滑動(dòng)，樞軸的最大擺動(dòng)范圍為12°20°；對(duì)葉片迎水面積進(jìn)行指令性調(diào)整時(shí)（非周期性調(diào)整），樞軸可間歇式擺動(dòng)一個(gè)較大的角度；不進(jìn)行指令性調(diào)整時(shí)，通過(guò)發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的自反饋過(guò)程，樞軸處于擺動(dòng)角度約為1的周期性連續(xù)微幅擺動(dòng)中。運(yùn)動(dòng)過(guò)程呈連續(xù)的或間歇的。載荷特性為重載，即支承投影面上的平均靜壓力為30 MPa, 樞軸上所受平均靜載荷為6.5 MN；伴有脈動(dòng)附加載荷（因發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的自反饋過(guò)程中葉片迎水面積周期性的調(diào)整造成），脈

4、動(dòng)附加載荷數(shù)值待計(jì)算。速度特性為低速，對(duì)葉片迎水面積進(jìn)行指令性調(diào)整時(shí)，樞軸平均線速度約為0.7 mmin；樞軸處于擺動(dòng)角度約為1的周期性連續(xù)微幅擺動(dòng)中的平均線速度約為0.2 mms。溫度特性為宜昌地區(qū)四季溫度。2 樞軸銅瓦摩擦副失效分析    因樞軸銅瓦摩擦副運(yùn)行于重載低速的工況下，故處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。其表面損傷形式為在樞軸的摩擦面上有擦傷、粘著轉(zhuǎn)移、溝槽和小孔穴，在銅瓦的摩擦面上有擦傷、溝槽和小孔穴；溝槽和小孔穴的最大損傷深度超過(guò)1 mm，不斷惡化的擦傷和粘著導(dǎo)致摩擦力急劇增大，甚至于將擰緊在軸瓦與軸承座結(jié)合面處的四枚M16螺釘都剪斷了  &

5、#160; 樞軸、銅瓦摩擦面的磨損形貌照片見(jiàn)圖13。    圖13顯示的是樞軸銅瓦摩擦副的宏觀磨損形貌, 它們是判斷其磨損類型的重要信息, 再結(jié)合樞軸銅瓦摩擦副的摩擦學(xué)因素, 就可以初步判斷出樞軸銅瓦摩擦副的磨損類型。    樞軸銅瓦摩擦副的摩擦面上出現(xiàn)的擦傷和銅瓦材料向樞軸表面粘著轉(zhuǎn)移是典型的粘著磨損形貌；溝槽是典型的磨料磨損形貌；而散布的小孔穴則是典型的疲勞磨損形貌。從宏觀磨損形貌推斷，樞軸銅瓦摩擦副中存在著粘著磨損、磨料磨損和疲勞磨損三種磨損類型。一般來(lái)說(shuō)，由于這類摩擦副不可能在服役之前充分磨合，在樞軸銅瓦摩擦副運(yùn)行初期，在邊界

6、潤(rùn)滑條件下，會(huì)發(fā)生粘著磨損，甚至擦傷及軸瓦材料向轉(zhuǎn)軸表面粘著轉(zhuǎn)移；當(dāng)樞軸銅瓦摩擦副運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，由于樞軸銅瓦摩擦副實(shí)際遭受的脈動(dòng)附加載荷的作用，會(huì)發(fā)生疲勞磨損，出現(xiàn)疲勞損傷導(dǎo)致的材料脫落，形成散布的小孔穴；疲勞磨損脫落下來(lái)的材料，尤其是硬度較高的樞軸材料顆粒成為磨料，使摩擦面上遭遇磨料磨損，出現(xiàn)劃痕和溝槽。三種類型的磨損會(huì)相互促進(jìn)，使摩擦狀態(tài)進(jìn)一步惡化，磨損損傷進(jìn)一步加劇。    通過(guò)樞軸銅瓦摩擦副所承受的摩擦學(xué)負(fù)荷集來(lái)分析，是判定這一摩擦副磨損類型的另一重要方面。從作用于這一摩擦副的載荷具有靜載荷伴有脈動(dòng)附加載荷的特性來(lái)看，這一摩擦副屬于被稱之為“荷載摩擦副

