生態友好型水潤滑滑動軸承在鴉雀尾泵站中的應用

胡緒寶,袁龍剛

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

目前水利水電設備油潤滑金屬軸承、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、結構復雜和維護成本高等技術難題[1-3]，陳江明等[4-8]進行了輕質聚合物基耐磨材料用水作潤滑介質的生態友好型水潤滑滑動軸承的研究，有效解決了傳統油潤滑軸承的不足,使水潤滑軸承能夠廣泛應用于水利工程[9-12]。中山市鴉雀尾泵站針對大型排澇泵站采用常規軸承存在的一系列問題，在國內較早提出并成功應用生態友好型水潤滑滑動軸承技術，并在實踐中進一步完善該技術。

1 水泵水導軸承選型應用

1.1 工程概況

鴉雀尾泵站位于五鄉聯圍干堤、阜沙鎮阜沙涌雞鴉水道出口處，工程的主要功能為排澇，泵站設計流量為44 m3/s，泵站選用4臺1600ZLQ11-3.4型全調節立式軸流泵，配套4臺TL630-24/2150型同步電動機，泵站總裝機容量為2 520 kW。水泵機組總裝示意見圖1。

圖1 水泵機組總裝示意

泵站設計排澇標準：10年一遇最大24 h設計暴雨產生徑流1 d排干不致災。

泵站特征揚程：設計凈揚程為3.5 m；最高凈揚程為4.6 m。

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

1.2 水導軸承工作環境

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：根據地表河水水質檢測結果，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構中鋼筋無腐蝕性，對鋼結構具有弱腐蝕性。地表河水水質檢測指標見表1。

表1 地表河水水質檢測指標

1.3 生態友好型水潤滑滑動軸承技術原理

生態友好型水潤滑滑動軸承在充分研究水環境中軸與軸承的摩擦物理學和摩擦潤滑化學特性[13-15]的基礎上，通過多相IPN技術合成工程彈性體合金材料，并合理設計軸瓦和軸承結構，使得該類軸承產品具有水潤滑、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，使其通過化學鍵與基體鍵合，達到材質均質、均相、強固。

1.4 生態友好型水潤滑滑動軸承主要優點

1) 功能填料的表面活化處理。對功能性添加物如補強芳綸纖維、高強高模高密度聚乙烯纖維及固體內外潤滑劑進行表面活化改性，使其表面形成的活性基團與基體樹脂形成化學鍵結合，而非普通的物理共混。達到均質、均相、強固，防止添加物遷移、滲析，保持材料持久性均質、穩定。

2) 工程彈性體合金互穿網絡材料合成及原位聚合技術。通過針對性選擇基體樹脂，有效控制微相分離形態，達到基體聚合物改性目的。互穿聚合物網絡結構，形成空間網狀結構，對第三方添加粒子有包覆作用，增強聚合物合金的穩定性。

3) 基于摩擦、磨損性能優化的軸承設計。分析多種實際應用所對應的磨損情況，模擬設計各種工況下滑動軸承的動態壓力分布和液膜分布，優化軸承設計改善摩擦、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。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熱聚合方法形成薄層粘接到結基體材料上，而本產品采用的特色工藝，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2 mm，克服了傳統過盈壓裝，壁厚比較大，過盈應力緩慢釋放影響尺寸穩定性，極大提高了軸承的動態工作壓力，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，保持間隙穩定，滿足了高性能的需求。

5) 多層層合技術。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性，有效地解決了水泵上導、中導軸承干啟動及偏磨的問題。

6) 雙層減振降噪結構技術。此結構技術分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表面，軸瓦層設在減震層的內表面，軸瓦層是由多個板條軸瓦構成，多個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液槽。板條軸瓦上的與安裝軸的軸線平行的兩個側邊是活動的，當其中的板條軸瓦的一側邊受壓向減震層的方向微動時，板條軸瓦的另一側邊反向微動。由于軸瓦層是由多個板條軸瓦構成，并黏接在減振層上，板條軸瓦在工作過程中可隨轉速或載荷不同而進行一定的擺動，增加支撐柔性，形狀自適應性使表面壓力相等，促進形成動態液膜，增強液膜承載剛度，增加吸收振動能量的能力，兼具優良減振降噪特性。

