滑動軸承浮動密封環與轉軸發生相互磨損的原因與設計改進

成玲燕，張變變，郭文文

應用研究

滑動軸承浮動密封環與轉軸發生相互磨損的原因與設計改進

成玲燕，張變變，郭文文

（中船重工電機科技股份有限公司，山西太原 030027）

發電機轉軸損壞，會直接影響電機的正常工作，甚至造成重大經濟損失。對發電機滑動軸承密封環磨損軸的故障現象及磨損機理的分析。經過逐層排查確定磨損主要因素，并通過故障復現驗證因素的正確性，最后根據試驗重新選定與轉軸相匹配的密封環材料，并提出改進措施，徹底解決軸承密封環與軸發生相互磨損的問題。

浮動密封環 滑動摩擦副 膠合磨損 匹配

0 引言

轉軸是電機重要的零件，發電機轉子系統中各功能部件均安裝于轉軸上，通過軸承實現其與定子的分離，保證轉子在定子之間的旋轉精度，實現電機電能的輸出。轉軸若損壞，會直接影響電機的正常工作，甚至造成經濟損失。但近來在拆檢某型發電機滑動軸承時，發現滑動軸承浮動密封環與軸接觸的相應位置處，軸表面出現了不同程度的磨損，且局部磨損嚴重。本文主要針對此故障現象及磨損機理，通過對可能造成磨損的原因進行逐層分析，確定出主要原因，并根據磨損原因制定相應的措施，經過針對性試驗找出與轉軸相匹配的摩擦副材料，重新對滑動軸承密封結構進行優化設計，解決軸承密封環與轉軸磨損的問題。

1 故障情況及機理分析

1.1 故障情況

某型配套滑動軸承的發電機，在運行1600小時后進行拆檢，拆檢中發現軸承的浮動密封環與軸接觸處發生了磨損，具體情況如下：

滑動軸承浮動密封環與轉軸實際磨損情況見圖1。

觀察圖1發現與密封環接觸部位的軸表面存在多條不同程度的溝槽狀磨損，經檢測，最嚴重的溝槽深度達到5～7 mm、寬度3～5 mm；圖2中浮動密封環與軸上掉落的金屬微粒發生了膠合，密封環的溝槽內粘面了金屬屑，密封齒發生了變形、碳化。

圖1 滑動軸承浮動密封環與轉軸實際磨損情況圖

圖2 浮動密封環

1.2 機理分析[2]

根據上述磨損情況分析，密封環與軸之間發生了粘附磨損，也即當兩接觸表面作相對滑動摩擦時，由于表面膜破裂固相焊合（粘著），使材料碎片從一個表面依附到另一個表面或再附著到原先的表面上，造成沿滑動速度方向的表面劃痕損傷。這種損傷又叫膠合。

膠合對材料的表面有很大的損傷性，輕者產生磨蝕，重者產生嚴重焊接，甚至造成零部件報廢。引起膠合的原因通常有三方面：1）接觸處局部過熱；2）接觸處局部壓力過高；3）摩擦副材料不匹配。

2 故障原因分析及原因確認

2.1 原因分析

根據上述磨損情況及發生磨損的機理，下面主要從結構與材料匹配兩方面進行原因分析，具體如下。

2.1.1結構

1）結構配合

SPSS19.0統計,計量資料給予的檢驗方式是t檢驗,計數資料則實施χ2檢驗,P<0.05顯示差異顯著。

電機用滑動軸承浮動密封環與轉軸、軸承座之間均為間隙配合，具體數值見表1。密封環與轉軸之間的配合間隙小于密封環與軸承座之間的配合間隙。在正常裝配情況下，密封環與轉軸之間沒有相互作用力，密封環由于自重作用，會輕搭在轉軸上，與軸有輕微接觸，防止漏油，滿足發電機軸承的密封要求。但因密封環材質輕，又是輕搭在轉軸上，雖與軸有輕微摩擦，卻不會與轉軸發生相互磨損。

表1 某型產品圖紙設計值 單位：mm

結論：結構配合設計是合理的，不會造成兩者磨損。

2）裝配工藝性

密封環為兩半環結構，如圖3所示，外圈處有一定位凸臺、彈簧槽，裝配時兩半環由彈簧固緊為一整圓輕搭在轉軸上，密封環的定位凸臺插入上軸承座的凹槽內以防止密封環隨軸轉動。

圖3 密封環

但由于密封環與轉軸、軸承座之間均為間隙配合，三者之間沒有可靠的精確定位。而且上軸承座與密封環之間為盲裝，特別是由于密封環上定位凸臺的存在，且密封環的定位凸臺裝配位置又是位于上軸承座的頂部，所以更增加了裝配難度，使得軸承密封環與轉軸軸線的裝配垂直度很難保證。如果裝配稍有不慎，就很容易磕碰、擠壓密封環，造成安裝不良，使密封環與轉軸之間出現局部受壓點。在軸承裝配完成后，質檢人員又無法對密封環的裝配位置進行檢測，因此也無法對裝配過程中密封環可能出現的卡滯情況進行及時糾正。這種裝配工藝性設計不但增加了裝配的難度，還可能會使密封環在裝配中提前受力，與軸發生摩擦。

結論：密封環裝配工藝性差，裝配完成后，密封環與轉軸之間可能會存在局部擠壓情況。

2.1.2材料

浮動密封環為YS-20可溶性聚酰亞胺復合材料和玻璃纖維熱壓成型，是滑動軸承中常用的一種密封材料，已在我廠幾十、上百型電機上配套使用，其性能檢測值見表2。

表2 兩種材料檢測值

為了查明轉軸與密封環磨損原因，我們分別對多型正常運行大于1～2年以上。應用YS-20可溶性聚酰亞胺復合材料為密封環的滑動軸承電機進行了拆檢，發現所有與本項目電機采用相同材料的轉軸表面均有不同程度的磨損，密封環上也有膠合現象，其余材料的電機轉軸與密封環處兩接觸面之間均無類似磨損現象。

