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弹性金属塑料轴瓦技术介绍

发布时间：2013-01-21 浏览次数：684

　　弹性金属塑料轴瓦是氟塑料弹性金属丝复合镶嵌，钎焊在钢的瓦基上的新型复合轴承，简称为弹塑瓦，弹塑瓦是七十年代出现的高分子复合材料在机械工程中的成功应用，是传统使用的巴氏合金轴瓦和铜瓦的更新换代产品，它解决了旋转设备向大型化发展的难题，提高了设备运行的安全可靠性，降低了事故率，同时也给企业带来了极大的经济效益。
　　弹塑瓦的表面材料是氟塑料。氟塑料有三种，一是纯聚四氟乙烯呈白色，被称为代塑料瓦。二是改性聚四氟乙烯呈灰色，被称为代塑料瓦。三是氟聚笨弹塑瓦呈土黄色。它们的性能是由氟塑料决定的。只有全面地掌握了它的性能才能更好地应用。
　　一、弹塑瓦的优越性能
　　1.氟塑料化学稳定性好，除了熔化的碱金属和氟氢化物之外，任何酸、碱、盐和溶剂都不能浸蚀损坏。抗自然老化周期长，可达数十年之久。熔点327℃，分解点405℃，软化点260℃，可以在-150℃至+250℃范围内正常使用；不燃烧，不变性，被称之为塑料王，弹塑瓦使用寿命超过20年以上。
　　2.氟塑料摩擦系数小。这是现有材料中摩擦系数Z小的，它对钢的静干摩擦系数仅为0.04，干动摩擦系数为0.12～0.20。氟塑料在有油脂存在的情况下，使滑动轴承的摩擦系数大大降低，根据油润滑的状态，摩擦系数约为0.0087～0.000012。这一特性大大降低了设备的起动功率和拖动运行的功率。弹塑轴瓦比合金轴瓦在正常运行时的拖动功率要减少10～15%。同时也减少了传动机械的冲击磨损和功率损耗。这是应用塑料轴瓦能提高水能利用率的直接原因。
　　3.氟塑料在油润滑下耐磨性好，负荷能力大。尤其是第二代和第三代塑料弹塑瓦耐磨性更好，使用了几年后几乎测不出磨损。在相同油润滑状态下，弹塑瓦的负荷能力比巴氏瓦和铜瓦大很多。一般情况下巴氏瓦的负荷不允许超过6Mpa，而弹塑瓦在8.0Mpa时仍能正常运行，推力轴承试验台试验表明，在转速15.3m/s，负荷8.0Mpa，瓦温才58℃，运行稳定。在实践中葛州坝电站水轮发电机弹塑瓦推力总负荷已达3800吨，单位负荷6.2Mpa。
　　4.氟塑料具有分子转移性。氟塑料在摩擦时其分子在对摩件表面上形成一层润滑膜，当这个润滑膜破坏时还会自动补充。只有在转速很高，分子未及转移情况下，此膜才会破坏。所以弹塑瓦在运行中用不着巴氏瓦那样定期刮研。一经装机运行以后，便自动生成润滑膜，不需要定期刮研，也不用维修维护。仅此一项就会带来可观的效益。
　　5.氟塑料吸水性小，仅为0.01%，因此常被用做水工食品机械。弹塑瓦在油中混有水的情况下也能正常运行。例如白山电站2800吨的弹塑推力瓦油槽中渗进了水，并没有影响运行，而且瓦温、油温均正常，直到大修时才发现油中竟混有15%的水。如使用巴氏瓦早就发生事故了。
　　6.瓦温低。塑料轴瓦的轴承试验表明，在15.3m/s，5Mpa时，对形状相同的巴氏瓦和弹塑瓦试验时，巴氏瓦瓦温56℃，油温43℃，拖动电流120A；弹塑瓦瓦温41℃，油温33℃，拖动电流103.3A。对几百家大、中型水轮发电机组巴氏瓦更换成弹塑瓦前后瓦温、油温的比较统计表明均有所下降：Z小下降8℃，Z大下降22℃，平均下降11.8℃。摩擦热的下降反映了拖动功耗的下降,摩擦功耗减小。
