磁悬浮转子初始状态对跌落至应急轴承的影响

应急轴承是磁悬浮系统中的辅助支承结构,可防止磁轴承停电或掉电时与转子碰撞而损坏.应急轴承的可靠性不仅与轴承本身的结构有关,还会受到转子初始状态的影响.采用拟静力学的方法建立磁悬浮转子与应急轴承的跌落碰撞模型,分析转子跌落至应急轴承上的动态响应,探讨了转子跌落初始状态,如初始位置、不平衡量等对转子跌落后轨迹及碰撞力的影响.研究表明,初始不平衡量对转子跌落响应影响显著,转子初始位置对转子跌落响应影响不大,因而为保证应急轴承可靠性,应控制转子初始不平衡量在合理范围.该研究结果为后续跌落试验研究奠定理论基础,对轴承可靠性能的评估具有一定参考意义.     

重型磁悬浮转子跌落保护轴承失效机理

国家重点研发计划《高速精密悬浮轴承》对保护轴承跌落承载能力的要求是：转子质量不小于3000 kg,跌落转速不小于3000 r/min,抗跌落次数不小于10。基于此开展了对保护轴承设计研发及跌落失效机理的研究。提出了两种适用于跌落工况的陶瓷球混合保护轴承方案：满装球无保持架方案和非满装球带保持架方案。搭建了包含动力学、热学在内的转子跌落仿真模型,对不同方案跌落过程的受力和发热过程进行了仿真。将保护轴承安装到试验台架中进行测试,验证了仿真模型的有效性。在测试中发现无保持架保护轴承发生严重失效。对失效轴承的损伤情况进行观察和检测,发现由于滚动体间摩擦因数大,滚动体发生卡死现象,使滚动体与滚道、内圈与转子间发生持续干摩擦,造成内圈严重烧伤与磨损。     

立式转子跌落到深沟球保护轴承上的动力学分析

在立式磁悬浮轴承系统中,由于需要承受转子跌落后重力所引起的冲击,通常采用配对安装的角接触轴承作为保护轴承来使用,很少采用深沟球轴承。但深沟球轴承径向游隙的存在使其具有一定的轴向承载能力,且具有价格便宜、安装方便等优点。为了将深沟球轴承应用到此场合,重点研究了其作为立式磁悬浮轴承系统中保护轴承的工作性能。首先建立了立式转子的动力学模型、转子与轴承之间的碰撞模型以及深沟球轴承的支撑刚度模型,根据所建立的模型,对立式磁悬浮转子跌落到深沟球保护轴承上的动力学响应进行了仿真分析,并在立式磁悬浮轴承试验台上进行跌落试验研究,仿真和试验结果表明:在轻型立式转子应用场合,深沟球轴承可以代替配对安装的角接触轴承作为保护轴承来使用。     

带缓冲垫圈的辅助轴承结构特性研究及应用仿真分析

辅助轴承主要用于承载高速跌落的转子,并在承受巨大冲击载荷时不会失效。为降低跌落时对辅助轴承的碰撞力,保护电磁轴承及转子系统,提出一种基于轴向缓冲垫圈的辅助轴承结构。结合清华大学核研院的10 MW高温气冷堆电磁轴承氦风机实验台架,基于有限元方法,对转子跌落时辅助轴承外圈添加和未加轴向缓冲垫圈时辅助轴承的结构特性以及受力情况进行仿真分析,得到碰撞力最大时刻结构的应力分布,从理论上验证了辅助轴承在跌落时的可靠性。结果表明：缓冲垫圈的加入可有效减小转子跌落对辅助轴承的碰撞力,对辅助轴承起到了一定的保护作用,为进行转子跌落实验及该结构的实际应用提供了重要参考。     

