自動消除保護軸承間隙的機構研究

《自動消除保護軸承間隙的機構研究》是依託南京航空航天大學，由金超武擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：自動消除保護軸承間隙的機構研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：金超武
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

保護軸承的作用是在磁懸浮軸承失效或過載條件下臨時支承高速旋轉的轉子，以保護設備不受損壞，由於保護軸承與轉子存在間隙，耐振動衝擊的能力不足，國內外經常發生保護軸承沒有起到保護作用而損壞設備的嚴重事故。本項目提出一套自動消除磁懸浮保護軸承間隙的機構，可顯著提高保護軸承壽命和抵抗振動衝擊的能力。重點研究這種自消除間隙機構的運動學、動力學和靜力學基本問題。主要包括：機構的剛度、阻尼係數與保護軸承的匹配設計理論；探索影響機構關閉與打開時間和減振能力的關鍵因素，使其具有高可靠、長壽命及較強吸收振動衝擊的能力；建立轉子跌落引起的動態回響、發熱與接觸應力的理論計算方法；對自消除間隙機構進行高速跌落的試驗研究；根據理論與試驗研究結果最佳化自消除間隙機構的設計，提出機構的設計與壽命評估準則。本項目的研究可減小磁懸浮軸承失效後轉子跌落給系統帶來的振動與衝擊，提高磁懸浮軸承的可靠性使其在工業套用中具有廣闊的前景。

結題摘要

磁懸浮軸承系統中必不可少組件之一的保護軸承，是磁懸浮軸承失效或過載後保護轉子與定子系統免受損壞的重要屏障。傳統保護軸承在轉子跌落後，轉子會產生劇烈振動，甚至產生渦動，巨大的碰撞力以及渦動離心力使得滾動軸承很容易損壞，本項目提出了一種可以在轉子跌落後自動消除磁懸浮保護軸承間隙的機構，並進行了一系列相關研究。首先對該機構的運動學進行研究，重點分析了機構中轉動副1與機構中心距離、轉動副1和2之間距離以及轉動副2的間隙大小對支座擺動角度大小的影響，和以支座能夠獲得最大擺角為依據提出了合理的結構布局，並進行了試驗驗證。研究結果表明：連桿位於轉動副1外側的機構相對於內側的機構，支座能獲得更大的擺動角度；在符合結構尺寸以及其他影響因素的條件下，可通過減小轉動副1到轉動副2的距離、轉動副1到機構中心的距離和適當增加轉動副2的間隙來達到支座消除間隙所需要的擺動角度大小。其次對該機構靜力學進行研究，重點分析了支座穩定支承滾動軸承外圈的條件—應儘量減小間隙消除時支座碰撞點處的法向力臂，並增大轉動副1的半徑；不同支座端面形狀對消除間隙的擺動角度和法向力臂大小的影響,並提出合理的支座端面形狀—相對於單段型支座，分段型支座能有效地緩解支座消除間隙時擺動角度大小與消除間隙後支承滾動軸承外圈穩定性之間的矛盾。 然後對轉子跌落到該機構上的動力學進行了研究，分別建立了磁懸浮軸承失效前、後轉子的動力學模型、磁懸浮軸承支承模型、滾動軸承受力模型、外圈—支座碰撞模型、單個支座振動模型以及支座擺動模型。仿真計算了不同參數對磁懸浮軸承失效後各部分動力學回響的影響，並在一個五自由度磁懸浮軸承試驗台上進行相關跌落試驗研究。得到了支座端面形狀、轉子跌落相位與跌落轉速、轉子不平衡量、滾動軸承潤滑係數、外圈與支座之間的摩擦係數、轉動副1的摩擦係數、支座的數量、自消除間隙保護軸承安裝角度等參數對轉子跌落後各部分動力學回響的影響，並得到了轉子跌落到該機構上的發熱規律和支承特性。本項目所研究的自動消除保護軸承間隙機構能夠在磁懸浮軸承系統失效後成功消除系統中的初始保護間隙，穩定支承轉子繼續旋轉。與傳統保護軸承相比，自動消除間隙保護軸承能夠有效減小轉子跌落時滾動軸承受到的最大碰撞力，相對減小率最高可達70%，並消除了轉子跌落後發生渦動的可能，改善了滾動軸承的工況，從一定程度上延長了保護軸承的壽命，提高了磁懸浮軸承的可靠性。