　　7.氟塑料具有不粘性。无论是常温还是熔点以上，氟塑料不和任何物质发生粘接。就是氟塑料与氟塑料本身也不粘接。这虽然给制造带来困难，可是却不会危及轴及推力板。
　　8.氟塑料质地软，硬度为55～60(邵氏硬度)，当有硬质点进入滑动面时，弹塑瓦显示了较好的镶藏性和顺应性，以至于硬质点镶嵌进塑料面中仍能正常工作。这可以延缓事故的发生，减轻对轴的损坏。检修时只要把硬质点挖掉，弹塑瓦仍可以使用。
　　9.弹塑瓦的耐用性和抗环境能力很强，只要保持形面设计合理，油膜正常存在，瓦温不急骤升高，在实际的应用中发现塑料瓦面出现局部的脱焊、瓦面划伤、瓦面存在裂纹、油中混杂有水、少量的灰尘杂质进入等情况下仍然可以运行，这是巴氏合金瓦和铜合金瓦无法比拟的。
　　10.弹塑瓦的复合结构优点。氟塑料具有不粘性和热胀系数大的特点，弹性金属层一面镶嵌烧结在塑料之中，另一面则与金属基体体钎焊成整体结构。弹性金属丝层即是热胀过渡层，吸收胀差应力，同时又能均衡负荷和吸收振动，使得弹塑瓦具有良好的综合使用性能。
　　综上所述，弹性金属塑料轴瓦是目前Z理想，性能Z优良的轴承结构元件之一。
　　二、弹性金属塑料轴瓦的应用问题
　　弹性金属塑料轴瓦虽然有许多优点，但也存在一些不足，如使用不当，其良好的性能也不能充分发挥，研究表明，下列经验值得借鉴。在应用中要严加防范。
　　1.氟塑料质地软，耐磨损但不耐犁耕划伤。这要求轴或推力板的粗糙度值要小，不得大于Ra0.8μm。当轴粗糙时应该研磨处理后再用弹塑瓦。否则塑料层会很快地被犁耕磨坏。同时当油质不清洁或杂质过多时，应及时更换，否则会影响使用寿命。
　　2.氟塑料的热膨胀系数大，约为10.1~14.5×10-5 1/C。改性的氟塑料热膨胀系数也有6.5~8.5×10-5 1/C，这比钢的大5~10倍之多，因此当温度变化时对其影响很大。由于塑料背面有弹性金属丝层的束缚，会使塑料瓦面的边缘产生翘起现象，被称为边缘效应。为了消除边缘效应破坏油膜的影响，应该采用合理的瓦面形状处理技术和轴与瓦的间隙值。哈尔滨大禹电站技术研究所与哈尔滨工业大学合作，发明了式立分段螺旋增压塑料轴瓦，和卧式多楔面承重塑料导轴瓦。这种技术已经在水轮发电机中应用并取得了良好的运行效果。
　　3.氟塑料的耐磨性与线速度有关。低速大负荷时性能Z好。干摩擦时线速度一般不大于0.5m/s、半油润滑时线速度一般不大于5m/s、全油润滑时不大于25m/s。当超过这个速度时，塑料瓦面导热极差，会因摩擦热迅速积累，而使瓦面表层温度急骤升高到软化点260℃以上，自润滑膜被破坏又来不及生成时，则摩擦磨损剧烈而产生烧瓦。所以，应该避免机组飞逸。
　　4.氟塑料价格高，成型困难，需要2000吨到8000吨大型油压机真空烧结炉等设备和多套模具。因而价格暂时高于巴氏合金轴瓦和铜瓦。但是根据综合性分析，如降低拖动功率。延长设备寿命、提高安全可靠性、缩短了检修周期。使用寿长、不用刮研等优点来看，弹性金属塑料瓦比巴氏合金瓦有明显的经济效益。波水水电站应用弹性金属塑料轴瓦改造后每年增加效益3%，是弹性金属塑料轴瓦费用的3.2倍。石面坦水电站弹性金属塑料轴瓦改造后，每年增加效益160万元，是弹性金属塑料轴瓦改造费用的8倍。永兴水电站弹性金属塑料轴瓦改造后，每年提高水能利用率3.7%，年增加效益120万元，是弹性金属塑料轴瓦改造费用的6倍。