带缓冲垫圈的辅助轴承结构特性研究及仿真分析

辅助轴承主要用于承载高速跌落的转子,并在承受巨大冲击载荷时不会失效。为降低跌落时对辅助轴承的碰撞力,保护电磁轴承及转子系统,提出一种基于轴向缓冲垫圈的辅助轴承结构。结合清华大学核研院的10 MW高温气冷堆电磁轴承氦风机实验台架,基于有限元方法,对转子跌落时辅助轴承外圈添加和未加轴向缓冲垫圈时辅助轴承的结构特性以及受力情况进行仿真分析,得到碰撞力最大时刻结构的应力分布,从理论上验证了辅助轴承在跌落时的可靠性。结果表明:缓冲垫圈的加入可有效减小转子跌落对辅助轴承的碰撞力,对辅助轴承起到了一定的保护作用,为进行转子跌落实验及该结构的实际应用提供了重要参考。     

滚动-滑动一体式辅助轴承初步仿真研究

辅助轴承主要用于电磁轴承失效时的临时辅助支承,滚动轴承和滑动轴承是常用的辅助轴承,但滚动轴承存在承载能力低,滑动轴承存在摩擦较大和难以控制发热等问题。通过总结新型辅助轴承的研究现状,提出一种新型滚动-滑动一体式辅助轴承设计方案,并利用有限元方法及分析软件LS-DYNA,对其承受冲击载荷及转子运行状态进行初步仿真研究。仿真结果表明:滚动滑动一体式辅助轴承相比普通滚动轴承能有效降低转子跌落期间高速转子对辅助轴承的冲击;在假设转子平衡状态下,初始转速对新型滚动滑动一体式辅助轴承跌落冲击力的影响不是很大,对跌落反弹高度影响较大;静摩擦因数对转子跌落运动状态和转子跌落最大冲击力影响较小。     

主动磁悬浮轴承系统保护轴承热特性研究及减摩设计

针对主动磁悬浮轴承系统(AMBs)转子跌落过程中转子与保护轴承碰摩产生巨大冲击、振动和大量摩擦热,易使保护轴承失效的问题,对立式转子跌落到保护轴承过程中的热特性进行了研究,分析了转子跌落对保护轴承造成破坏的主要影响因素,进而提出了一种采用磁控溅射技术在保护轴承关键表面沉积固体润滑薄膜(类石墨碳基薄膜,GLC)的减摩方法,并对镀膜、未镀膜的保护轴承进行了转子跌落试验。研究结果表明：跌落转速为20 000 r/min时,保护轴承的最高温度为210.60℃,出现在转子与轴承内圈端面高速碰摩阶段,该温度超过了轴承钢160℃的回火温度,导致轴承烧伤而失效。在跌落试验中,镀有GLC薄膜的自润滑保护轴承试验后的沟道和端面外观明显优于未镀膜保护轴承,由碰摩发热导致的内圈端面硬度下降也较轻,质心轨迹和轴向位移更加平稳,温升更低,GLC薄膜起到了关键的自润滑和减摩功能,提高了保护轴承的使用寿命和服役可靠性,为解决主动磁悬浮轴承系统中保护轴承易失效而发生重大事故的问题提供了一种思路和方法。     

磁轴承转子跌落在保护轴承上的动力学研究

调研了保护轴承-转子系统非线性动力学研究领域内近30年来的代表性成果。首先,梳理了局部碰撞模型的发展历史,分别从转子和保护轴承两方面对系统结构模型的发展进行了综述,并给出了各模型的特点;接着,从跌落响应形态切入,重点分析了保护轴承-转子系统损伤的最主要原因——后向涡动;然后,从转子结构、轴承结构和轴承参数三个方面,分析了跌落响应结果与系统结构及接触参数的关系;最后,通过总结归纳,给出了保护轴承结构和参数设计选用的通用准则,并提出了后续值得深入研究的几点问题。     

