一種外間隙結(jié)構(gòu)輔助軸承

劉廷武，陳林，時大林

(1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川 江油 621703)

輔助軸承(Auxiliary Bearings ，AB)作為主動電磁軸承(Active Magnetic Bearings，AMB)設(shè)計中的一個重要元件，其主要功能是增強(qiáng)主動電磁軸承的可靠性。主動電磁軸承存在的最大問題是當(dāng)電力失效時，高速旋轉(zhuǎn)的磁懸浮轉(zhuǎn)子會迅速解懸浮，從而造成災(zāi)難性后果。另外，由于主動電磁軸承中規(guī)則輾壓成形的硅鋼片芯最大許可承載能力(F/(L×D))約為70 Psi(1 Psi≈6 894.7 Pa)，相對于滑動軸承，承載能力約低了2個數(shù)量級[1]。因此，由主動電磁軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)必須安裝輔助軸承，以保證在主動電磁軸承發(fā)生故障時轉(zhuǎn)子墜落在輔助軸承上，且輔助軸承能支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，同時在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)過載的情況下，需由輔助軸承承擔(dān)部分載荷，以保護(hù)主動電磁軸承不受損壞。

1 輔助軸承現(xiàn)狀

輔助軸承是所有裝有主動電磁軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中一種必需的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計必須始終與主動電磁軸承的可靠性和安全性聯(lián)系在一起考慮。因此，嚴(yán)格來說，主動電磁軸承應(yīng)與輔助軸承作為一個整體考慮作為轉(zhuǎn)子的支承結(jié)構(gòu)。雖然在主動電磁軸承發(fā)展初期，輔助軸承就已作為其一個重要組成部分，但絕大部分的研究基本都集中在主動電磁軸承的結(jié)構(gòu)、動力特性、控制策略和方法以及工業(yè)應(yīng)用等方面，而對輔助軸承的研究未足夠重視。美國IHPTET計劃和歐洲MAGFLY計劃已開展了航空磁懸浮軸承的研究，并在主動電磁軸承系統(tǒng)的主動控制、新材料研究、基于全局的優(yōu)化設(shè)計等多個關(guān)鍵技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展。但總體上，相對于主動電磁軸承而言，輔助軸承的研究仍處于滯后狀態(tài)。20世紀(jì)90年代末，美國莫霍克創(chuàng)新科技公司(MITI)等研究機(jī)構(gòu)提出了多種全新概念的輔助軸承[2-3]，同時對輔助軸承進(jìn)行了大量的試驗(yàn)技術(shù)探索和研究。國內(nèi)許多大學(xué)對主動電磁軸承也開展了較多研究[4]，但是對輔助軸承的研究基本處于空白狀態(tài)，與國外仍存在較大差距。就國內(nèi)現(xiàn)狀來看，要研究出可靠且結(jié)構(gòu)小巧的輔助軸承系統(tǒng)，可能比研究主動電磁軸承本身需要花費(fèi)更多的時間和經(jīng)費(fèi)[5]。

目前，輔助軸承多采用滾動軸承或滑動軸承，高轉(zhuǎn)速、低載荷轉(zhuǎn)子大多采用滾動軸承。滾動軸承作為輔助軸承，與轉(zhuǎn)子之間的裝配關(guān)系不再是通常機(jī)械結(jié)構(gòu)中的過盈配合，而是留有較大間隙量，該間隙量一般選擇為主動電磁軸承與轉(zhuǎn)子之間間隙的一半，以保護(hù)主動電磁軸承不受損壞。這類固定間隙輔助軸承結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，因此在工程上應(yīng)用較多。但滾動軸承的滾動體在加速過程中受到?jīng)_擊載荷時，將導(dǎo)致滾動體打滑和軸承內(nèi)、外圈磨損，同時轉(zhuǎn)子和軸承滾道表面的蹭傷以及非均勻摩擦使磨損急劇加重，軸承壽命很有限。因此，國內(nèi)、外一些研究機(jī)構(gòu)正在研究其他形式的輔助軸承，如動/靜壓滑動輔助軸承、行星輔助軸承和零間隙輔助軸承等，以取代滾動軸承作為主動電磁軸承的輔助軸承。

