磁悬浮轴承系统中的新型保护轴承研究

通常用滚动轴承作为磁悬浮轴承系统的保护轴承，但由于它的工作转速偏低、耐振动冲击的能力不足，常发生保护轴承起不到保护作用而损坏设备的事故。本项目（1）提出了用2个滚动轴承组成一个保护轴承新结构，与传统保护轴承相比，工作转速可提高20%-30%；（2）将弹性阻尼器设置在保护轴承的内圈与转子之间，可以在保护轴承工作之前吸收振动与冲击（现有思路：弹性阻尼器被设置在保护轴承的外圈和机座之间，不足是它在保护轴承工作之后才吸收振动与冲击）。重点研究这种保护轴承的运动学、动力学和静力学基本问题。主要包括：建立2个滚动轴承之间转速分配的计算方法，弹性阻尼器与保护轴承的匹配设计理论；建立转子跌落引起的动态响应、发热与接触应力的理论计算方法；对保护轴承进行高速跌落试验研究，提出保护轴承的设计与寿命评估准则。本项目是从磁悬浮轴承的基础研究和工业应用中提炼出来的，在国家重大专项"高温气冷堆核电站"中有重要应用前景。

在磁悬浮轴承系统中，需要一套保护轴承作为磁悬浮轴承失效后转子的临时支撑，保护设备不受损坏。针对传统保护轴承无法支撑超高速转子旋转，且难以承受转子跌落后所带来的巨大冲击的不足，本项目提出了将双层滚珠轴承作为保护轴承来使用，并进行了一系列相关研究。在双层滚珠轴承作为保护轴承使用之前，首先基于拟静力学原理，在考虑轴承所承受的径向载荷、轴向载荷、滚珠自身离心力以及陀螺力矩联合载荷作用下，建立了双层滚珠轴承的力学模型，基于MATLAB平台，编制了单、双层滚珠轴承力学特性分析的计算程序，并研究了相关参数对轴承力学特性的影响，最后设计并制造了转子—轴承系统试验平台，对仿真结果进行了试验验证。重点分析并得到了双层滚珠轴承转速分配的影响因素；外载荷、工作转速、滚珠材料、径向游隙、沟曲率半径和滚珠初始接触角等对单、双层滚珠轴承变形的影响规律；在对双层滚珠轴承特性研究的基础上，分别建立了磁悬浮轴承失效前后转子的动力学模型、磁悬浮轴承支撑模型、转子—内圈碰撞模型、滚珠的受力模型以及双层保护轴承的实时支撑弹性力模型，根据所建立的模型，对在不同参数下，磁悬浮轴承失效后各部分的动力学响应进行仿真计算，并在一个五自由度磁悬浮轴承试验台上进行相关的跌落试验研究。重点分析并得到了转子与内圈之间的摩擦系数、保护间隙、不平衡量、支撑阻尼、工作转速、轴承游隙、轴承型号、中圈材料、精度等级、预紧力以及接触角等参数对转子跌落后最大碰撞力的影响规律；得到了转子跌落到单、双层保护轴承上的发热规律。提出在双层保护轴承系统中加入弹性阻尼器来进一步提高保护轴承的工作性能，分别选用公差环和金属橡胶环作为径向弹性阻尼器来使用，选用橡胶环作为轴向阻尼器来使用，并进行了相应的理论和试验研究。研究结果表明：公差环和金属橡胶环的减振效果均得到了证明，但从经济性和装配的难易性出发，应优先选择公差环作为保护轴承系统中的弹性阻尼器来使用；在实际应用中由于轴向碰撞力相对很小，可以不添加轴向阻尼器。项目中还设计了两种新型的零间隙保护轴承，尝试从另一途径来降低转子跌落所带来的破坏。