7、系統(tǒng)（active system）”的機(jī)械系統(tǒng)，“在該系統(tǒng)中進(jìn)行著任一形式的摩擦過(guò)程，同時(shí)還產(chǎn)生和傳遞著交變負(fù)荷”1。它的損傷屬于機(jī)械滑動(dòng)疲勞損傷（mechanosliding fatigue）1，即“由于機(jī)械疲勞與滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)交互作用而導(dǎo)致的磨損疲勞損傷”1， 這是荷載摩擦副系統(tǒng)遭受的磨損疲勞損傷（wearfatigue damage）類型中的一種。3 樞軸銅瓦摩擦副維修方案探討3.1 對(duì)現(xiàn)行維修方案的質(zhì)疑    現(xiàn)行樞軸銅瓦摩擦副維修方案是，對(duì)樞軸軸頸進(jìn)行修復(fù)，而對(duì)銅瓦不進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)轉(zhuǎn)軸軸頸的方法是，首先將磨損的轉(zhuǎn)軸軸頸在機(jī)床上下切一定深度并使之達(dá)到

8、規(guī)定的粗糙度，然后對(duì)其鍍硬鉻恢復(fù)尺寸，最后磨削加工達(dá)到規(guī)定的粗糙度和尺寸精度。這一方案已實(shí)行了多年，但由于首臺(tái)用此方案檢修的機(jī)組運(yùn)行后尚未再次檢修，故此方案的效果如何，目前尚無(wú)法評(píng)價(jià)。    然而，根據(jù)上述分析確定的樞軸銅瓦摩擦副的磨損類型以及耐粘著磨損、磨料磨損和疲勞磨損三種類型磨損的表面保護(hù)的基本要求2，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)行的對(duì)樞軸軸頸進(jìn)行鍍硬鉻修復(fù)的維修方案的合理性值得商榷。首先，硬鉻鍍層在邊界潤(rùn)滑條件下的耐磨性是不確定的，這是由于硬鉻鍍層的表面能非常低，因而具有不潤(rùn)濕性，不能形成潤(rùn)滑油的吸附膜，在重載低速（樞軸銅瓦摩擦副的實(shí)際情況）或潤(rùn)滑油量不充足（樞軸銅瓦

9、摩擦副不采用循環(huán)供油潤(rùn)滑系統(tǒng)，潤(rùn)滑油量不甚充足）的情況下，是難以建立和保持油膜的，從而使硬鉻鍍層表面實(shí)際上經(jīng)常處于干摩擦狀態(tài)，極易發(fā)生嚴(yán)重的粘著磨損3。其次，硬鉻鍍層不具有與青銅材料構(gòu)成摩擦副的良好的配副性，即硬鉻鍍層青銅摩擦副并不具有良好的耐磨性。再次，較厚的光亮硬鉻鍍層都會(huì)有裂紋，圖4所示的是一種幾倍于通常厚度（0.5m）的普通光亮硬鉻鍍層，裂紋網(wǎng)與“被鍍層覆蓋的” 裂紋痕跡都能清楚地顯示出來(lái)。事實(shí)上，所有厚度大于0.5m 的常規(guī)光亮硬鉻鍍層都按這種方式裂開(kāi)4。對(duì)樞軸軸頸進(jìn)行修復(fù)的硬鉻鍍層厚度已大大超過(guò)0.5m。不言而喻，在存在磨損疲勞損傷和疲勞磨損（樞軸銅瓦摩擦副中存在的磨損類型）的情況

10、下，硬鉻鍍層中的裂紋網(wǎng)就成為疲勞脫落的源；而且，絕大多數(shù)的厚硬鉻鍍層不僅帶有裂紋，還具有殘余拉應(yīng)力4，具有這種力學(xué)特性的材料無(wú)論遭受何種疲勞工況的零件都是要避免使用的。最后，疲勞脫落下來(lái)的硬鉻顆粒成為磨料，而且是一些尖銳而硬度極高的磨料，會(huì)形成高磨損狀態(tài)的磨料磨損。3.2 對(duì)維修方案的建議3.2.1 對(duì)樞軸軸頸修復(fù)方法的建議    建議的樞軸軸頸修復(fù)方法可概括為：熱噴涂噴丸強(qiáng)化。    其工藝過(guò)程為：樞軸軸頸下切到規(guī)定深度 對(duì)下切部位噴砂 對(duì)下切部位熱噴涂規(guī)定的鋼涂層達(dá)規(guī)定厚度 機(jī)加工達(dá)到要求的樞軸軸頸尺寸和規(guī)定的噴丸前粗糙度 對(duì)樞軸