對比各軸材料發現，本項目電機軸材料中多一種合金元素-Ni。查相關資料知[1]，材料中填加Ni元素，能使鋼強化，可改善鋼的低溫性能，特別是韌性，還可提高鋼的淬透性，鋼的抗銹性也很強。但在高溫高壓下氧介質的抗腐蝕能力無明顯效果，反而會造成脫碳促使鋼腐蝕破裂。

根據故障原因分析可知，在滑動軸承裝配中，浮動密封環與轉軸接觸處極有可能出現局部的相互作用力，因接觸面積小，兩者之間會產生很高的壓力。由表2知，密封環在輕微壓力下摩擦系數為0.38，并且在壓力增大的情況下還會逐漸增大，但其導熱系數較小，導熱性能較差，所以在發電機運行過程中，兩接觸面處由于摩擦會發熱，熱量逐漸累積導致局部高溫，致使轉軸局部脫碳破裂、脫落。而密封環材料在高壓、高溫下容易軟化變形，將轉軸上脫落的金屬碎片粘結吸附到其內圓表面，使得此處滑動摩擦副變為金屬與金屬的摩擦。如此形成惡性循環，轉軸上掉落的金屬碎片越來越多，密封環上吸附的碎片也越來越多，密封環與轉軸之間發生了膠合磨損，使軸上產生的磨損溝槽也越來越深。

2.2 原因確認

經過上述原因分析認為，造成轉軸磨損的主要原因為：

1)結構裝配工藝性較差；

2)兩種材料作為滑動摩擦副不相匹配。

3 與轉軸相匹配的摩擦副材料

為了驗證上述磨損原因的確定性并重新選擇與轉軸相匹配的滑動摩擦副材料，工廠制作了一根與本項目電機轉軸材料、性能、配合相同的假軸，并選定三種常用不同材料的密封環（見表3），其中一種為上述磨損用密封環材料，在加壓與正常兩種不同狀態下進行了試驗，其試驗平臺如圖4所示。

表3 不同材料的密封環分類

圖4 試驗平臺

注：從頂針往卡盤依次為組1、組6、組2、組3、組5、組4）

試驗時，6組在同一軸上同時進行，轉速1500 r/min，持續運行50 h，同時每隔1小時測量一次假軸的溫度。假軸溫度穩定后每間隔3小時測量一次假軸溫度，假軸的溫度最高為55°C，最終穩定在30°C左右。試驗結束后，轉軸表面如圖5所示。

圖5 試驗結果

注：從左到右依次為組1、組6、組2、組3、組5、組4

檢測結果見表4。

表4 密封環與轉軸檢查結果

從試驗結果可見：

a）YS-20可溶性聚酰亞胺復合材料密封環無論在正常安裝還是加壓安裝條件下，轉軸均有不同程度的磨損，而密封環均無明顯磨損。

b）聚四氟乙烯材料密封環在兩種安裝條件下，密封環均有不同程度的磨損，轉軸均沒磨損現象，但聚四氟乙烯在轉軸上有不同程度的附著殘留。

c）銅材料密封環在兩種安裝條件下，密封環均有不同程度的磨損，但轉軸均未發生磨損現象。

綜合比較分析，YS-20可溶性聚酰亞胺復合材料密封環與本項目轉軸作為滑動摩擦副匹配性不好，材料為銅的密封環要更適合于與本項目電機轉軸匹配，所以改進方案中選定銅作為本項目滑動軸承的密封環。

4 改進措施

根據上述分析，優化設計中將密封環材料更換為銅，并且為了避免密封環在裝配過程中提前受力，密封環結構由原先的浮動結構改為止口裝配結構。如圖6所示，密封環制作成刀口形式，鑲嵌在密封蓋上形成若干道密封齒，并在密封環密封面直徑處增加同軸度要求，以保證密封環與轉軸配合處的裝配精度。

圖6 發電機軸承銅刀密封結構圖

5 驗證

將優化后的軸承裝于電機上進行試驗，時間24 h，試驗期間監測軸承溫升。試驗完成后進行拆檢，檢查轉軸與軸承密封環處配合情況，具體數據見表5。

表5 軸承試驗數據表

隨后工廠又對所有與本項目電機轉軸材料相同的電機滑動軸承進行了更換處理，并對所有更換軸承的電機進行了為期2～3年的跟蹤、記錄，電機均未出現磨損，轉軸與密封環的相互磨損現象得到了徹底解決。

6 結論

經過上述分析論證，徹底解決了滑動軸承密封環與轉軸相互磨損的問題。同時，也警醒我們，在發電機轉軸材料發生改變時，必須對所有配合處的滑動摩擦副材料進行滑動摩擦驗證，以選定相匹配的摩擦副材料，防止類似問題的發生。

[1] 機械設計手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2002.

[2] 楊秀山. 機械設計[M]. 山西: 山西高校聯合出版社, 1992: 37-38.

Cause analysis wear between sliding bearing floating seal ring and rotating shaft and design improvement of the seal ring

Cheng Lingyan, Zhang Bianbian, Guo Wenwen

(CSIC Electrical Machinery Science and Technology Co., Ltd., Taiyuan 030027, Shanxi, China)

TM303

A

1003-4862(2022)02-0019-04

2021-03-25

成玲燕（1971-），女，高級工程師。研究方向：電機結構設計。E-mail: 773627325@qq.com