2 外間隙輔助軸承

傳統(tǒng)的固定間隙輔助軸承是軸承外圈固定在軸承座上，內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子間存在間隙。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)間隙輔助軸承

研究表明，主動電磁軸承失電，轉(zhuǎn)子墜落在傳統(tǒng)固定間隙輔助軸承上的過程中，轉(zhuǎn)子普遍都出現(xiàn)諸如擺動運(yùn)動、碰撞回轉(zhuǎn)運(yùn)動及摩擦回轉(zhuǎn)運(yùn)動等運(yùn)動模式[6]，這些運(yùn)動模式在極端情況下可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與主動電磁軸承間碰磨而損壞主動電磁軸承。

基于此，下文研究并分析了另外一種形式的固定間隙輔助軸承，即外間隙輔助軸承。試驗(yàn)研究的目的在于分析其對墜落轉(zhuǎn)子運(yùn)動模式的影響，以降低轉(zhuǎn)子墜落對主動電磁軸承造成損壞的風(fēng)險。與傳統(tǒng)固定間隙輔助軸承不同，外間隙輔助軸承的內(nèi)圈固定，而外圈與轉(zhuǎn)子間保留間隙，主動電磁軸承失電后，轉(zhuǎn)子最終墜落在其外圈上。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 外間隙輔助軸承

3 試驗(yàn)裝置

3.1 主體裝置

試驗(yàn)主體裝置主要包括主動電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、電動機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。主動電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主動電磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子兩端支承均采用主動電磁軸承，每個主動電磁軸承配置相應(yīng)的輔助軸承。

3.2 輔助軸承選擇

輔助軸承需根據(jù)轉(zhuǎn)子沖擊載荷及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。

當(dāng)主動電磁軸承出現(xiàn)故障時，轉(zhuǎn)子墜落在輔助軸承上，對輔助軸承的沖擊載荷是選擇輔助軸承的首要依據(jù)。

圖4為計算主動電磁軸承發(fā)生故障時轉(zhuǎn)子兩端輔助軸承所受轉(zhuǎn)子沖擊載荷計算模型。圖5和圖6為輔助軸承的沖擊載荷。

圖4 轉(zhuǎn)子沖擊載荷計算模型

圖5 轉(zhuǎn)速3 000 r/min 轉(zhuǎn)子沖擊載荷

圖6 轉(zhuǎn)速10 000 r/min 轉(zhuǎn)子沖擊載荷

根據(jù)計算的沖擊載荷和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)裝置中的安裝尺寸，本次討論的輔助軸承采用6209M/HA深溝球軸承。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 測試系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動模式主要通過轉(zhuǎn)子的軸心軌跡體現(xiàn)。軸心軌跡采用電渦流位移傳感器測量，該傳感器標(biāo)定系數(shù)為16.6 V/mm。轉(zhuǎn)子的外傳振動測量采用BZ加速度傳感器在輔助軸承座的水平和垂直方向測量。該傳感器靈敏度為150～200 PC/m·s-2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DASP數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行處理。

4.2 主動電磁軸承斷電試驗(yàn)

在試驗(yàn)中采用人為對主動電磁軸承的故障進(jìn)行斷電模擬。圖7和圖8分別為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3 000 r/min和5 000 r/min時試驗(yàn)的軸心軌跡和外傳振動。

由圖7可知，在3 000 r/min主動電磁軸承斷電后，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動特性比較復(fù)雜，處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，其軸心軌跡呈現(xiàn)出時而縮小、時而加大的周期變化規(guī)律。運(yùn)動軌跡集中在間隙圓的下半部，最明顯的是出現(xiàn)一種不穩(wěn)定的8字碰撞型回轉(zhuǎn)運(yùn)動。外傳振動的變化情況和軸心軌跡相對應(yīng)，也存在著周期變化現(xiàn)象。