11、軸頸噴丸強(qiáng)化達(dá)到規(guī)定的粗糙度、強(qiáng)化深度和殘余壓應(yīng)力。    所建議的樞軸軸頸修復(fù)工藝設(shè)計(jì)思想是，針對(duì)樞軸銅瓦摩擦副的磨損類型，根據(jù)耐粘著磨損、磨料磨損和疲勞磨損三種類型磨損的表面保護(hù)的基本要求2，提出能使樞軸這一大型零件在檢修分廠完成所有修復(fù)工序的適宜工藝； 按照“再制造理論”的新觀念，保證被修復(fù)的樞軸軸頸不僅修復(fù)原有尺寸和性能，而且獲得比原件更優(yōu)的性能，達(dá)到在失效的樞軸的基礎(chǔ)上再制造一件性能更優(yōu)的新樞軸的目的。    初步考慮選用可到現(xiàn)場(chǎng)施工并可獲得較高結(jié)合力的厚涂層的電弧熱噴涂技術(shù)，選用硬度比原件樞軸軸頸材料高的高碳鋼涂層材料，采

12、用特殊工藝，獲得致密的無(wú)裂紋厚涂層；在對(duì)涂層進(jìn)行機(jī)加工達(dá)到要求的樞軸軸頸尺寸和規(guī)定的噴丸前粗糙度以后，對(duì)其進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，達(dá)到規(guī)定的粗糙度、強(qiáng)化深度和殘余壓應(yīng)力及要求的樞軸軸頸粗糙度。    這種涂層的厚度應(yīng)厚到足以全部承擔(dān)軸頸所受的摩擦學(xué)負(fù)荷，比原件樞軸軸頸材料高的硬度有利于提高樞軸銅瓦摩擦副的耐粘著磨損、磨料磨損和疲勞磨損能力；而噴丸處理后的涂層將具有殘余壓應(yīng)力，這是遭受疲勞磨損或磨損疲勞損傷的摩擦面所追求的應(yīng)力狀態(tài)。由于這種在噴砂后的表面上生成的涂層不存在硬鉻電鍍層那樣的裂紋網(wǎng)并具有足夠高的結(jié)合力（58.1 MPa），因此無(wú)材料成塊脫落之虞，其造成樞軸銅瓦摩擦

13、副災(zāi)難性失效的可能性極小。3.2.2 對(duì)銅瓦修復(fù)方法的建議    建議的銅瓦修復(fù)方法概括為：刷鍍銅+刷鍍減摩鍍層。    其工藝過(guò)程為：對(duì)要修復(fù)的銅瓦表面進(jìn)行除油等預(yù)處理對(duì)銅瓦表面損傷部位刷鍍銅，至凹坑填平機(jī)加工去掉多余的銅層厚度，達(dá)到要求的銅瓦尺寸和粗糙度在修補(bǔ)的銅層表面刷鍍很薄的減摩鍍層。    所建議的銅瓦修復(fù)工藝設(shè)計(jì)思想是，提出能使銅瓦這一大型零件在檢修分廠完成所有修復(fù)工序的適宜工藝；選用與銅瓦材料有最高結(jié)合力的刷鍍銅，以保證刷鍍層在摩擦過(guò)程中不脫落；采用復(fù)合鍍層，由刷鍍銅層上的減摩鍍層來(lái)保證修復(fù)

14、后的銅瓦具有比銅瓦原件更優(yōu)的摩擦學(xué)性能。    由于作為修補(bǔ)材料的銅具有與銅瓦原件材料相同的硬度，其表面又有減摩鍍層，因而這一銅瓦修復(fù)工藝沒(méi)有什么風(fēng)險(xiǎn)。    為了使建議的樞軸銅瓦摩擦副維修方案得以驗(yàn)證和優(yōu)化，以保證檢修后的水電機(jī)組安全運(yùn)行并達(dá)到最佳的使用效果和最長(zhǎng)的使用壽命，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)樞軸銅瓦摩擦副試樣快速模擬試驗(yàn)方法和相應(yīng)的試驗(yàn)裝置，對(duì)維修方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化試驗(yàn)。    所設(shè)計(jì)的樞軸銅瓦摩擦副試樣快速模擬試驗(yàn)方法和相應(yīng)的試驗(yàn)裝置必須能模擬出樞軸銅瓦摩擦副的實(shí)際磨損類型和損傷形貌，這是使模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)能可信地用于指導(dǎo)維修方案驗(yàn)證和優(yōu)化的關(guān)鍵。為此，要運(yùn)用“磨損類型條件模擬原則”，設(shè)計(jì)出能模擬靜載荷伴有脈動(dòng)附加載荷的載荷特點(diǎn)，并能出現(xiàn)試樣機(jī)械滑動(dòng)疲勞損傷的快速模擬試驗(yàn)方法和相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。參考文獻(xiàn)1 OCT 30638  TRIBOFATIGUE.&#