核主泵推力轴承高性能制造原理及其应用研究
发布时间：2021-11-23 09:10
文章报告了大功率核主泵推力轴承设计加工检测一体化的高性能制造原理,及其在推力轴承关键零部件制造方面的应用结果。基于零部件制造加工的不可逆热力学理论,建立了零部件加工过程量、加工工艺载荷和材料加工载荷与表界面完整性的定量关系,提出了推力轴承以表界面完整性为性能控制量的零部件几何、材料、结构的加工方法。利用面向材料的数据正则化、模型正则化和加工过程印记分析,发展了推力轴承由高承载、均载能力和耐磨损抗冲击性能到零部件几何、材料、结构的设计方法。依据高性能制造正问题和反问题复合求解原则,围绕表界面完整性调控为核心的零部件几何、材料、结构与性能关系的共性环节,遵循设计、加工和检测三条技术路径,实现了可倾式推力瓦形性协同设计与模压成型加工、定位机构抗冲击设计与覆层加工,以及支承机构鲁棒设计与强韧化加工的推力轴承高性能制造。
【文章来源】：中国核电. 2020,13(05)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
核主泵推力轴承设计加工检测一体化的高性能制造路线图
图2给出了推力轴承推力瓦设计加工检测一体化的高性能制造流程图。推力轴承推力瓦的制造流程，包括了高性能制造正和反问题复合求解的3个要点：一是推力瓦加工的表界面完整性调控是设计加工检测正和反问题的核心点。分别通过加工过程量和服役条件转化为共性的力、热、化学等能量和物质传递的加工工艺载荷，通过减控零部件G,M,S等多元耦合约束，建立表界面完整性与应力场、温度场和化学位场等材料加工载荷的适定关系，确定了由推力轴承B到零部件G,M,S设计加工检测的一体化路线。二是推力轴承制造反问题的面向材料正则化求解方法。利用数据正则化、模型正则化和加工过程印记分析，对于G,M,S等信息不完全的正问题和性能B检测不足的反问题提供一个总体求解方案，在设计与加工正向求解基础上将问题转化为参数识别问题，所有未知参数都是通过交替进行设计与加工正反分析的迭代过程确定[12]。三是高性能制造参数选取与优化。以基于知识方法取代实验迭代的试错法，通过可控的表界面完整性设计零部件G,M,S，同时确定和优化零部件的加工过程量，选择满足高性能要求的加工制造方法和工艺条件P，实现推力轴承的高性能制造。2 推力轴承可倾式推力瓦形性协同设计方法与制造工艺
针对推力瓦瓦面存在的热瞬态变形和抗冲击性较差问题，选用强韧性优异且具有自润滑摩擦磨损性能的碳纤维增强聚芳醚热塑性树脂基复合材料[13-14]。优选碳纤维增强树脂基复合材料推力瓦模压成型工艺，对各温度和应变速率下树脂基复合材料的应力应变曲线进行拟合，采用修正的树脂基复合材料粘塑性模型建立本构方程。模压成型物理模型由推力瓦瓦片、模具和排气流道等组成，获得推力瓦在模压过程中各个时间步的温度分布，并导入有限元模型，建立最大热能、弹性应变能与碳纤维分散、弹性变形、界面状态的定量关系，加工正向求解出推力瓦在保压、模内冷却、零件顶出和模外冷却等阶段的表面形貌和残余应力等表界面完整性参数变化。推力瓦的表面形貌、织构化及其滑移特性是流体动压润滑主要的G,M,S参数，基于界面滑移和空化作用修正Reynolds方程的参变量变分原理，考虑碳纤维增强树脂基复合材料加工表面宏微尺度共存的形貌影响，在应变梯度理论框架下，利用尺度依赖非局部弹塑性本构关系建立推力轴承跨尺度混合润滑模型[15-16]，利用包括瞬变和灾变等全工况下推力轴承界面润滑机理，设计正向求解出提高推力轴承承载能力的推力瓦滑移面设计参数。图3给出了核主泵推力轴承树脂基复合材料推力瓦、对比的Babbitt合金和刚性瓦，在1 485r/min工况下，瓦面滑移特性对轴向推力轴承最小液膜厚度的影响作用。成型加工表面滑移特性改变，最小液膜厚度可从14μm增加至26μm，显著提高了推力轴承极限剪切应力和承载能力。碳纤维增强聚芳醚热塑性树脂基复合材料推力瓦具有中心网格阵列织构和边缘楔形面复合结构，在低、高PV运行下瓦面中心弹性变形和整体弹性变形的自适应控制，保证了全工况下推力轴承弹流润滑性能和混合润滑性能。图4给出了碳纤维增强聚芳醚复合材料推力瓦与Stellite 12合金对磨副水润滑比磨损率和磨损表面形貌照片。碳纤维增强树脂基复合材料推力瓦随PV值=7.0～13.5 MPa·ms-1增加的比磨损率降低，为10-7 mm3·N-1·m-1量级。Stellite 12合金的比磨损率则随PV值逐渐增大，为10-8 mm3·N-1·m-1量级，高PV值复合材料推力瓦和Stellite 12合金的比磨损率趋于接近。
【参考文献】：
期刊论文
[1]核主泵推力轴承自润滑摩擦副研究[J]. 王伟光,李梦启,蔡龙,武中德,徐坚. 大电机技术. 2019(03)
[2]核主泵制造的基础理论问题研究进展[J]. 雷明凯. 中国核电. 2018(01)
[3]核电主泵电机推力轴承平衡块支撑的运动稳定性[J]. 曲大庄,武中德,吴军令,金乐,范寿孝. 大电机技术. 2017(03)
[4]新型杂环聚芳醚及其复合材料在核主泵机组的应用[J]. 王锦艳,胡方圆,蹇锡高. 大电机技术. 2017(02)
