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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

改性尼龙水润滑轴承摩擦学性能试验研究

针对舰艇推进系统用水润滑轴承低噪声设计需求,研制改性尼龙（PA）的轴承材料及轴承样机,利用多功能摩擦磨损试验机对改性PA材料样品进行摩擦学性能试验,并与丁腈橡胶和赛龙SXL材料的摩擦学性能进行对比;在水润滑轴承试验台上开展PA轴承样机转速特性试验和载荷特性试验,获取不同比压和转速下摩擦因数和振动特性数据。研究结果表明：与丁腈橡胶和赛龙SXL材料相比,改性PA材料具有摩擦因数小、磨损率低的优点;低转速下,水润滑轴承摩擦因数随转速增大而减小,随比压增大而增大,转速增加至100 r/min后,摩擦因数变化趋势逐渐减缓;在工作转速范围内改性PA材料水润滑轴承无异常摩擦振动和噪声。研究结果为舰艇低噪声水润滑艉轴承设计提供参考。     

几种不同衬层材料水润滑轴承的润滑特性分析

以船舶水润滑轴承为研究对象,建立水润滑轴承双向流固耦合模型,采用有限元法研究偏心率为0. 6时,赛龙、飞龙、丁腈橡胶和超高分子聚乙烯4种不同衬层材料水润滑轴承的润滑特性。研究结果表明:转速一定时,4种衬层材料沿轴向和周向的衬层变形分布较为一致,其中丁腈橡胶衬层的变形最大; 4种衬层材料沿轴向和周向的压力分布趋势也较为一致,最大的压力值均出现在210°～270°之间,同时在270°～30°之间水膜压力波动较大。4种衬层材料的摩擦因数均随转速的增大呈现先增大后减小的趋势,其中丁腈橡胶的摩擦因数最大,超高分子聚乙烯的摩擦因数最小。     

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。     

轴承径向游隙对刚性转子不平衡响应的影响研究

针对某涡轮泵拟刚性转子振动较大的问题,在考虑轴承径向游隙的情况下,建立Jeffcott转子模型,对转子的不平衡响应进行分析,研究表明:随着轴承径向游隙增大,临界转速以下的不平衡响应幅值增大,在80%临界转速处,10倍偏心距的轴承径向游隙会产生15.5倍无轴承径向游隙的不平衡响应。因此,在亚临界转速下工作时,可采用预紧装置适当减小轴承径向游隙,降低转子-支承系统的振动。加装预紧装置的试验结果表明,施加2 000 N轴向预紧力时,转速8 000 r/min以下的转子振动幅值降低40.6%,验证了理论推导的正确性。     

大间隙环流中轴承支承的单质量转子系统特征值分析

建立了大间隙环流中动压滑动轴承支承的单质量转子系统运动方程和特征方程，分析了系统参数对特征值的影响。结果表明，动压滑动轴承特性系数（如刚度和阻尼系数）、大间隙环流特性参数（如流体动力质量、壁面摩擦因数和无量纲间隙比）以及单质量转子系统参数（如系统固有频率）对系统特征值有不同程度的影响。结果表明：随着表征轴承刚度特性的ω1的增大，失稳转速增加，最终γ趋近于2，即相当于Jeffcott转子系统，同时临界转速也随之提高；随着表征轴承阻尼特性ζ的增大，失稳转速不变，临界转速提高；随着表征大间隙环流特性的流体动力质量α的增大，失稳转速不变，临界转速下降；随着表征大间隙环流特性的壁面摩擦因数和无量纲间隙比值β的增大，失稳转速和临界转速均不发生变化：随着表征单质量转子特性的固有频率ω0的增大．失稳转速下降．临界转速降低．     

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。     

高速圆柱滚子轴承打滑分析

在充分考虑轴承各零件柔性基础上,基于ABAQUS建立高速圆柱滚子轴承动力学分析模型,分析了轴承保持架、滚子的运动特性和滚子在轴承运行周期中的打滑特性,主要考虑径向载荷、内圈转速、兜孔间隙与引导间隙比值及轴承内部摩擦因数对滚子打滑的影响。结果表明:圆柱滚子轴承在高速、轻载工况下更易发生打滑;间隙比小时,滚子打滑程度会受到抑制;摩擦因数增大会抑制滚子打滑。     

