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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

裂纹-碰摩转子-轴承系统周期运动稳定性

建立了含有裂纹-碰摩耦合故障转子轴承系统的动力学模型,利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和F loquet理论,研究了系统周期运动的稳定性。发现碰摩转子-轴承系统在不同的转速下会发生鞍结分岔、倍周期分岔和Hopf分岔等现象,裂纹-碰摩耦合故障转子-轴承系统具有不同于单一故障的独特的动力学特性。研究结果为转子-轴承系统故障诊断和安全运行提供了一定的参考。     

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。     

不同轴承支撑下碰摩转子系统的动力学特性

研究了不同类型轴承支撑下的转子碰摩故障振动特征。首先,采用了计及回转效应、剪切效应及横向扭转的梁单元建立了实验装置转子的有限元分析模型;然后,通过二维计算流体力学方法得到不同类型轴承的动力学参数;最后,在此基础上,结合非线性动力学理论,分析比较了转子在圆柱轴承、可倾瓦轴承等5种轴承支撑下的碰摩非线性动力学行为。研究结果表明：在椭圆轴承、五瓦轴承和四瓦可倾瓦轴承支撑下,系统主要表现为同频周期运动;而对于圆柱轴承和四油叶轴承支撑,系统会出现较复杂的运动。本研究工作是对之前转子碰摩非线性动力学研究的扩展,所得计算结果可为大型高速旋转机械系统动态设计制造和碰摩故障的诊断和控制提供理论参考。     

燃气轮发动机主轴轴承的设计要点

采用高速圆柱滚子轴承作燃气轮发动机主轴轴承,其失效原因主要是滚子打滑、歪斜,造成内圈滚道、滚子端面和内圈挡边的过量磨损。采用反转轴间轴承技术,即轴承的内圈和外圈的旋转方向相反,采用硅青铜保持架,以及对滚子、保持架的重要参数进行合理的选取,从而保证了轴承具有较高的工作可靠性和较长的使用寿命。     

电磁轴承-无轴承电机系统在转子主动控制的应用研究

主动磁轴承借助电磁力来控制转子的振动,无轴承电机在实现转矩控制的同时实现电机的悬浮控制。本文在对永磁偏置三自由度电磁轴承和两自由度无轴承电机的磁悬浮机理一般性描述的基础上,分析了其产生的悬浮控制力。并以转子电磁振动为研究对象,结合电磁轴承和无轴承电机的特点,提出利用一种新型的五自由度磁悬浮异步电机作为执行机构对转子电磁振动进行主动控制,实现了转子系统稳定工作。此系统可以有两方面的应用,既可以用做转子的支承,也可以用做转子振动主动控制的增稳。     

松动对碰摩转子-轴承系统非线性特性的影响研究

在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转子与定子之间的相对滑动速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了含有松动和碰摩故障转子系统的动力学模型,对转子 轴承系统由松动和碰摩耦合故障导致的非线性动力学行为进行了数值仿真研究,发现该类系统在运行过程中存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象,研究结果为转子 轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考。     

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。     

自消除间隙机构中保护轴承配合过盈量分析

结合自消除间隙保护轴承机构中滚动轴承的运动特点,建立了磁悬浮轴承转子与滚动轴承过盈配合的静态和高速旋转时的动态力学模型,并详细分析了转子、滚动轴承内圈以及外圈各处的位移变形。针对两组不同游隙值的滚动轴承,计算了转子与滚动轴承内圈所需的装配过盈量与转速的关系,并对转子、滚动轴承内圈和外圈在静态和动态下的强度进行了校核。从滚动轴承内圈和转子配合过盈量的角度,给出了自消除间隙保护轴承系统中滚动轴承的选取准则。     

磁悬浮轴承转子动力学分析及其主动控制研究

转子是磁悬浮轴承系统旋转机械的核心部件,其性能与系统稳定性及各项技术指标紧密相连。磁悬浮轴承转子系统以其高转速,高功效的特点已成为当代旋转机械系统的核心,有效提高其安全性能已经成为研究因素里的重中之重。综述了磁悬浮轴承转子系统动力学特性研究内容的现状和研究方法的应用,以及转子振动主动控制的几种方式,分别针对每个要素的不同研究方法做出了分析与总结,旨在对磁悬浮轴承转子振动控制技术的发展趋势进行展望。     

双盘转子轴承系统不对中-碰摩耦合故障分析

针对由于轴承不对中而引起不对中-碰摩耦合故障的转子-轴承系统,建立了考虑电机联轴器影响的双盘不对中-碰摩耦合故障转子系统力学模型和有限元模型。基于非线性有限元方法,使用等效不对中力矩及接触理论研究了碰摩刚度和不对中角度两个重要参数对系统动力学特性的影响。通过对在不同碰摩刚度及不对中角度时系统动力学特性的研究分析,发现不对中-碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主,并且二倍频出现较早及其峰值会急速增大,这一特性可以作为诊断不对中-碰摩耦合故障的一个依据。     

双跨碰摩转子-轴承系统非线性动态响应与混沌

在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了双跨碰摩弹性转子-轴承系统动力学模型。对系统单盘和双盘碰摩的非线性动力学响应进行了数值仿真研究,发现该类系统在单盘碰摩时进入混沌的道路是倍周期分岔,离开混沌的道路为倍周期倒分岔,混沌运动区域为一体;双盘同时碰摩时,混沌运动区域中出现了2个明显的独立混沌岛。偏心量的增大,会使得系统响应更加不稳定。研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考。     

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。     

22340R／W33双列调心滚子轴承失效分析

通过对某粉煤机上失效主轴轴承部分内圈进行材质、硬度、金相组织和化学成分的分析 ,得出可能导致其失效的三个主要原因是轴承游隙偏小、轴承与轴的配合尺寸公差过盈量不够、轴承内圈端面与锁紧螺母之间的预紧力不够。附图 4幅 ,表 1个。