主动磁悬浮轴承系统保护轴承碰撞特性研究

以立式磁悬浮轴承系统为研究对象,建立转子跌落过程的碰撞模型和动力学仿真模型,研究转子跌落时的动力学响应和不同初始转速、碰撞面摩擦因数对转子跌落到保护轴承上产生最大碰撞力的影响规律,并进行转子跌落试验,以评价保护轴承的抗跌落性能。结果表明：随着转子初始转速从0增加至30 000 r/min,最大径向碰撞力从0增加至2 344 N,最大轴向碰撞力基本不变;随着碰撞面摩擦因数的增大,最大径向碰撞力随之增大,而最大轴向碰撞力基本不变;最大轴向碰撞力均发生在首次碰撞,保护轴承的最大接触应力均远小于许用应力;导致保护轴承失效的最主要原因是碰撞面间的滑动摩擦生热,为应对摩擦热带来的不利影响,提高保护轴承的抗跌落性能,可对保护轴承的碰撞面进行表面处理。     

高速重载下双层保护轴承的最大碰撞力及热特性分析

搭建了转子跌落试验台,研究了A、B两种结构的双层保护轴承在高速重载下的工作性能。建立了动力学模型和热网络模型,理论分析了不同双层保护轴承参数下,磁悬浮轴承失效后转子和保护轴承的动力学响应以及保护轴承内圈的温升情况,并进行了相关的转子跌落试验研究。研究结果表明,B结构双层保护轴承更适合应用于高速重载场合。     

主动电磁轴承失效后转子坠落在备用轴承过程中的非线性动力学

用有限元法建立了任意个由滚动轴承组成的固定间隙备用轴承-主动电磁轴承-多盘多质量转子系统在主动电磁轴承失效前后的动力学方程,以一个多盘转子系统为例分析了主动电磁轴承失效后转子坠落在备用轴承过程中的瞬态非线性动力学特性,讨论了柔性备用轴承的支撑刚度、支撑阻尼和间隙对转子在坠落过程中动力特性的影响。结果表明采用具有较大阻尼柔性结构的备用轴承能够显著地改善转子坠落在备用轴承上的瞬态动力特性,抑制转子在坠落过程中可能出现具有较大振动和冲击力的全间隙区的涡动运动,减小转子坠落对备用轴承寿命和可靠性的影响。柔性结构备用轴承的支撑阻尼越大,支撑刚度越小,间隙越大,转子坠落后出现全间隙区涡动运动的可能性越小。     

Dynamic responses of rotor drops onto double-decker catcher bearing

In an active magnetic bearing(AMB) system,the catcher bearings(CBs) are indispensable to protect the rotor and stator in case the magnetic bearings fail.Most of the former researches associated with CBs are mainly focused on the dynamic responses of the rotor drops onto traditional single-decker catcher bearings(SDCBs).But because of the lower limited speed of SDCB,it cannot withstand the ultra high speed rotation after rotor drop.In this paper,based on the analysis of the disadvantages of SDCBs,a new type of double-decker catcher bearings(DDCBs) is proposed to enhance the CB work performance in AMB system.In order to obtain the accurate rotor movements before AMB failure,the dynamic characteristics of AMB are theoretically derived.Detailed simulation models containing rigid rotor model,contact model between rotor and inner race,DDCB force model as well as heating model after rotor drop are established.Then,using those established models the dynamic responses of rotor drops onto DDCBs and SDCBs are respectively simulated.The rotor orbits,contact forces,spin speeds of various parts and heat energies after AMB failure are mainly analyzed.The simulation results show that DDCBs can effectively improve the CBs limit rotational speed and reduce the following vibrations,impacts and heating.Finally,rotor drop experiments choosing different types of CBs are carried out on the established AMB test bench.Rotor orbits,inner race temperatures as well as the rotating speeds of both inner race and intermediate races after rotor drop are synchronously measured.The experiment results verify the advantages of DDCB and the correctness of theoretical analysis.The studies provide certain theoretical and experimental references for the application of DDCBs in AMB system.     