考虑螺栓联接结构的轴承-转子系统振动特性分析

针对含螺栓联接结构的轴承-转子系统,建立考虑陀螺力矩及因螺栓预紧力不均匀产生的初始变形量的非线性转子系统动力学模型。采用法求解转子系统运动方程,通过分岔图、时域曲线、频谱及Poincaré映射图研究存在轴承游隙时转子系统的混沌路径,并分析不同初始变形量及轴承游隙对转子系统非线性振动特性的影响,通过试验验证所得结论的准确性。研究表明,当存在轴承游隙时,预紧力不均匀产生的初始变形量增加会抑制低转速下盘的混沌运动,拟周期运动进入混沌运动状态的转速升高,临界转速附近的振动幅值增加,系统混沌路径发生变化;存在初始变形量时,随着轴承径向游隙增大,系统在低转速工作状态下即进入混沌运动运动状态,拟周期运动进入混沌运动状态的转速降低。研究结果可为含螺栓联接结构的轴承-转子系统设计提供理论参考。     

计入轴承工作条件的轴-轴承系统动力学行为分析

以轴-深沟球轴承系统为研究对象,在揭示深沟球轴承反力与轴颈中心位移之间关系的基础上,采用ADAMS动力学仿真软件研究轴-轴承系统的动力学行为,着重讨论了深沟球轴承轴向力、滚动体离心力以及轴承径向间隙等因素对轴-轴承系统动力学行为的影响。结果表明:轴向力作用对轴承起预紧作用,改变了轴-轴承系统的幅频特性,轴承轴颈中心径向位移与轴向力关系为非线性减函数关系;轴承转速增加,滚动体离心力增加,轴承支承刚度下降,轴承轴颈中心径向位移响应峰值增加;轴承间隙与轴承轴颈中心径向位移响应峰值为近似线性关系。     

高速主轴离心膨胀及对轴承动态特性的影响

以高速主轴系统为对象,将主轴转子和轴承内圈分别等效为等截面梁和空心圆盘,计算离心力作用下主轴转子和轴承内圈的径向弹性变形,并分析主轴转子与轴承连接状态随转速升高的变化趋势。考虑旋转部件的离心膨胀变形,建立高速主轴轴承动力学模型并进行试验验证。在此基础上,研究离心效应对主轴轴承径向预紧状态的影响,揭示高速主轴轴承动态特性随转速的变化规律。研究结果表明,离心力引起的径向膨胀变形使滚动体与轴承内、外圈之间的接触角减小,接触力增加。主轴轴承的轴向刚度和径向刚度均随转速的升高而降低。轴承内圈的离心膨胀变形对轴承轴向刚度的影响可以忽略不计,而能在一定程度上提高轴承的径向刚度。     

预紧力对轴承接触状态及电主轴回转性能的影响

高速电主轴角接触球轴承的性能由转速、支承刚度、旋转精度和摩擦生热等因素决定,这些因素都直接关系到轴承在轴向预紧力作用下的接触特性。研究了轴承滚动体与滚道在轴向预紧力变化下的接触特性。提出了一种利用开尔文四线法测定轴承不同轴向预紧力下接触电阻的新方法。结果表明,随着轴承轴向预紧力的增大,接触电阻呈非线性减小。对于角接触球轴承,当轴向预紧力大于一定值时,接触电阻趋向平稳,形成"L"型曲线。进一步研究了轴向预紧力对背靠背角接触球轴承对作为大型电主轴一端支撑的旋转精度的影响。研究表明,轴承外圈径向跳动随着轴向预紧载荷的增大呈现"降-升-降"的波动趋势,反映了径向游隙变化以及背对背轴承对隔离挡圈平行度误差对轴承外圈姿态变化的综合影响。本研究为角接触球轴承作为小型电主轴和大型电主轴的支撑进行轴向预紧时预紧载荷的优化提供了技术支撑。     

气体动压径向短轴承动力学和分岔分析

径向气体润滑轴承是精确定位以及微旋转机械中的重要部件,其非线性动力学特性对整个器件的稳定性和可靠性具有重要的影响。文中以气体动压径向短轴承—转子系统为研究对象,建立气体轴承—转子系统耦合非线性动力学方程,以轴承数为分岔参数,分析长径比为0.75时在不同初始偏心率条件下,系统动力学特性随转子转速变化的影响。     

轴向预紧力对高速轴承-转子动力学系统的影响

以高速电主轴的轴承为对象,根据Harris轴承运动理论和赫兹接触理论,考虑随转速提高引起轴承刚度下降以及"软化"的现象,建立轴向预紧力下的高速轴承-转子系统动力学模型,采用Newton-Raphson算法,对轴承钢球动力学方程进行求解。分析轴承在不同轴向预紧力下,轴承-转子系统动力学性能的变化。结果表明:随着轴承轴向预紧力的提高,轴承-转子系统的涡动频率上升,且轴上轴承组之间的距离越大,转子的涡动频率越高。