固体自润滑轴承及其在水工闸门的应用v

固体自润滑轴承及其在水工闸门的应用v

张占杨

（大唐石泉水力发电厂陕西省石泉市725200）

摘要：固体自润滑轴承具有独特的性能。文中介绍了固体自润滑轴承的分类、润滑机理及固体润滑材料；对水工闸门自润滑轴承的运行工况及其应具有的性能进行了分析；结合在弧形闸门的应用实例，闸述了该轴承的优点。

关健词：自润滑；轴承；闸门

1引言

固体润滑学是摩擦学的分支，是近４０多年发展起来的一门新兴学科。固体自润滑轴承是随着固体润滑学的不断发展而产生的。

所谓自润滑轴承可定义为：在毋需提供任何润滑剂的情况下能够自如工作的滑动轴承。其主要特征就是在轴承的相对滑动摩擦面间，没有滑动油脂的流动，其润滑是由固体材料来实现的。自润滑轴承具有承载能力强、摩擦力小、耐蚀性好、易于起动、维修方便、耐辐射、能简化润滑系统等优点。在某些特殊工况下，其工作条件大大超出了润滑油脂的使用条件。

自润滑轴承的应用范围几乎遍及了工业生产的各个部门，并逐渐显示出其优越性。但我国在水工金属结构领域应用尚不广泛。水工闸门中，无论是平面闸门的滚轮支承轴承，还是孤形闸门的支铰轴承，其工况均属于低速重载，处于边界润滑状态。已建工程多采用润滑脂润滑，由于其运行条件、工作环境恶劣，加之管理水平普遍不高，养护不及时，润滑脂长时间发生碳化并转化为磨料，造成轴及轴瓦磨损严重，轻者出现运转不灵活、重者抱轴。增加了启门力，有的还闭门困难，不能保证闸门运行的可靠性。针对这些问题，在水工闸门的设计制造中积极推广采用自润滑轴承具有重要意义。

2自润滑轴承的分类及其润滑材料

自润滑轴承从结构型式上大致可以分为复合型、干膜型和镶嵌型三种形式。复合型是将固体润滑剂粉末用树脂、沥青等作粘结剂经固化而成的轴承。干膜型自润滑轴承就是在轴承的滑动摩擦面上．用粘涂敷结、烧结、电镀、溅射、化学生成等方法形成一层固体润滑膜的轴承，其关键是这层干膜润滑层的减摩性能和使用寿命。它可以根据不同的工况分别进行研制开发。

镶嵌型自润滑轴承是在轴套上预先加工好一些孔洞或沟槽，然后嵌人固体润滑材料而作成的轴承。它不受轴承尺寸形状的限制，根据用户需要设计制可造成圆柱型、球型、板型等等。

很多材料可用于自润滑轴承，常用的固体润滑剂有层状固体、塑料及其他无机固体。层状固体常用的有石墨和二硫化铝。塑料类的固体润滑剂常用的有聚四氟乙稀（ＰＴＦＥ）和尼龙。

自润滑材料作为一种新型的工程材料，在通常的应用中，除了直接使用固体润滑剂外，更具发展前景的应当是固体润滑剂与高分子材料及其它有机、无机材料的共混材料。这些材料既具有固体润滑剂的长处又可以弥补固体润滑剂的某些缺点。

3润滑机理

现代摩擦理论认为，摩擦表面处于弹塑性接触状态；滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程；摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。因对大多数切削加工表面通常可以忽略犁沟效应，所以摩擦力与实际接触面积及剪切强度成正比；摩擦系数与剪切强度成正比，与受压屈服极限成反比。均不能获得小的摩擦力。然而如果在硬的金属上覆盖一层薄的软材料表面膜，如图（1）只要这层膜图不破裂，剪切强度就是这层软表面膜的剪切强度；由于这层膜很薄，实际接触面积由硬基材料的受压屈服极限来决定，实际接触面积不大，所以薄而软的表面膜可以降低摩擦系数。

图（1）

当摩擦面间存在固体润滑剂时，在运动过程中它们将很快在金属表面形成一层薄的软材料表面膜（如图２所示）。由于其剪切强度低，当摩擦副滑动时，粘着点的剪切将发生在膜内，金属间的摩擦由此变成了固体润滑剂分子间的摩擦，从而起到降低摩擦的效果。

