Испытание антифрикционных свойств сплавов для узлов трения мощных гидротурбин

Опыт эксплуатации гидротурбин показывает, что основной причиной выхода из строя подшипников скольжения узла поворота лопасти является износ антифрикционной втулки, реже — схватывание, вырывы. В настоящее время в связи с увеличением мощности гидротурбин возрастают требования к нагрузочной способности и износостойкости подшипников скольжения. Перед специалистами ПО «Ленинградский металлический завод» была поставлена задача обеспечения длительной работоспособности подшипников скольжения в гидротурбинах при удельной нагрузке до 60 МПа, скорости скольжения 0,02 м/с и возвратно-вращательном движении с максимальным углом поворота вала 40° (без увеличения себестоимости пар трения). Сопрягаемый с антифрикционной втулкой вал — из стали с твердостью НВ 150 ... 250, смазка — турбинное масло.
Применяемая в настоящее время бронза ОФ 10-1 работает при удельной нагрузке не более 40 МПа.
Для решения поставленной задачи были проведены исследования по выявлению материалов, способных длительное время работать в тяжело-нагруженных узлах трения гидротурбин.
Проведенный при подборе материалов для испытаний анализ литературных данных показал, что реверсивный характер трения повышает износ сопрягаемых пар примерно в 2 раза по сравнению с нереверсивным. В литературе не обнаружено сведений об исследовании антифрикционных сплавов при выбранных параметрах скорости и нагрузки. Анализ данных работы
[2] показал, что при скорости скольжения менее 1 м/с для большинства сплавов уменьшается допустимая удельная нагрузка, повышается коэффициент трения и износ. Замечено также, что некоторые сплавы, содержащие марганец, при снижении скорости скольжения склонны к некоторому повышению воспринимаемой нагрузки, поэтому при выборе материалов были взяты сплавы, содержащие марганец, в частности стандартная бронза Бр АЖМц 10-3-1,5, высокомарганцовистая бронза типа «Суперстон» и марганцовистая латунь, содержащая 4 % марганца (ранее входила в ГОСТ Ю19—47), с добавлением 1 % алюминия для снижения угара цинка и марганца.
Проведены исследования антифрикционных свойств образцов, изготовленных из высокомарганцовистой бронзы с добавлением 1 % свинца. Оказалось, что сочетание свинца с марганцем ухудшает антифрикционные свойства сплава (образцы не выдержали испытания в течение 50 ч). Помимо указанных сплавов были испытаны бронзы марок Бр ОЦ-Ю-2, Бр ОС-10-10 с добавлением кремния [3] и алюминиево-цинковый сплав АЦМ 38-2,5. В качестве эталона была выбрана бронза Бр ОФ-Ю-1. В специально сделанные на некоторых образцах поперечные бороздки закладывалась твердая смавка (в виде восковой мастики) из бисульфида молибдена и марганцево-кислого калия, но эта мера также не дала положительных результатов. Всего было испытано восемь сплавов, однако высокомарганцовистую бронву и алюминиево-цинковый сплав испытать полностью не удалось из-за схватывания.
г Для сравнительных испытаний в НПО ЦНИИТмаш был спроектирован узел трения и механизм реверса к существующей машине трения типа МИР-64М [4]. Узел трения реализован по схеме «вращающийся ролик — частичный вкладыш».
Основные технические данные машины при испытании антифрикционных свойств материалов
Удельная нагрузка на образец, МПа...............Не менее|60
Скорость скольжения, м/с........................Не более 0,02
Размеры образцов, мм.
диаметр ролика и вкладыша.......................... 55
Ширина рабочей поверхности ролика и вкладыша •......................................... 10
ширина вкладыша.................................... 12
размер вкладыша по хорде .......................... 20
наружный диаметр вкладыша.......................... 82
Угол поворота ролика, град............................. 40
Точность замера нагрузки, Н ........................ ±15,7
Точность замера силы трения, Н.................. ±2,0
Тип электродвигателя .............................. ДПТ-22-4
Мощность электродвигателя, кВт....................... 0,5
Частота вращения вала, об/мии........................ 1410
Производительность масляного насоса, л/мин . .      18
Габариты, мм:
длина............................................ 1510
ширина............................................ 750
высота...................................... 1200
Испытательная машина трения, принципиальная конструктивная схема которой представлена на рисунке, выполнена по принципу мотор-весов.
