自动消除保护轴承间隙的机构研究

Auxiliary bearings are used to protect the stators from damage in case the active magnetic bearing system fails or overloads. But because of the clearance between the rotor and auxiliary bearing and the lack of anti-impact ability, some troubles about the back-up system have been reported at home and abroad such as the serious damage of the journal, the auxiliary bearing and the seals. In this project, a mechanism which can auto eliminate the protect clearance is proposed to enhance the anti-impact ability of auxiliary bearing and prolong its service life. The kinematics, dynamics and statics problems of this type of mechanism are emphatically analyzed. The main work in this project includes: (1) matching design theory between the stiffness and damping coefficients of the mechanism and auxiliary bearing; (2) exploring the key factors that influences the waning vibration capabilities of the mechanism as well as its open and close time; (3) establishing theoretical models of dynamic responses, heating and contact stresses after rotor drop; (4) studies of rotor drop experiments using the new mechanism; (5) optimization design of the mechanism based on the theoretical and experimental results, and proposing the design and service life assessment criterions of the mechanism. The researches of this project can help to minimize the impacts and vibrations after rotor drop and enhance the reliability and service life of magnetic bearing. This project makes magnetic bearings have much wider foreground in industrial fields.

保护轴承的作用是在磁悬浮轴承失效或过载条件下临时支承高速旋转的转子，以保护设备不受损坏，由于保护轴承与转子存在间隙，耐振动冲击的能力不足，国内外经常发生保护轴承没有起到保护作用而损坏设备的严重事故。本项目提出一套自动消除磁悬浮保护轴承间隙的机构，可显著提高保护轴承寿命和抵抗振动冲击的能力。重点研究这种自消除间隙机构的运动学、动力学和静力学基本问题。主要包括：机构的刚度、阻尼系数与保护轴承的匹配设计理论；探索影响机构关闭与打开时间和减振能力的关键因素，使其具有高可靠、长寿命及较强吸收振动冲击的能力；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；对自消除间隙机构进行高速跌落的试验研究；根据理论与试验研究结果优化自消除间隙机构的设计，提出机构的设计与寿命评估准则。本项目的研究可减小磁悬浮轴承失效后转子跌落给系统带来的振动与冲击，提高磁悬浮轴承的可靠性使其在工业应用中具有广阔的前景。

磁悬浮轴承系统中必不可少组件之一的保护轴承，是磁悬浮轴承失效或过载后保护转子与定子系统免受损坏的重要屏障。传统保护轴承在转子跌落后，转子会产生剧烈振动，甚至产生涡动，巨大的碰撞力以及涡动离心力使得滚动轴承很容易损坏，本项目提出了一种可以在转子跌落后自动消除磁悬浮保护轴承间隙的机构，并进行了一系列相关研究。首先对该机构的运动学进行研究，重点分析了机构中转动副1与机构中心距离、转动副1和2之间距离以及转动副2的间隙大小对支座摆动角度大小的影响，和以支座能够获得最大摆角为依据提出了合理的结构布局，并进行了试验验证。研究结果表明：连杆位于转动副1外侧的机构相对于内侧的机构，支座能获得更大的摆动角度；在符合结构尺寸以及其他影响因素的条件下，可通过减小转动副1到转动副2的距离、转动副1到机构中心的距离和适当增加转动副2的间隙来达到支座消除间隙所需要的摆动角度大小。其次对该机构静力学进行研究，重点分析了支座稳定支承滚动轴承外圈的条件—应尽量减小间隙消除时支座碰撞点处的法向力臂，并增大转动副1的半径；不同支座端面形状对消除间隙的摆动角度和法向力臂大小的影响,并提出合理的支座端面形状—相对于单段型支座，分段型支座能有效地缓解支座消除间隙时摆动角度大小与消除间隙后支承滚动轴承外圈稳定性之间的矛盾。 然后对转子跌落到该机构上的动力学进行了研究，分别建立了磁悬浮轴承失效前、后转子的动力学模型、磁悬浮轴承支承模型、滚动轴承受力模型、外圈—支座碰撞模型、单个支座振动模型以及支座摆动模型。仿真计算了不同参数对磁悬浮轴承失效后各部分动力学响应的影响，并在一个五自由度磁悬浮轴承试验台上进行相关跌落试验研究。得到了支座端面形状、转子跌落相位与跌落转速、转子不平衡量、滚动轴承润滑系数、外圈与支座之间的摩擦系数、转动副1的摩擦系数、支座的数量、自消除间隙保护轴承安装角度等参数对转子跌落后各部分动力学响应的影响，并得到了转子跌落到该机构上的发热规律和支承特性。本项目所研究的自动消除保护轴承间隙机构能够在磁悬浮轴承系统失效后成功消除系统中的初始保护间隙，稳定支承转子继续旋转。与传统保护轴承相比，自动消除间隙保护轴承能够有效减小转子跌落时滚动轴承受到的最大碰撞力，相对减小率最高可达70%，并消除了转子跌落后发生涡动的可能，改善了滚动轴承的工况，从一定程度上延长了保护轴承的寿命，提高了磁悬浮轴承的可靠性。