　　三、弹性金属塑料轴瓦的应用效果
　　全弹性金属塑料轴瓦轴承结构是指立式水轮发电机组的上导轴承、下导轴承、水导轴承和推力轴承全部是弹性金属塑料轴瓦结构，卧式水轮发电机的径向导轴承和正、反推力轴承也全部是弹性金属塑料轴瓦结构。这种结构只将原来的巴氏合金瓦改换成弹性金属塑料轴瓦便可以，而不改变机组轴承的结构和相关尺寸，简单易换效果显著。到目前已经有几百个水电站的水轮发电机组完成了全弹性金属塑料轴瓦轴承结构的改造。通过十多年来的运行实践证明，它确实比现有水轮发电机组的轴承结构和单是推力弹性金属塑料轴瓦结构的机组运行有许多优越的性能。
　　全弹性金属塑料轴瓦轴承结构的水轮发电机组与传统巴氏合金结构的相比较，总结出如下技术进步和优点：
　　1.弹性金属塑料轴瓦的塑料面与油膜具有特殊的界面滑移现象，摩擦、磨损和热耗都大大下降。使整机轴承系统瓦温、油温降低，普遍为36-46℃，保障了机组运行的安全性和可靠性。
　　2.特别设计的弹性金属塑料轴瓦的增压楔面提高了油膜压力，使弹性层有吸收机组运行振动的能力。使机组振动减轻、摆度减小、噪音有所下降，提高了机组运行的稳定性。四川南桠河电厂2号40MW水轮发电机主轴摆度、噪音一直偏大，严重地影响运行的安全。实现全弹性金属塑料轴瓦运行后，其摆度减小、噪音下降是三台机组中Z好的。
　　3.弹性金属塑料轴瓦能在轴承严重漏水甚至完全被水浸泡时仍能正常运行。四川南桠河电厂2号机组水导轴承曾经二次遭遇运行中漏水事故，弹性金属塑料轴瓦被完全浸泡在水中运行。正常停机后检查无任何异常。这大大地提高了机组对事故的承受能力。
　　4.水润滑弹性金属塑料轴瓦运行瓦温很低。不仅简化了结构，大大降低了运行成本，也彻底解决了润滑油泄漏对于江河的污染。水润滑塑料瓦在广东兴迳水电站卧式机组中运行已经4年多了，一切正常。以往每年都有的漏油、烧瓦现象没再发生。
　　5.带高压油顶起的塑料瓦把Z先进的材料和Z佳的结构结合起来，消除了大型机组的塑料瓦与镜板间的真空吸附现象，减少了磨损，达到了理想的润滑状态。该技术不仅用于立式机组的推力轴承，而且在大型卧式径向导轴承中运行也效果极佳。永兴一级水电站和石面坦水电站带高压油顶起的弹性金属塑料轴瓦使其卧式机组的启动更安全可靠。
　　6.多楔面弹性金属塑料轴瓦为中、小卧式水轮发电机组的径向导轴承解决了常发事故的难题，具有使用寿命长，抗事故能力强的优点。
　　7.机组的转轴被全部弹性金属塑料轴瓦再次绝缘，从根本上消除了因轴电流引发的烧瓦事故和漏电损耗。
　　8.全部弹性金属塑料轴瓦不用定期刮研，一经装机不用维修，缩短了检修工期，降低了维护费用。
　　9.全弹性金属塑料轴瓦降低了整个机组的磨擦损耗，提高了机组发电效率和水能利用率。尤其是大功率、大转动贯量的机组更明显。根据永兴一级水电站和石面坦水电站的统计和测算在发电相同情况下节水3.7-4％。
　　10.全弹性金属塑料轴瓦耐磨损性能优异，使用寿命在20年以上。
　　此外，全弹性金属塑料轴瓦在极低速度下也能正常运行，消除了由于导叶漏水产生低速偷转对轴瓦的损害事故。全弹性金属塑料轴瓦简化启停机程序，能在冷、热态随时启运，适应快速调度功能。适应目前无人值守和远程管理的要求。由此看来，这是提高机组技术性能的有效途径。