Машина состоит из стола 1, к которому прикреплены кронштейн 2 с испытуемым образцом 3, корпуса 4 подшипников винта 5 и упор 7. На столе установлены также динамометры 8 и 9. В узел трения входит испытуемый образец представляющий собой частичный вкладыш, контактирующий с роликом, закрепленным на валу. Привод вала состоит из электродвигателя, планетарного редуктора и механизма реверса, содержащего кривошипно-шатунный механизм, с помощью которого осуществляется реверсивное вращение вала. Весь привод крепится к корпусу, который, в свою очередь, прикрепляется к втулке; внутри и снаружи втулки имеются подшипники, благодаря чему она имеет возможность свободно вращаться под действием силы трения.
Перед пуском привод с корпусом 17 уравновешивается посредством дополнительных грузов таким образом, чтобы между корпусом 17 и упором 7, а также между болтом 19 и динамометром 9 были небольшие зазоры. Нагрузка на вкладыш 3 создается путем поворота корпуса подшипников 20 вокруг оси винта 5 посредством рычага 21 и болта 22, упирающегося в динамометр 8, с помощью которого контролируется величина нагрузки. Величина силы трения между роликом 10 и вкладышем 3 контролируется посредством динамометра 9. Ролик вводится в контакт (и выводится из контакта) с вкладышем вращением винта, неподвижного в осевом направлении, при этом ролик, вал И, подшипниковый корпус 20, механизм реверса и привод перемещаются вдоль оси винта 5, параллельно оси вала. Смаэка подается из бака в зону трения насосом черев патрубки (на рисунке не показаны) и стекает обратно в бак через отверстие в столе 1. При испытании вкладыш (шириной 12 мм) контактирует с роликом только на ширине 10 мм. Остающийся вне контакта буртик шириной 2 мм дает возможность после испытаний замерять величину износа образца с помощью индикатора.
Машина может быть использована для изучения процессов трения и износа при реверсивном вращении ролика с высокими удельными нагрузками, а также для выявления влияния свойств материалов, качества рабочих поверхностей образцов и масел на трение и износ.
В частности были проведены испытания антифрикционных сплавов со смазкой маслом Т22 путем подвода его в зону трения. Допустимая температура масла — до 35 °С, ролик — из стали 35 (ГОСТ 1050—74) твердостью НВ 187, шероховатость рабочей поверхности ролика /?а=2,5ч-1,25 мкм. Испытания проводили при вращающемся ролике в течение 12 ... 14 ч в сутки, остальное время суток и в нерабочие дни образец оставался под полной нагрузкой при неподвижном ролике. Нагрузка на вкладыш в течение всего цикла испытаний была постоянной. Во время работы машины каждый час фиксировались значения силы трения и температуры масла.
В таблице представлены основные данные результатов испытаний сплавов в течение 50 ч. Из таблицы следует, что лучшими антифрикционными свойствами обладает марганцовистая латунь (в 2 раза меньший износ и меньший коэффициент трения по сравнению с бронзой ОФ 10-1). Дальнейшие 500-часовые испытания последних двух сплавов подтвердили данные 50-часовых испытаний. Например, средний износ образцов из марганцовистой латуни за 50 ч составил 0,02 мм, а за 500 ч — 0,2 мм. Для бронзы Бр ОФ 10-1 эти показатели соответственно составили 0,05 и 0,5 мм.
Таким образом, проведенные лабораторные испытания показали, что применение марганцовистой латуни в узлах трения гидротурбин может стать важным резервом повышения их ресурса и снижения себестоимости. Для окончательного решения вопроса о замене бронзы латунью в узлах трения гидротурбин необходимо провести натурные и эксплуатационные испытания.