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。     

电磁轴承转子系统中高速不平衡转子跌落过程的非线性动力学

对高速不平衡刚性转子在应急情况下跌落在保持轴承内的非线性动力学进行了研究, 数值分析了转子的瞬态响应,给出了跌落过程中转子在保持轴承中的轨迹、滑动涡动阶段的速度和功率损耗。探讨了诸如轴承间隙、摩擦系数、恢复系数、不平衡量和跌落初始条件对转子跌落行为的影响     

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。     

非线性磁悬浮转子系统的不平衡响应分析

考虑漏磁及磁饱和等非线性因素对磁悬浮轴承支承特性的影响,建立非线性磁悬浮转子系统动力学模型,分析运行参数和控制参数对系统不平衡响应的影响,结果表明:负载较大时,非线性磁悬浮转子系统不平衡响应更复杂;相同转速范围内非线性磁悬浮转子系统更易失稳;比例系数较大和微分系数较小会使非线性磁悬浮转子系统振幅增大,不平衡响应明显.     

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。     

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。     

基于冲击响应的磁悬浮轴承刚度阻尼仿真辨识

轴承的支承特性直接影响着旋转机械的工作效率、可靠性和寿命,磁悬浮轴承的动态特性对整个磁悬浮转子系统起着极其重要的作用。通过辨识冲击载荷引起的瞬态响应可以识别出磁悬浮轴承的刚度和阻尼。介绍基于冲击响应辨识的基本原理,并对五自由度磁悬浮轴承-转子系统进行仿真辨识研究,将识别的系统刚度和阻尼参数与初始赋予的参数值对比,识别效果较好,证明了该识别理论的可行性。     

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。     

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。