圖7 3 000 r/min試驗(yàn)情況

由圖8可知，主動電磁軸承在5 000 r/min時，斷電后轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動特性與3 000 r/min斷電試驗(yàn)相比，其倍頻成分有所增加，軸心軌跡沒有明顯的規(guī)律可循。轉(zhuǎn)子運(yùn)動軌跡也大多集中在間隙圓的下半部且呈擺動狀態(tài)。偶爾轉(zhuǎn)子向下墜落與輔助軸承碰撞后反彈上拋，但上拋高度不足以使軸頸在高點(diǎn)與輔助軸承碰撞，沒有反彈上升-加速墜落-反彈上升的現(xiàn)象。外傳振動與3 000 r/min斷電試驗(yàn)相比略有減小。

圖8 5 000 r/min試驗(yàn)情況

4.3 改變輔助軸承阻尼后斷電試驗(yàn)

由于條件有限，本次試驗(yàn)改變輔助軸承阻尼的方法是在輔助軸承上涂抹3號鈣基潤滑脂，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。

4.3.1 保持架涂抹3號鈣基潤滑脂

該項試驗(yàn)的軸心軌跡和外傳振動如圖9所示。由圖9可知，轉(zhuǎn)子墜落后，其軸頸始終與輔助軸承接觸而形成全周摩擦回轉(zhuǎn)運(yùn)動，并且運(yùn)動軌跡已超出間隙圓，因此其運(yùn)動模式與相同轉(zhuǎn)速下不涂抹潤滑脂有所差異，但整個過程中外傳振動與不涂抹潤滑脂情況比較明顯減小。

圖9 輔助軸承保持架涂抹潤滑脂斷電試驗(yàn)

4.3.2 保持架和外圈均涂抹3號鈣基潤滑脂

該項試驗(yàn)的軸心軌跡和外傳振動如圖10所示。由圖10可知，轉(zhuǎn)子墜落后，其運(yùn)動模式同樣立即變?yōu)槿苣Σ粱剞D(zhuǎn)運(yùn)動，與只在輔助軸承保持架涂抹潤滑脂情況相同。但比較圖9c和圖10c可知，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動軌跡超出間隙圓范圍的幅度有所減小，同時外傳振動明顯降低。

圖10 輔助軸承保持架和外圈均涂抹潤滑脂斷電試驗(yàn)

4.4 外傳振動情況

各試驗(yàn)工況下的最大外傳振動見表1。

表1 最大外傳振動 (×9.8 m·s-2)

5 結(jié)論

(1) 當(dāng)主動電磁軸承出現(xiàn)故障，較高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)墜落在外間隙輔助軸承上后，立即進(jìn)入擺動運(yùn)動、碰撞回轉(zhuǎn)運(yùn)動或摩擦回轉(zhuǎn)運(yùn)動等運(yùn)動狀態(tài)。究竟以何種方式運(yùn)動，取決于試驗(yàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輔助軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2) 進(jìn)入擺動運(yùn)動或碰撞回轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其軸心軌跡基本都處于間隙圓范圍內(nèi)，不會對主動電磁軸承造成嚴(yán)重后果，但進(jìn)入摩擦回轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其軸心軌跡都超出了間隙圓，極有可能撞擊主動電磁軸承使其受到損壞。

(3)在輔助軸承保持架或外圈涂抹潤滑脂(即改變軸承的阻尼)，均可有效降低外傳振動，但卻造成轉(zhuǎn)子振幅增大。

(4)主動電磁軸承出現(xiàn)故障后，采用外間隙輔助軸承支承的轉(zhuǎn)子基本處于不穩(wěn)定運(yùn)動狀態(tài)，甚至可能危及主動電磁軸承，因此不宜選取外間隙輔助軸承作為主動電磁軸承的輔助軸承。

由于條件限制，只對軸心軌跡和外傳振動進(jìn)行了測量，而未對沖擊載荷、輔助軸承轉(zhuǎn)動圈及保持架的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。因此，今后還需增加測量參數(shù)，分析更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出更合理的輔助軸承支承方式，為主動電磁軸承的安全運(yùn)用提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。