付嵩，張金慧，李偉，王偉光

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

*國(guó)家重大科技專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(2010ZX06001-013-14)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助(2011DFB01660)

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主泵電機(jī)推力軸承用新型限位銷結(jié)構(gòu)*

付嵩，張金慧，李偉，王偉光

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066)

*國(guó)家重大科技專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(2010ZX06001-013-14)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助(2011DFB01660)

摘要限位銷是推力軸承中很重要的一個(gè)部件，它能夠起到限制靜止部件推力軸瓦隨推力盤擺動(dòng)的作用。論述了一種新型限位銷的結(jié)構(gòu)，即在不銹鋼表面噴涂碳化鎢增加限位銷的耐磨性，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了表面噴涂工件具有與碳化鎢工件同等的耐磨性及抗沖擊性。而用表面噴涂工藝代替整體碳化鎢結(jié)構(gòu)，能夠簡(jiǎn)化限位銷的安裝結(jié)構(gòu)，減少了軸承結(jié)構(gòu)件數(shù)量。

關(guān)鍵詞水潤(rùn)滑推力軸承；磨損；表面噴涂；碳化鎢

0引言

由于摩擦力的存在，當(dāng)軸承運(yùn)行時(shí)推力瓦會(huì)隨推力盤運(yùn)動(dòng)，為限制推力瓦的運(yùn)動(dòng)，需要在推力瓦基和軸承座之間增加限位銷。所以在軸承工作時(shí)，限位銷與瓦基之間就會(huì)產(chǎn)生摩擦，這就要求限位銷材料必需耐摩。而由于水潤(rùn)滑軸承運(yùn)行環(huán)境的特殊性，適用于普通油潤(rùn)滑推力軸承的滲氮等表面硬化工藝在水中會(huì)生銹，該方式不再適用于水潤(rùn)滑軸承。所以必須開(kāi)發(fā)一種適用于水潤(rùn)滑推力軸承的限位銷結(jié)構(gòu)，使其即耐磨又不會(huì)生銹。

1國(guó)內(nèi)外解決方案

1.1國(guó)外解決方案

國(guó)外某公司對(duì)此問(wèn)題的其中一種解決方案是采用碳化鎢材料。其結(jié)構(gòu)為銷子采用碳化鎢材料，而在瓦基上與銷子接觸的地方鑲嵌一碳化鎢插塊，這樣便可依靠碳化鎢的耐磨性解決限位銷的磨損問(wèn)題。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。

由于碳化鎢硬度較高，加工困難，所以為了將其與瓦基固定，在插塊上增加了兩塊壓板固定碳化鎢插塊，但是這樣不僅增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且兩壓板為懸臂樑結(jié)構(gòu)，也增加了結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。

1.2國(guó)內(nèi)解決方案

目前提高材料耐磨性的方法有采用高耐磨材料、表面強(qiáng)化等方法。文中提到的國(guó)外即采用高耐磨材料，但是材料的表面硬度越高，材料的脆性也越大，所以該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗沖擊性差的缺點(diǎn)。

為減化結(jié)構(gòu)及增加限位銷的抗沖擊性，我們對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。因此在設(shè)計(jì)限位銷時(shí)采取了表面強(qiáng)化的方式，即在不銹鋼表面噴涂碳化鎢耐磨層[1]，如圖3所示。

由圖3可以看出，該結(jié)構(gòu)易于加工，相對(duì)碳化鎢結(jié)構(gòu)減少了兩個(gè)壓板，使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，并且由于其基材為不銹鋼，所以它的抗沖擊性能也優(yōu)于全碳化鎢結(jié)構(gòu)。

2試驗(yàn)測(cè)試

為證明該結(jié)構(gòu)的可行性，我們對(duì)噴涂方案試制了樣件并對(duì)其進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，并與碳化鎢結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比見(jiàn)圖4。

2.1摩擦系數(shù)測(cè)試

采用水潤(rùn)滑摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定表面噴涂碳化鎢及整體碳化鎢樣件的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。圖5、圖6、圖7分別為表面噴涂碳化鎢及整體碳化鎢樣件的摩擦系數(shù)的變化對(duì)比曲線。

由試驗(yàn)可以看出碳化鎢噴涂試塊與碳化鎢硬質(zhì)合金具有相近的摩擦系數(shù)。在水潤(rùn)滑條件下，隨摩擦?xí)r間的增加，碳化鎢硬質(zhì)合金涂層經(jīng)歷短期的磨合階段后，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定；在100N載荷下，碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的平均摩擦系數(shù)為0.149，隨載荷的增加，碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的摩擦系數(shù)略有增大，在500N載荷下，平均摩擦系數(shù)達(dá)到0.176。碳化鎢硬質(zhì)合金涂層展現(xiàn)出與碳化鎢硬質(zhì)合金相似的摩擦學(xué)特性，可以得出碳化鎢硬質(zhì)合金涂層完全達(dá)到了硬質(zhì)合金材料耐磨性能的結(jié)論。

2.2水潤(rùn)滑摩擦溫度測(cè)試

在水潤(rùn)滑條件下，隨摩擦?xí)r間的增加，碳化鎢硬質(zhì)合金涂層水介質(zhì)溫度逐漸增大；在100N載荷下碳化鎢硬質(zhì)合金涂層60min的摩擦磨損過(guò)程中，水介質(zhì)溫升為6.9℃，隨著載荷增加，對(duì)磨副材料之間摩擦導(dǎo)致的水介質(zhì)溫升逐漸增大，在500N載荷下，水介質(zhì)溫升為24.5℃。碳化鎢硬質(zhì)合金涂層與碳化鎢硬質(zhì)合金在摩擦磨損過(guò)程中水介質(zhì)溫差基本相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了涂層具有與硬質(zhì)合金材料相同的摩擦學(xué)特性。