Relation between correction masses and bearing forces in a rigid rotor

Bearing forces on a rigid rotor are mainly characterized by unbalance distribution. The forces can be divided into two arbitrary planes along a rotor shaft since any unbalance in the rigid rotor is able to be expressed on two planes. The correction mass quantities on two arbitrary planes are analytically found in terms of the bearing force measurements from the basic concept of three-dimensional rigid body dynamics. The quantities are expressed in terms of the geometry of rotor — the distance between two bearings and the positions of two planes from the bearings — and the bearing forces: amplitudes of the alternating component of forces and angular positions of their peak values. The validity of the proposed method is proved using a simulation example.     

磁悬浮轴承-转子系统的机电耦合动力学模型

对磁悬浮轴承 -刚性转子系统建立了完整的机电耦合动力学模型 ,其中除了人们通常所考虑的陀螺效应外 ,着重考虑和增加了推力磁轴承对转子横向振动的耦合效应和由于轴颈倾斜所引起的径向磁轴承之间的耦合效应 ,以及控制系统的电学微分方程和传感器与磁轴承非共点安装对系统性能所带来的耦合影响。该模型可用于五自由度磁悬浮轴承 -刚性转子系统的机电耦合动力学性能研究     

滑动轴承转子系统非线性动力学稳定性研究

采用多尺度法研究了滑动轴承刚性平衡转子系统临界点的稳定性。研究发现，滑动轴承在其线性失稳转速上发生Hopf分岔，系统是发生超临界Hopf分岔还是亚临界Hopf分岔取决于系统参数的设计。给出了通用的公式和程序，为滑动轴承的非线性动力学设计及性能预测提供了有利的工具。     

动压气体轴承-转子系统的分岔和混沌

基于非线性动力学理论,研究了气体动压轴承-转子系统的不平衡响应及分岔行为。建立了与时间相关的非线性气体动压轴承的压力分布模型和气体动压轴承-刚性Jeffcott转子系统的动力学模型。运用有限差分法和逐次超松弛迭代法求解动压气体润滑雷诺方程;运用轨迹图、Poincaré映射图、时间历程图、频谱图和分岔图研究了有限宽气体轴承支承的非线性转子系统的不平衡响应及分岔;数值模拟结果揭示了系统存在复杂多样的非线性现象,这对气体润滑轴承支承的实际轴承—转子系统的设计提供了理论依据。     

高速滚动轴承柔性转子试验机

支承高速柔性转子的滚动轴承的寿命、可靠性及失效形式十分复杂,很难得到准确的理论分析结果。因此新研制了高速滚动轴承柔性转子试验机,可以模拟轴承的载荷、转速、润滑等工况条件,测试支承柔性转子系统的轴承性能,为高速轴承性能分析提供准确的试验数据。对支承柔性转子的滚动轴承进行了试验,验证了试验机的可靠性,发现与刚性转子系统相比,柔性转子系统振幅增大且轴心轨迹复杂,这将影响支承轴承的动力学特性。     

液下硫磺泵的转子动力学分析

为减少长轴液下硫磺泵转子系统的振动,基于转子动力学对液下硫磺泵进行研究,以转子体、轴承、轴承座以及联轴器构成转子系统,运用ANSYS模拟转子系统的临界转速、转子不平衡引起的同步振动响应。结果表明:转子系统在第一阶临界转速下运行,为刚性转子;在前四阶临界转速下,轴承处的变形都较小;在加载了不平衡量的谐响应分析中,轴承与叶轮都在前四阶固有频率下产生共振现象,两叶轮振幅接近,各轴承最大振幅也远小于标准要求。液下泵转子系统的动力学研究对预防转子破坏引起的故障具有重要意义。     

微气体轴承-转子系统动力特性研究

针对微气体轴承,基于1阶速度滑移边界,推导得到修正Reynolds方程,然后采用双向隐式算法(ADI)求解动态Reynolds方程,得到轴承非线性气膜力,并结合刚性转子运动方程,计算转子系统不平衡响应,得到了转子轴心轨迹、时间历程、功率谱和Poincare图等,分析了微气体轴承-转子系统的动力特性。分析表明,随着转子转速的升高,转子系统运动表现出倍周期和概周期等复杂的动力特性。