[5]高性能表面层制造:基于可控表面完整性的精密制造[J]. 雷明凯,郭东明. 机械工程学报. 2016(17)
[6]推力轴承平衡块支撑结构的均载能力[J]. 曲大庄,武中德,李梦启,金乐. 大电机技术. 2015(05)
[7]核电站屏蔽主泵推力轴承运行与维护探讨[J]. 金飞. 中国高新技术企业. 2015(13)
本文编号：3513569
【文章来源】：中国核电. 2020,13(05)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
核主泵推力轴承设计加工检测一体化的高性能制造路线图
图2给出了推力轴承推力瓦设计加工检测一体化的高性能制造流程图。推力轴承推力瓦的制造流程，包括了高性能制造正和反问题复合求解的3个要点：一是推力瓦加工的表界面完整性调控是设计加工检测正和反问题的核心点。分别通过加工过程量和服役条件转化为共性的力、热、化学等能量和物质传递的加工工艺载荷，通过减控零部件G,M,S等多元耦合约束，建立表界面完整性与应力场、温度场和化学位场等材料加工载荷的适定关系，确定了由推力轴承B到零部件G,M,S设计加工检测的一体化路线。二是推力轴承制造反问题的面向材料正则化求解方法。利用数据正则化、模型正则化和加工过程印记分析，对于G,M,S等信息不完全的正问题和性能B检测不足的反问题提供一个总体求解方案，在设计与加工正向求解基础上将问题转化为参数识别问题，所有未知参数都是通过交替进行设计与加工正反分析的迭代过程确定[12]。三是高性能制造参数选取与优化。以基于知识方法取代实验迭代的试错法，通过可控的表界面完整性设计零部件G,M,S，同时确定和优化零部件的加工过程量，选择满足高性能要求的加工制造方法和工艺条件P，实现推力轴承的高性能制造。2 推力轴承可倾式推力瓦形性协同设计方法与制造工艺
针对推力瓦瓦面存在的热瞬态变形和抗冲击性较差问题，选用强韧性优异且具有自润滑摩擦磨损性能的碳纤维增强聚芳醚热塑性树脂基复合材料[13-14]。优选碳纤维增强树脂基复合材料推力瓦模压成型工艺，对各温度和应变速率下树脂基复合材料的应力应变曲线进行拟合，采用修正的树脂基复合材料粘塑性模型建立本构方程。模压成型物理模型由推力瓦瓦片、模具和排气流道等组成，获得推力瓦在模压过程中各个时间步的温度分布，并导入有限元模型，建立最大热能、弹性应变能与碳纤维分散、弹性变形、界面状态的定量关系，加工正向求解出推力瓦在保压、模内冷却、零件顶出和模外冷却等阶段的表面形貌和残余应力等表界面完整性参数变化。推力瓦的表面形貌、织构化及其滑移特性是流体动压润滑主要的G,M,S参数，基于界面滑移和空化作用修正Reynolds方程的参变量变分原理，考虑碳纤维增强树脂基复合材料加工表面宏微尺度共存的形貌影响，在应变梯度理论框架下，利用尺度依赖非局部弹塑性本构关系建立推力轴承跨尺度混合润滑模型[15-16]，利用包括瞬变和灾变等全工况下推力轴承界面润滑机理，设计正向求解出提高推力轴承承载能力的推力瓦滑移面设计参数。图3给出了核主泵推力轴承树脂基复合材料推力瓦、对比的Babbitt合金和刚性瓦，在1 485r/min工况下，瓦面滑移特性对轴向推力轴承最小液膜厚度的影响作用。成型加工表面滑移特性改变，最小液膜厚度可从14μm增加至26μm，显著提高了推力轴承极限剪切应力和承载能力。碳纤维增强聚芳醚热塑性树脂基复合材料推力瓦具有中心网格阵列织构和边缘楔形面复合结构，在低、高PV运行下瓦面中心弹性变形和整体弹性变形的自适应控制，保证了全工况下推力轴承弹流润滑性能和混合润滑性能。图4给出了碳纤维增强聚芳醚复合材料推力瓦与Stellite 12合金对磨副水润滑比磨损率和磨损表面形貌照片。碳纤维增强树脂基复合材料推力瓦随PV值=7.0～13.5 MPa·ms-1增加的比磨损率降低，为10-7 mm3·N-1·m-1量级。Stellite 12合金的比磨损率则随PV值逐渐增大，为10-8 mm3·N-1·m-1量级，高PV值复合材料推力瓦和Stellite 12合金的比磨损率趋于接近。
【参考文献】：
期刊论文
[1]核主泵推力轴承自润滑摩擦副研究[J]. 王伟光,李梦启,蔡龙,武中德,徐坚. 大电机技术. 2019(03)
[2]核主泵制造的基础理论问题研究进展[J]. 雷明凯. 中国核电. 2018(01)
[3]核电主泵电机推力轴承平衡块支撑的运动稳定性[J]. 曲大庄,武中德,吴军令,金乐,范寿孝. 大电机技术. 2017(03)
[4]新型杂环聚芳醚及其复合材料在核主泵机组的应用[J]. 王锦艳,胡方圆,蹇锡高. 大电机技术. 2017(02)
[5]高性能表面层制造:基于可控表面完整性的精密制造[J]. 雷明凯,郭东明. 机械工程学报. 2016(17)
[6]推力轴承平衡块支撑结构的均载能力[J]. 曲大庄,武中德,李梦启,金乐. 大电机技术. 2015(05)
[7]核电站屏蔽主泵推力轴承运行与维护探讨[J]. 金飞. 中国高新技术企业. 2015(13)
本文编号：3513569
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