2.3表面磨損形貌

采用掃描電鏡觀察試驗(yàn)后試件表面磨損形貌如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13所示。

由圖可見(jiàn)，經(jīng)水潤(rùn)滑摩擦試驗(yàn)后，表面表現(xiàn)出磨粒磨損特征，存在較淺磨痕和輕微塑性變形，隨載荷增加磨損加劇，磨痕深度逐漸加大，碳化鎢硬質(zhì)合金涂層表面表現(xiàn)出與碳化鎢硬質(zhì)合金表面相同的較輕磨粒磨損磨痕特征。

2.4磨損輪廓

推動(dòng)軸承的磨損輪廓見(jiàn)圖14。

圖 14為在 200 N載荷下，碳化鎢硬質(zhì)合金涂層和碳化鎢硬質(zhì)合金的磨損輪廓對(duì)比。在 200 N載荷下摩擦試驗(yàn)后，碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的磨損深度約為 4μm，碳化鎢硬質(zhì)合金的磨損深度略大，約為 6μm。這一結(jié)果再次驗(yàn)證了硬質(zhì)合金涂層達(dá)到了硬質(zhì)合金體材料的耐磨性能，甚至具有較好的減摩特性[2-3]。

2.5界面結(jié)合測(cè)試

圖15為碳化鎢硬質(zhì)合金涂層與不銹鋼基體界面 C掃描成像圖。該圖顯示碳化鎢硬質(zhì)合金涂層與不銹鋼基體間界面具有很低的回波幅值，說(shuō)明涂層與基體界面形成了均勻良好的冶金結(jié)合。而圖16中的碳化鎢硬質(zhì)合金涂層橫截面金相照片也展示了碳化鎢涂層與不銹鋼基體具有良好的冶金結(jié)合界面。并且通過(guò)與圖17中涂層表面金相對(duì)比，可以看出碳化鎢硬質(zhì)合金涂層平整致密、無(wú)微觀缺陷。

因此，通過(guò)特殊表面噴涂技術(shù)，可以獲得具有與不銹鋼基體界面結(jié)合良好、致密的硬質(zhì)合金涂層。而由于與不銹鋼基體的復(fù)合，可以在保證表面耐磨性的前提下使得零部件具有更好的抗沖擊性能。在后面的真機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)中也驗(yàn)證了該種結(jié)構(gòu)的耐磨損及抗沖擊性。

3試驗(yàn)件真機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)的性能，我們生產(chǎn)了一套試驗(yàn)件應(yīng)用于真機(jī)試驗(yàn)。如圖18所示為安裝到試驗(yàn)瓦上的限位銷插塊。

試驗(yàn)件在水潤(rùn)滑推力軸承試驗(yàn)臺(tái)模擬主泵實(shí)際工況進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)。其中，由于其它原因，試驗(yàn)臺(tái)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出過(guò)幾次大的事故，使得推力軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)幾次較大的沖擊，但由拆解后的圖19照片可以看出，碳化鎢硬質(zhì)合金涂層表面仍然良好，無(wú)受沖擊后脫落現(xiàn)象，這也證明了碳化鎢硬質(zhì)合金涂層除具有與碳化鎢等同的耐磨性外，還具有比碳化鎢更好的抗沖擊性能。

4結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)不銹鋼表面噴涂碳化鎢試驗(yàn)件的實(shí)驗(yàn)室對(duì)比試驗(yàn)及水潤(rùn)滑推力試驗(yàn)臺(tái)的真機(jī)試驗(yàn)可知，碳化鎢硬質(zhì)合金涂層與碳化鎢硬質(zhì)合金具有相似的低摩擦系數(shù)，具有相似的磨損形貌和磨損機(jī)制，且涂層與不銹鋼基體具有良好的冶金結(jié)合界面，可以保證限位銷插塊與限位銷耐磨及抗沖擊防護(hù)的使用要求。所以用不銹鋼表面噴涂碳化鎢的限位銷結(jié)構(gòu)代替碳化鎢的限位銷結(jié)構(gòu)的方案是可行的，并且該結(jié)構(gòu)能夠減少推力軸承的結(jié)構(gòu)件，增加推力軸承的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]劉佐民.摩擦學(xué)理論與設(shè)計(jì).武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.

[2]CzichosH. 摩擦學(xué)-對(duì)摩擦潤(rùn)滑和磨損科學(xué)技術(shù)的形態(tài)分析[M].劉鐘華等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[3]溫詩(shī)鑄，黃平.摩擦學(xué)原理.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

New Structure of Thrust Bearing Spacer Pin for Reactor

Coolant Pump Motor

FuSong,ZhangJinhui,LiWei,andWangWeiguang

(Harbin Electric Power Equipment Co.,Ltd.,Harbin 150066, China)

AbstractThe spacer pin is a very important part of thrust bearing, and it can limit swinging of thrust bearing bush with thrust disc. This paper describes structure of a new type of spacer pin i.e. spraying tungsten carbide on surface of stainless steel, it can increase abrasive resistance of spacer pin. By experimental comparison, it is verified that abrasive resistance and impact resistance of surface spraying workpiece are equivalent to tungsten carbide workpiece. Replacing integral tungsten carbide structure with surface spraying technology can simplify installation structure of spacer pin, thus decrease amount of bearing structure parts.

Key wordsWater-lubricated thrust bearing；abrasion；surface spraying；tungsten carbide

收稿日期：2015-11-01

作者簡(jiǎn)介：付嵩男1987年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事大中型異步電機(jī)及軸承的設(shè)計(jì)工作.

中圖分類號(hào)：TM303.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-7281(2016)01-0015-005

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.05