　　综上所述，全弹性金属塑料轴瓦轴承结构的水轮发电机组的上述优点是原有轴承结构所无法达到的，是一种新型的水力发电机组轴承系统结构。这是新型高分子复合材料所独具有的性能优势带来的技术进步。随着人们认知的扩大，全弹性金属塑料轴瓦轴承结构的水轮发电机组运行将会迅速普及。
　　四、弹性金属塑料瓦系列专利技术介绍
　　哈尔滨大禹电站技术研究所主要从事电站配套和控制技术的研究和开发应用。《禹王》牌弹性金属塑料瓦系列专利产品就是本所的重要科技成果。已经申请和获得专利的成果有：
　　1、塑料与金属丝复合镶嵌方法(ZL95100750.5)。
　　2、圆弧型塑料轴瓦(ZL9602226.4)。
　　3、大型铜丝塑料复合板制法(ZL98107521.5)。
　　4、圆筒式弹性金属塑料轴瓦(991014141.6)。
　　5、多支撑弹性金属塑料轴承(ZL98118797.8)。
　　6、全弹性金属料轴瓦的水轮发电机(991014115.4)。
　　7、多楔面承重塑料轴瓦(ZL99219244.7)。
　　8、水润滑的金属塑料轴瓦(02200147.3)。
　　9．带高压油顶起的弹性金属塑料轴瓦(022385134)。
　　该所自1992年推广应用推力弹塑瓦的基础上，将弹性金属塑料轴瓦应用在大型立式水轮发电机导轴承中。
　　1996年福建水口电厂200MW水轮发电机水导轴承分块弹性塑料瓦（轴颈2250毫米，瓦高490毫米12块）运行成功，其各项指标均超过原日本进口的巴氏合金轴瓦，取消了体外循环冷却装置。这是同年，多弹簧支撑塑料轴瓦在甘肃八盘峡电厂37MW瑞典进口水轮发电机组的多弹簧支撑推力轴承中运行成功。从而打破了上关于多支撑塑料轴瓦不能应用弹性金属塑料轴瓦的论调。
　　1999年2月，全弹性金属塑料轴瓦的水轮发电机组在四川南桠河电厂40MW水轮发电机的上导、下导、水导、推力轴承中全塑料化轴瓦运行成功。这是世界上首台全塑料化轴瓦的大型水电机组运行。紧接着四川的磨坊沟、云南的以礼河、滑石板等也相继全塑料轴瓦化运行，这使我国的塑料瓦研究居世界领先地位。该成果于2002年3月27日通过了四川省电力公司的评审鉴定，荣获四川省电力科技二等奖、世界发明协会金奖和第五十一届尤里卡世界发明博览会金奖。
　　1999年起，该所与哈尔滨工业大学联合研究成功的卧式水轮发电机组径向导轴承塑料瓦，先后为河南青天河、湖南波水、石面坦、永兴水电站等几百个水电站卧式水轮发电机的径向导轴承改造成全弹性金属塑料瓦。其永兴15MW卧式水轮发电机正、反推力和径向导轴承（内径φ860毫米，宽680毫米）全塑料瓦运行两年后，于2000年12月16日通过鉴定。该机塑料瓦的单块面积为9600cm2，同时带高压油顶起结构。这是目前国内单块面积Z大的弹性金属塑料瓦。该技术荣获黑龙江省科技进步三等奖。
　　2002年2月，本所独立研制的DYS-1型卧式水轮发电机径向导轴承水润滑金属塑料瓦，在广东兴迳电站水导轴承中投入正式运行。取消了油路和冷却系统，只注入不加任何润滑剂的清水，在满负荷时只有18℃。
　　五、结语
　　弹性金属塑料轴瓦自从诞生以来历经三十多年的发展，已经发展到第三代了。其技术成熟、应用效果显著、有明显的经济效益。越来越为广大水电站所接受，已经获得普遍的应用。
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