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。     

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。     

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。     

带弹性环保护轴承的动力学特性

提出在传统保护轴承外圈加弹性环来提高其在主动磁悬浮轴承(Active magnetic bearing,AMB)系统中的工作性能。为完善转子跌落仿真模型,得到AMB失效前转子准确的运动状态,理论推导得到AMB的支撑动刚度曲线,进而基于有限元分析方法得到转子在其支撑下的模态,并与试验结果进行对比,验证所得刚度曲线的正确性。在刚性转子理论基础上,建立转子在AMB系统中的动力学模型。基于Hertz接触理论,分别建立AMB失效后转子与保护轴承内圈之间的碰撞模型和保护轴承的实时动刚度模型。根据所建立的模型,对不同弹性环支撑刚度阻尼在不同初始转速下跌落后的动力学响应进行仿真计算,并与无弹性环状态下跌落结果进行对比。仿真分析结果表明,选用合适的弹性环有利于降低转子跌落后的振动幅值和碰撞力。分别在不同初始状态下进行跌落试验研究,试验结果与理论分析结果基本相符。     

新型数控铣床用磁悬浮高速电主轴的设计分析

与其它支承形式的电主轴相比,磁悬浮电主轴更易于实现高速化.文章介绍了一种新型数控铣床用磁悬浮高速电主轴的基本结构、控制原理等,并对其轴系的转子动力学特性进行了初步分析.     

磁悬浮轴系保护轴承抗冲击特性及试验方法

为评估磁悬浮保护轴承的抗冲击能力,结合保护轴承特有的跌落工况,建立转子动力学模型,对磁悬浮轴承失效前后转子响应进行分析,同时建立保护轴承可靠性试验平台和试验方法,对保护轴承抗冲击特性分析方法进行验证。结果表明：保护轴承可靠性试验平台可实现碰撞力的直接测量;通过有、无安装冲击力传感器对比试验和应力-冲击力标定试验可知碰撞力测量误差在7%以内,验证了试验方法的准确性;且碰撞力的理论分析与实测误差为8.4%,可满足保护轴承抗冲击特性分析要求,指导保护轴承可靠性评估。     

高速滚子轴承保持架碰撞模型与运动分析

分析了高速滚子轴承中保持架的复杂受力，建立了保持架的碰撞动力学模型和保持架的动力学运动方程。在轴承整体稳定的拟动力学解的基础上，利用四阶Runge-Kutta积分方法计算了保持架质心随时间的变化规律。同时举例分析了轴承结构参数对保持架运动稳定性的影响。     

保护轴承结构对垂直轴磁悬浮风力机主轴跌落轨迹的影响

以垂直轴磁悬浮风力机的支撑结构为研究对象,运用ADAMS机械系统动力学仿真软件。在对磁悬浮主轴结构各部件间的接触关系分析的基础上,建立垂直轴磁悬浮风力机主轴结构跌落仿真模型。通过建立3种不同磁悬浮主轴中保护轴承的结构模型,并对3种不同结构建立主轴跌落轨迹的运动方程;运用ADAMS进行跌落过程仿真,得出主轴跌落过程的运动曲线。主要对比了主轴在轴向方向的运动轨迹,直观的展现出保护轴承结构的不同对磁悬浮主轴跌落过程中的运动轨迹的影响,为研究垂直轴跌落分析,以及对磁悬浮支承结构的保护装置的改进与优化提供了理论参考依据。     

双层滚动轴承热学特性研究

磁悬浮轴承系统通常采用滚动轴承作为保护轴承。基于传热学、滚动轴承摩擦学以及转子动力学等理论,建立一种用两个滚动轴承组成的双层保护轴承(Double-decker auxiliary bearing,DDAB)的热学模型,通过建立热传递方程,计算轴承的摩擦热和温度分布,研究DDAB的热学特性。研究内容如下:建立双层滚动轴承(Double-decker rolling bearing,DDRB)的热传递模型,推导热传递阻抗和热传递方程,计算DDRB在普通运转条件下达到热平衡时的温度分布;研究不同结构、载荷、转速、润滑剂粘度、材料属性等参数对轴承温升的影响,并对比其与普通轴承在相同工况下的热学特性;建立试验台,实际测量轴承的温升,研究不同结构形式和润滑参数条件对于轴承热学特性的影响,探讨可以降低发热的主要措施。研究结果表明:DDRB的径向载荷和内圈转速直接影响轴承摩擦力矩的大小进而影响轴承的发热,在相同工况下DDRB比普通滚动轴承的内圈温升要小5%～20%,外圈温升要小10%～30%;结构、润滑剂粘度、材料的热学性能对轴承内外圈温度分布影响较大,润滑剂的填装量在轴承空间的1/3,采用Z形结构、铝制中圈、陶瓷滚动体等...     

多个磁悬浮轴承转子系统动力学特性研究

多个磁悬浮轴承支承的转子系统,由于支承位置的不对中会造成各个轴承的支承载荷变化。针对某一转子模型,分析采用不同个数的磁悬浮轴承支承时,各个支承载荷随着支承位置不对中的变化情况,并在三个磁悬浮轴承转子系统中得到验证。针对转子动力学特性,分析了支承高度不同时,转子固有频率的变化。此外,采用传递矩阵法,分析转子随着支承个数的增加,其不平衡响应变化情况,并实验对比了采用三支承和两支承时,转子的振幅。三支承较两支承,转子振幅有所减小。     

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.     

磁力轴承支承刚性转子的临界转速计算

针对磁力轴承支承转子的结构特点提出了一种用于分析该类转子的简化处理方法,并使用Samcef Rotor有限元软件建立了某刚性转子的轴对称模型,计算得到了转子的临界转速及振型。研究了该转子的临界转速与磁力轴承支承刚度的关系。计算结果及相关结论将为磁力轴承和传感器的布置以及控制系统的设计提供重要依据。     

磁悬浮轴承转子系统的稳定性及动态特性分析

对某磁悬浮轴承转子系统的稳定区域、固有频率、振型、不平衡响应等特性进行了理论分析及实验研究。结果表明 ,本文所建立的数学模型与实际系统基本符合 ,能为实际系统的运行调试及实验结果分析提供理论指导。     

基于ANSYS的磁悬浮挠性转子模态分析与设计

以一台磁悬浮挠性实验转子为例,结合ANSYS软件,探讨了磁悬浮挠性转子的模态设计方法,研究了支承刚度对转子模态频率和模态振型的影响,在此基础上,分析了过临界转速的磁悬浮挠性转子支承刚度的设定原则,并给出了磁悬浮实验转子的合理支承刚度范围。研究表明：影响转子模态可观性和可控性的一个重要因素是径向磁力轴承转子和位移检测环的长度之和与转子总长度的比值;支承刚度除了影响转子的模态频率外,还影响转子的模态振型,并且当支承刚度高到一定程度后,模态的可控性和可观性严重恶化,甚至可能导致磁悬浮转子过临界转速时失稳。