草街航電樞紐工程國產φ630雙金屬鑲嵌關節軸承的設計與可靠性分析
2009-04-29成都勘測設計研究院 姚昌杰
一、項目概況
草街航電樞紐工程位于重慶市合川境內草街鎮附近的嘉陵江河段上，是嘉陵江干流合川至河口段自下而上梯級開發的第二級，正常蓄水位203.00m，設計洪水位217.56m，校核洪水位220.81m，是以發展航運為主要目的，兼有發電、攔沙減淤、灌溉等其它效益的水資源綜合利用工程。
沖沙閘孔口寬度為14.8m，弧形工作閘門高度25.5m，目前為國內外之Z，屬于超大型閘門。閘門采用三主橫梁、三斜支臂結構，面板曲率半徑為31m，支鉸高度22m，門葉分8節制作，在安裝現場焊接為一整體。閘門在Z大開啟高度27 m時，閘門底緣仍處于水下14.18m（校核水位），既在校核水位泄流時，處于局部開啟狀態。沖砂系統閘門支鉸軸承采購進行國內公開招標，由于支鉸軸承受力較大，且下游水位高，水流流態復雜，閘門支鉸受正向水流的沖擊與回水的淹沒打擊，標書要求支鉸軸承采用知名品牌帶密封圈自潤滑球面滑動軸承，內徑630mm。
二、技術條件
1）軸承的工作環境：平時，閘門關閉處于擋水狀態，軸承的工作環境為灰塵和潮濕的大氣；當閘門開啟沖沙閘泄洪時，軸承在水下工作。草街航電樞紐工程位于重慶市合川境內草街鎮附近的嘉陵江河段上，是嘉陵江干流合川至河口段自下而上梯級開發的第二級，正常蓄水位203.00m，設計洪水位217.56m，校核洪水位220.81m，是以發展航運為主要目的，兼有發電、攔沙減淤、灌溉等其它效益的水資源綜合利用工程。
沖沙閘孔口寬度為14.8m，弧形工作閘門高度25.5m，目前為國內外之Z，屬于超大型閘門。閘門采用三主橫梁、三斜支臂結構，面板曲率半徑為31m，支鉸高度22m，門葉分8節制作，在安裝現場焊接為一整體。閘門在Z大開啟高度27 m時，閘門底緣仍處于水下14.18m（校核水位），既在校核水位泄流時，處于局部開啟狀態。沖砂系統閘門支鉸軸承采購進行國內公開招標，由于支鉸軸承受力較大，且下游水位高，水流流態復雜，閘門支鉸受正向水流的沖擊與回水的淹沒打擊，標書要求支鉸軸承采用知名品牌帶密封圈自潤滑球面滑動軸承，內徑630mm。
二、技術條件
支鉸自潤滑球面滑動軸承受力特性表
2）正常操作工況下軸承承受的徑向荷載為32000kN，軸向荷載為2200kN，軸承的運行方式為往復運動，每次運轉的角度為62.5o，閘門的啟閉機活塞速度為0.6m/min。軸承的操作使用溫度為-20℃～+150℃。
3）軸承由一個帶外球面的內圈和一個帶內球面的外圈組成，外圈為縱向剖分式（軸向可分開）。
4）軸承內圈與外圈之間產生相對滑動，應設自潤滑減摩材料，摩擦副材料的干摩擦系數不超過0.11。
5）自潤滑球面滑動軸承應具有免維護功能，軸承使用過程中不需加油或其它潤滑材料，工作壽命不低于30年。
6）軸承在水下工作，應具有雙面水密功能。
三、軸承各項性能指標的校核
1，軸承的選擇：
1）軸承型號：選擇GEW630HFZB056-2RS雙金屬鑲嵌自潤滑關節軸承；
2）軸承形式：
?。?） 外圈采取軸向分開型式（雙半外圈），材料為雙金屬自潤滑材料：表面層為三環公司高強銅合金，鋼基體材料為GCr15SiMn正火處理，摩擦表面鑲嵌固體潤滑劑。銅合金表層與鋼基體之間采取堆焊工藝，兩者之間為冶金結合。
（2） 內圈為整體結構，材料為GCr15SiMn，熱處理后硬度為HRC58——64，球形表面鍍硬鉻，鍍層厚度為0.05（加工后）mm。
（3） 軸承的外圈兩側設有內置O型密封圈，實現雙面水密封。