图（2）

4水工闸门自润滑轴承

处于低速重载状态下的水工闸门滑动轴承，该应说使用油脂润滑是不够理想的。在低速重载下润滑油脂不易在滑动摩擦面间存储，加上工作环境恶劣，就使得轴承处于苛刻的工作状态，从而使轴承难免出现咬死，早期过度磨损等失效形式。采用自润滑轴承代替常规的油脂润滑轴承是一种比较好的选择。根据闸门的使用要求，总的说来，水工闸门自润滑轴承应具有优良的耐磨性、足够的韧性和充分的润滑性，以满足使用寿命、抗冲击能力等要求。同时满足这三方面的要求，除了需考虑轴承的材质、结构型式外，还有轴承的润滑性问题。

就平面闸门和弧形闸门自润滑轴承而言，润滑其条件也不尽相同。相比之下平面闸门滚轮支承滑动轴承润滑更为困难，属于非润滑性流体中的润滑问题。这是由于多数平面闸门的滑动轴承常浸泡在水中，滑动表面间的磨损碎屑容易被水冲走，妨碍了在配对表面形成保护的转移膜，而弧形闸门的支铰轴承则基本属于干式滑动条件，从这一方面来讲其自润滑轴承的磨损率比平面闸门的要低。因此，水工闸门自润滑轴承也应根据不同的工况条件采用不同的自润滑材料。

前已述及，自润滑轴承的结构型式及制作方法多种多样，根据水工闸门自润滑轴承的工作压力、速度、环境条件等，笔者认为采用镶嵌式自润滑轴承较为适宜。金属基体承受荷载，嵌入的固体润滑材料起减摩润滑作用。金属基体材料可采用铸造锡青铜、不锈钢等材料，除满足强度外，还便于保证尺寸使轴承以静配合安装在闸门的固定铰座或滚轮上。如果采用铸型尼龙等，虽然易于成型，并且用浇铸的方法可以制取较大的尺寸，但由于尼龙的吸湿性，使得浇铸时就必须留有余量，尺寸难以保证，给应用带来不便。

水工闸门一般启闭不频繁，但其工作性质又决定了一旦使用必须绝对可靠。有些自润滑材料在实验室内使用时，效果良好，而实际应用中，却由于长时间的放置，启动时出现了摩擦状态发生失稳现象等，即摩擦系数很大，运行不稳定。究其原因是自润滑材料没有在摩擦面上形成良好的转移膜。因此，水工闸门自润滑轴承的研究，也应该着眼于理想的嵌人材料的研制开发，这些材料应具备以下性能：（1）适应重载、低速的工况条件。（2）对金属基材料有足够的附着能力。（3）摩擦系数低。在摩擦过程中，能逐渐释放减摩组分并转移到摩擦界面上来。（4）在有尘土、水分多或者在含泥沙的水中能保证正常性能。（5）长时间放置不会形成不均匀的润滑膜。（6）使用寿命长、耐腐蚀，比润滑油脂具有更好的润滑能力。（7）在有振动的工况下，能实现良好的自润滑。（8）减摩材料与其它共混材料具有低的互容性。（9）热膨胀系数稍高于或等于金属基体材料的热膨胀系数。

5自润滑轴套在平板闸门中的应用

石泉水电厂位于汉江上游陕西省石泉县城城西峡谷1公里处，1970年设计，1979年11月竣工。枢纽布置为坝后式电站，大坝坝型为混凝土空腹、实体重力坝，坝顶高程416m，最大坝高65m，坝顶全长353m，共有29个坝段，泄洪设施包括5台表孔、5台中孔、1台大底孔、1台小底孔、坝顶门机1台。设备已使用四十余年，由于当时技术条件的限制，泄洪闸门所有的轴套均为胶木材质，设备长年累月得不到及时维护，胶木轴套出现膨胀，使启闭力矩增大，造成重大安全隐患。2015年在其泄洪闸滚轮轴套改造设计工程，平板闸门采用了自润滑锂青铜套。

已建泄洪闸门滚轮轴套大部分采用胶木轴套，润滑方式为封闭式油孔润滑脂润滑。若润滑脂长时间得不到更换而固化，将导致闸门在启闭过程中，出现启闭不灵活，甚至抱轴现象，增加了启闭力。使得闸门在启闭过程中，支臂承受较大的附加弯矩和扭矩，对闸门安全运行极为不利。

在泄洪闸滚轮轴套改造设计工程，中孔工作闸门采用了铝青铜（ZQAL9—4）钉板滑块在设计安装、运行的实践证明：1.承载好，耐磨性能良好。2.钉板结构由于消除了孔口应力集中对固体润滑剂的影响，所以能承受比镶嵌型更大的动态平衡。3.钉板结构由于消除了孔口应力集中对固体润滑剂的影响，所以能承受比镶嵌型更大的动态平衡。4.卸载后，由于塑料的回弹比铜柱回弹量稍大，塑料面不仅不凹，反而总是略高于铜柱面，从而不必依靠热胀，就能保持终身不竭的自润滑补给功能。