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。     

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.     

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。     

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。     

缓冲材料对屏蔽转运容器跌落特性的影响研究

利用SolidWorks Simulation跌落测试模块对屏蔽转运容器进行了跌落测试分析。研究了屏蔽转运容器在无缓冲垫、缓冲垫为PE塑料以及缓冲垫为天然橡胶三种工况下的跌落特性。仿真结果表明跌落碰撞过程中无缓冲垫时的最大应力值接近材料的屈服强度,如果发生跌落容易造成核废料泄露。PE塑料作为缓冲垫时的最大应力值与无缓冲垫时相差不大,没有起到缓冲吸能的作用。天然橡胶作为缓冲垫时的最大应力值明显降低,起到了很好的缓冲保护作用。     

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。     

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。     

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。     

涡轮增压器起停过程转子轴向力测试研究

涡轮增压器起动和停机过程转子所受的轴向力大小对于增压器的设计是至关重要的。以JP60C型涡轮增压器为研究对象,利用有限元方法计算增压器止推轴承的应变场,确定了转子轴向力的测量方案。并在增压器性能试验台上对增压器转子轴向力进行实验测量。实验结果表明,增压器起动和停机时,止推轴承所承受的轴向力远大于稳定工作时所承受的轴向力;且起动和停机工况下,转子所受的轴向力方向相反。试验结果将为增压器止推轴承的合理设计提供理论依据。     

飞轮轴向永磁轴承的径向干扰力分析与控制研究

针对飞轮轴向永磁轴承带来的径向干扰力问题,推导了径向干扰力的解析表达式,对干扰力的幅值和方向特性以及它的线性化结果进行了研究。对飞轮运行过程中径向干扰力带来的影响和电磁轴承位移刚度系数变化之间的关系进行了归纳,提出了基于修正参数零力控制算法的电磁轴承控制方法,来抑制飞轮转子系统的干扰力;利用Simulink仿真平台,对包含飞轮转子系统、轴向永磁轴承和电磁轴承零力控制算法的模型进行了测试。研究结果表明:在径向电磁轴承控制算法中采用修正前馈系数的零力控制算法,可以将飞轮转子系统外传力控制在原先的3%,较好地满足了系统干扰力的控制要求。     

多级离心泵轴向浮动支撑结构的研究与设计

为解决多级离心泵因轴向力引起的平衡盘磨损和轴承烧损等问题,提出了一种组合轴承支撑结构。该结构由轴向自由的圆锥滚子轴承(文中称为浮动轴承支撑)与圆柱滚子轴承组合而成。其中,圆锥滚子轴承侧轴承安装外套采用浮动结构,允许轴承轴向自由窜动,并限制转子向泵进口端方向移动的极限位置,保证平衡盘保持有最小间隙,避免了平衡盘磨损;组合支撑结构确保圆柱滚子轴承只承担径向力,圆锥滚子轴承只承担轴向力,改善了轴承受力条件。浮动轴承支撑采用弹性压盖,确保轴承内外圈与滚子紧密贴合,防止滚子与内外圈的相对滑动,提高轴承的使用寿命。实际应用表明该结构运行平稳可靠。     

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。     

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。     

开关磁阻电机一体化飞轮储能支撑系统的分析

拟定一种新型的飞轮储能系统方案,即电机采用开关磁阻电机,并将电机转子与飞轮电池转子一体化。针对支撑系统内部磁场分布情况及受力情况的问题,分别对轴向和径向电磁轴承转子产生的初始、中间和极限三种位置及内部磁场分布进行仿真分析。结果表明:径向和轴向电磁轴承内部磁场分布都符合使用要求,可以作为一体化结构中的磁悬浮支撑系统,并得到了它们稳定运转与产生偏移时的受力情况。     

拼接永磁支承的优化设计

南极超低温的环境使得接触式机械轴承的性能受到严重影响,而具有低功耗、无机械接触摩擦等优点的磁悬浮轴承非常适合这种环境。选取32块扇形永磁体拼接成定子永磁圈,将转子永磁体分别设计为圆形、六边形、扇形及四边形结构,通过仿真分别得出永磁支承的悬浮力及波动率。最后,对扇形转子和四边形转子两种结构进行实验测量。实验结果表明:相对于扇形转子,四边形转子结构的承载能力相近,但稳定性显著提高。     

轴向摩擦双盘转子的振动分析

为研究轴向摩擦对转子运动的影响,利用弯曲变形和微小角位移矢量合成理论,推导出圆盘与封严圈之间的轴向碰撞力和摩擦力计算公式.根据力矩相等原则,将轴向碰撞力转化为作用于盘心的横向力.建立简支单跨双盘转、静子轴向碰摩的弯扭耦合振动方程,并数值模拟分析弯曲共振时,不同的转、静子轴向间隙对转子运动的影响.结果表明,随着间隙改变,转子横向和扭转运动特征都会发生相应变化,且扭转运动更能反映轴向摩擦的程度.     

基础平动激励下的电磁轴承柔性转子系统振动控制研究

针对基础激励会导致转子碰撞保护轴承,甚至引起系统失稳的问题,对电磁轴承柔性转子系统在基础平动激励条件下的振动位移响应特性及其控制进行了研究.首先,在基础坐标系中建立了电磁轴承柔性转子系统的运动方程;然后,以基础加速度为输入信号和LMS变步长算法设计了自适应控制器,根据位移差值自适应调节其输出信号,抑制了系统在该种扰动下...     

综合材料强度等因素的轴向电磁轴承最大承载力与转速关系分析

高温气冷堆商业示范电站(HTR—PM)主氦风机转子重4吨、运行功率4.5MW,立式运行于氦气环境中,选用全电磁轴承支承。其中,轴向轴承设计要求能够承受转子重力4吨及同向叠加的气动载荷8吨。轴向电磁轴承电磁力与磁极(包括止推盘)面积成正比,取决于止推盘所允许的最大外径。但当考虑转速时,最大外径还受材料强度限制而不能任意选取。因此,在材料强度、最大外径(最大电磁力)与最高转速之间存在一定的函数关系,若综合考虑损耗及允许温升等因素,各个参量的关系相对更为复杂。本文根据第一强度理论,确定了转子极限转速与不同结构形式的止推盘最大外径的解析关系;进一步,通过电磁仿真分析验证了不同转速、不同材料对应的最大电磁力。并在上述分析计算基础上,基于专用1:1实验装置,对比推力盘所受电磁力随电流而变化的情况。研究结果有助于HTR-PM高温气冷核反应堆主氦风机轴向电磁轴承的选型设计。