3）軸承規格尺寸：內徑φ630mm，外徑φ900mm，內圈寬度450mm，外圈寬度425mm。
2，軸承材料的機械性能：
見下表
軸承O型密封圈物理性能：見下表
軸承O型密封圈物理性能：見下表
3，軸承特性指標的校核：
1）軸承靜承載能力：
GEW630HFZB056-2RS軸承的表面層材料為三環高強銅合金，屈服極限為500Mpa。如果以屈服極限作為許用靜載，按鑲嵌面積35%計算，則該軸承的許用靜載為500×（1-35%）=325Mpa。由于球面軸承各點受力是不均衡的，Z大壓強是平均壓強的1.334倍，因此允許的Z大壓強為325/1.334=243.6Mpa。按照243.6Mpa的許用靜載比壓計算，GEW630HFZB056-2RS的有效承載投影面積（去除兩端密封溝槽）為313480mm2，則該關節軸承的許用靜載荷為243.6Mpa×313480mm2=76373KN。
2）軸承動承載能力：
根據使用條件，徑向荷載為Fr=32000kN，軸向荷載為Fa=2200kN，Fa/Fr=0.07，當量載荷系數為1.07,因此當量載荷為1.07×32000kN=34240KN。
表層材料為高強銅合金的雙金屬軸承材料的許用動載比壓為160Mpa，許用動載荷為160Mpa×313480mm2=50157KN，對比當量載荷,安全系數為50157KN/34240KN=1.46,顯然是安全可靠的。
3）軸承干摩擦系數：
2006年12月30日在大連理工大學振動與強度測試中心（MA認證測試單位）在CZS-4000數控自潤滑軸承試驗機上進行了雙金屬自潤滑關節軸承性能測試，條件是：載荷83Mpa，線速度16mm/s，滑動距離1000m（相當于真機運行50年），結果是：摩擦系數為0.045——0.075，徑向磨損量為0.065——0.11mm，表面狀況良好并形成均勻連續的固體潤滑膜。
另外，2005年為三峽右岸地下電站快速閘門定輪制作的GEW220XFZ5關節軸承在大型多功能試驗機上進行了跑合和工況（破壞性）試驗，試驗結果是:干摩擦系數為0.086——0.091。
以上試驗表明： GEW630HFZB056-2RS滿足干摩擦系數小于0.11的要求。
試驗都是在干摩擦條件下進行的，除了在安裝過程中預先涂敷一層固體潤滑膜以外，在軸承使用過程中不需加油或其它潤滑材料，具有免維護功能，而且工作壽命不低于50年。
4）軸承的公差和徑向游隙：
徑向游隙：0.35——0.45mm。
以上公差和游隙符合ISO12240-1：1998(等同于GB/T9163-2001)的規定。
5）其他：
（1）軸承的配合表面和端面的粗糙度在Ra1.6μm以內；
（2）殘磁強度：由于在軸承磨加工之后都要進行退磁處理，符合國家相關標準的規定；
（3）由于軸承在水下工作，不但軸承外圈要設置內置密封，軸承的兩端壓蓋上也要設置密封裝置，盡量避免水浸入軸承。
四、結論
通過以上對GEW630HFZB056-2RS軸承的動承載能力、靜承載能力分析，摩擦系數以及壽命試驗分析，完全滿足重慶草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門弧形閘門支鉸軸承的各項技術要求，是可靠的。2005年和2006年重慶的石堤和酉酬工程在其弧門支鉸上采用了GEW530HFZB056關節軸承，使用效果良好。2006年構皮灘的快速閘門上全部采用GEW220XFZB056關節軸承。2007年大頂山工程也采用了國產GEW440HFZB056關節軸承。草街工程采用的是國產的Z大規格雙金屬自潤滑軸承，這標志著該軸承的各項技術性能、工藝技術已經成熟、已進入大規模推廣階段。