1.5 生態友好型水潤滑滑動軸承結構形式

生態友好型水潤滑滑動軸承共有6種結構形式，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構示意見圖2。特點：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彈性體聚合物合金燕尾板條軸瓦混合或交錯裝配而成，軸承耐磨性能好，自潤滑，有效實現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；對比傳統水潤滑軸承最大優點是耐磨且不傷軸(軸套)，對軸線調節不嚴苛。選用自潤滑性能優良的等級可實現直接干啟動，無需預潤滑，無需外接潤滑供水，簡化管理系統，降低故障源，提高機組的運行可靠性。

圖2 混插板條水潤滑滑動軸承結構示意

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構示意見圖3。特點：形狀自適應，減少振動和噪音；可傾瓦，液膜穩定，減小摩擦副對磨；獨立瓦塊，徑向膨脹降低，尺寸穩定性高；燕尾設計，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構示意

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構示意見圖4。特點：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；配合燕尾槽和環槽限位，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構示意

4) 臥式水潤滑滑動軸承，臥式水潤滑滑動軸承結構示意見圖5。

圖5 臥式水潤滑滑動軸承結構示意

特點：整體式動態承載面壓可達12 MPa；配合采用獨特的分半水槽設計，臥式軸承低速狀態下促進形成穩定的潤滑液膜，降低啟動的扭矩。

5) 雙層結構水潤滑滑動軸承，雙層結構水潤滑滑動軸承結構示意見圖6。特點：雙層結構，外層材料承載力高，可采用過盈安裝工藝，內襯材料柔潤不磨軸(套)，外層為增強非金屬殼體，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。

圖6 雙層結構水潤滑滑動軸承結構示意

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

圖7 分塊水導瓦結構水潤滑滑動軸承結構示意

1.6 水泵水導軸承選用

根據鴉雀尾泵站所在河流地表河水水質檢測結果，水質腐蝕性較小，水質泥沙含量較低，為清水河流；根據水泵裝置模型試驗研究報告中水泵的飛逸特性計算機組的最大飛逸轉速為額定轉速(n=250 r/min)的1.75倍。水泵水導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耐磨材料軸承)，鴉雀尾泵站為中山市阜沙鎮的骨干排澇泵站，工程任務十分重要，雞鴨水道為水源保護地，從減少礦物油排放，實現軸承無油化，保護水源，保護環境考慮，不采用油潤滑金屬軸承；橡膠軸承的優點在于能夠有效地吸收振動、減少噪聲、耐磨、降低磨損，缺點是干摩擦性能差，耐酸堿性差，使用時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耐磨材料能隔離機械傳動系統的振動、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，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故障，需要快速檢修，水泵水導軸承的結構形式選用，首先從便于檢修角度出發，改變傳統的筒式軸承結構為兩半式對開軸承結構，無需吊出主軸，快速更換損壞的板條軸瓦，檢修完成后安裝時對軸線調節不嚴苛，能快速安裝；其次機組額定轉速為250 r/min，機組轉速高，軸瓦需選用耐磨材料，機組的最大飛逸轉速為437.5 r/min，是額定轉速的1.75倍，機組產生飛逸時，將產生較大的徑向力，需選用剛度大材料，混插板條水潤滑滑動軸承具有有效實現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，同時經過對生態友好型水潤滑滑動軸承6種結構形式的優缺點比較分析及結合性價比，最終選用混插板條水潤滑滑動軸承。

2 運行效果分析

鴉雀尾泵站水泵采用了生態友好型水潤滑水導軸承，與傳統常規橡膠軸承及油潤滑金屬軸承相比，此軸承結構簡單、承載能力強、耐磨損、運行穩定、檢修周期長，每年節約運行維護成本約10萬元，提高了泵站運行保證率，同時避免了油潤滑軸承漏油造成的江河污染，保護了生態環境，工程自2018年投產，平均單機組運行達300 h，運行管理便利，節約運行維護成本約40萬元，排澇效果顯著，取得了顯著的經濟、社會、環境生態效益。

3 結語

水泵水導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耐磨材料能隔離機械傳動系統的振動、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，為用戶水下動力傳動系統及裝備高效節能環保等重大難題提供有效解決方案，減少礦物油排放，實現軸承無油化，保護水源，保護環境。

同時，高分子材料軸承需要進一步完善方：① 形成國家及行業標準，逐步形成標準化、系統化的標準化產品；② 水潤滑軸承集成化及數字化，增加軸承的運行如瓦面壓力、液膜厚度、振動、擺度、磨損等參數的狀態監測，需進一步加強以上兩方面的研究。