1）軸承靜承載能力：
GEW630HFZB056-2RS軸承的表面層材料為三環高強銅合金，屈服極限為500Mpa。如果以屈服極限作為許用靜載，按鑲嵌面積35%計算，則該軸承的許用靜載為500×（1-35%）=325Mpa。由于球面軸承各點受力是不均衡的，Z大壓強是平均壓強的1.334倍，因此允許的Z大壓強為325/1.334=243.6Mpa。按照243.6Mpa的許用靜載比壓計算，GEW630HFZB056-2RS的有效承載投影面積（去除兩端密封溝槽）為313480mm2，則該關節軸承的許用靜載荷為243.6Mpa×313480mm2=76373KN。
2）軸承動承載能力：
根據使用條件，徑向荷載為Fr=32000kN，軸向荷載為Fa=2200kN，Fa/Fr=0.07，當量載荷系數為1.07,因此當量載荷為1.07×32000kN=34240KN。
表層材料為高強銅合金的雙金屬軸承材料的許用動載比壓為160Mpa，許用動載荷為160Mpa×313480mm2=50157KN，對比當量載荷,安全系數為50157KN/34240KN=1.46,顯然是安全可靠的。
3）軸承干摩擦系數：
2006年12月30日在大連理工大學振動與強度測試中心（MA認證測試單位）在CZS-4000數控自潤滑軸承試驗機上進行了雙金屬自潤滑關節軸承性能測試，條件是：載荷83Mpa，線速度16mm/s，滑動距離1000m（相當于真機運行50年），結果是：摩擦系數為0.045——0.075，徑向磨損量為0.065——0.11mm，表面狀況良好并形成均勻連續的固體潤滑膜。
另外，2005年為三峽右岸地下電站快速閘門定輪制作的GEW220XFZ5關節軸承在大型多功能試驗機上進行了跑合和工況（破壞性）試驗，試驗結果是:干摩擦系數為0.086——0.091。
以上試驗表明： GEW630HFZB056-2RS滿足干摩擦系數小于0.11的要求。
試驗都是在干摩擦條件下進行的，除了在安裝過程中預先涂敷一層固體潤滑膜以外，在軸承使用過程中不需加油或其它潤滑材料，具有免維護功能，而且工作壽命不低于50年。
4）軸承的公差和徑向游隙：
徑向游隙：0.35——0.45mm。
以上公差和游隙符合ISO12240-1：1998(等同于GB/T9163-2001)的規定。
5）其他：
（1）軸承的配合表面和端面的粗糙度在Ra1.6μm以內；
（2）殘磁強度：由于在軸承磨加工之后都要進行退磁處理，符合國家相關標準的規定；
（3）由于軸承在水下工作，不但軸承外圈要設置內置密封，軸承的兩端壓蓋上也要設置密封裝置，盡量避免水浸入軸承。
四、結論
通過以上對GEW630HFZB056-2RS軸承的動承載能力、靜承載能力分析，摩擦系數以及壽命試驗分析，完全滿足重慶草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門弧形閘門支鉸軸承的各項技術要求，是可靠的。2005年和2006年重慶的石堤和酉酬工程在其弧門支鉸上采用了GEW530HFZB056關節軸承，使用效果良好。2006年構皮灘的快速閘門上全部采用GEW220XFZB056關節軸承。2007年大頂山工程也采用了國產GEW440HFZB056關節軸承。草街工程采用的是國產的Z大規格雙金屬自潤滑軸承，這標志著該軸承的各項技術性能、工藝技術已經成熟、已進入大規模推廣階段。