李子麟　時振剛　鐵曉艷　楊國軍　任文亮　姚佳康　王玉明　王子羲

摘要：國家重點研發(fā)計劃《高速精密懸浮軸承》對保護軸承跌落承載能力的要求是：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不小于3000 kg，跌落轉(zhuǎn)速不小于3000 r/min，抗跌落次數(shù)不小于10?；诖碎_展了對保護軸承設計研發(fā)及跌落失效機理的研究。提出了兩種適用于跌落工況的陶瓷球混合保護軸承方案：滿裝球無保持架方案和非滿裝球帶保持架方案。搭建了包含動力學、熱學在內(nèi)的轉(zhuǎn)子跌落仿真模型，對不同方案跌落過程的受力和發(fā)熱過程進行了仿真。將保護軸承安裝到試驗臺架中進行測試，驗證了仿真模型的有效性。在測試中發(fā)現(xiàn)無保持架保護軸承發(fā)生嚴重失效。對失效軸承的損傷情況進行觀察和檢測，發(fā)現(xiàn)由于滾動體間摩擦因數(shù)大，滾動體發(fā)生卡死現(xiàn)象，使?jié)L動體與滾道、內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子間發(fā)生持續(xù)干摩擦，造成內(nèi)圈嚴重燒傷與磨損。

關鍵詞：磁懸浮軸承；保護軸承；轉(zhuǎn)子跌落；軸承損傷；失效機理

中圖分類號：TH133.3

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.001

Failure Mechanism on Touchdown Bearings of Heavy Maglev Rotor Drop

LI Zilin SHI Zhengang TIE Xiaoyan YANG Guojun REN Wenliang YAO Jiakang

WANG Yuming WANG Zixi

Abstract： For the national key R&D program “high-speed precision suspension bearing”， the requirements for the drop capacity of TDBs were： rotor mass ≥3000 kg， drop speed ≥3000 r/min， and successful drops ≥10 times. Based on this， the research and development of TDBs drop failure mechanism were carried out. Two hybrid TDBs with ceramic balls suitable for drop conditions were proposed： full complement ball without cage scheme and non-full complement ball with cage scheme. A rotor drop simulation model was built including dynamics and thermal. The force and heating processes of the drop processes were simulated. The effectiveness of the simulation model was verified by mounting the TDBs in the test bench for experiments. TDBs without cage are found to have failed severely. The damages of the failed bearing are detected， and it is observed that due to the large friction coefficient between the rolling elements， the rolling elements are seized up， resulting in continuous dry friction between the rolling elements and the raceways， and between the inner ring and the rotor， and serious burns and wear of the inner rings.

Key words： active magnetic bearing; touchdown bearing（TDB）; rotor drop; bearing damage; failure mechanism

0 引言

主動磁懸浮軸承（active magnetic bearing，AMB）是通過受控磁場力將轉(zhuǎn)子和軸承分開、實現(xiàn)無機械接觸的新型高性能軸承，具有無磨損、無需潤滑等特點，廣泛應用于高速、真空、超凈等特殊環(huán)境中的轉(zhuǎn)子支撐［1-3］。保護軸承（touchdown bearing，TDB）是磁懸浮軸承的關鍵部件之一，當磁懸浮轉(zhuǎn)子發(fā)生跌落故障時，保護軸承用來限制轉(zhuǎn)子沿徑向和軸向上的最大位移，避免磁懸浮軸承主要部件損壞［4］。跌落時轉(zhuǎn)子無法獲得穩(wěn)定支撐，其響應實際上是一個包含沖擊、碰摩和發(fā)熱的非線性動力學問題。早期ISHII等［5］就針對轉(zhuǎn)子跌落過程建立了Jeffcott轉(zhuǎn)子和保護軸承的解析模型，研究了非線性接觸對對軸承瞬態(tài)振動的影響。王東雄等［6］研究了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)定點碰摩過程的法向沖擊力，發(fā)現(xiàn)沖擊力大小取決于初始沖擊速度。轉(zhuǎn)子-保護軸承系統(tǒng)跌落模型經(jīng)過三十多年的發(fā)展和完善，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對柔性轉(zhuǎn)子［7］、非線性接觸［8］和摩擦發(fā)熱［9］等因素進行瞬態(tài)的計算和仿真，對試驗結(jié)果預測的準確度不斷提高。

一些試驗發(fā)現(xiàn)，在受到轉(zhuǎn)子的劇烈沖擊和碰摩情況下，保護軸承本身也成為了一個易損件［10-11］。近年來，保護軸承的失效問題以及如何避免保護軸承失效成為該領域的關注點之一。國際標準ISO 14839中將轉(zhuǎn)子跌落至保護軸承的動態(tài)響應軌跡區(qū)分為彈跳、鐘擺振動、反向渦動和正向渦動［12］。渦動運動會引起轉(zhuǎn)子在保護軸承間隙范圍內(nèi)發(fā)生全周摩擦，造成轉(zhuǎn)子與保護軸承的接觸力和摩擦力大幅增大，一般認為轉(zhuǎn)子進入渦動是造成系統(tǒng)失效損壞的主要因素［13］。大量理論和試驗研究發(fā)現(xiàn)，跌落初始狀態(tài)如轉(zhuǎn)子不平衡［14］、表面摩擦因數(shù)［15］、材料配副［16］和裝配誤差［17］等因素均會對跌落的動力學響應造成顯著影響，直接或間接地導致轉(zhuǎn)子進入渦動狀態(tài)。在一些特定的高速工況下，轉(zhuǎn)子跌落后進入渦動似乎無法避免，因此近年來也有很多研究專注于減輕轉(zhuǎn)子跌落下的動態(tài)響應。JARROUX等［18］在保護軸承外安裝波紋帶阻尼器以減小轉(zhuǎn)子的瞬時沖擊力。YU等［19-20］設計了多種能夠在跌落時消除保護軸承間隙的方案，讓轉(zhuǎn)子能夠獲得穩(wěn)定支撐。朱益利等［21］將雙層保護軸承應用于高速重載下的轉(zhuǎn)子跌落，可降低保護軸承的工作轉(zhuǎn)速。LYU等［22］提出了一種在線軌跡識別的方法，以幫助磁軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的重新懸浮。

目前的研究對保護軸承可靠性的認知相對模糊，對保護軸承失效機理的認知僅停留在轉(zhuǎn)子的渦動響應上，但轉(zhuǎn)子進入渦動后并非一定造成保護軸承的失效。事實上在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下立式轉(zhuǎn)子跌落后總會進入正向渦動狀態(tài)，失效很罕見［23］。清華大學10 MW高溫氣冷堆中的氦風機采用的磁懸浮軸承方案將轉(zhuǎn)子立式布置，對保護軸承的可靠性要求非常高［24］。本文從保護軸承的設計、仿真、試驗和檢測等方面出發(fā)，評估跌落過程保護軸承的受力和發(fā)熱狀況，并將不同保護軸承設計方案進行跌落測試，檢測軸承的失效情況，研究保護軸承的失效機理。

1 保護軸承設計方案

重型磁懸浮轉(zhuǎn)子跌落試驗臺見圖1。有文獻報道過使用無保持架的保護軸承方案，其主要優(yōu)勢在于可以裝下更多的滾動體。本文設計保護軸承時，采用了不帶保持架滿裝球與傳統(tǒng)帶保持架的兩種方案，兩種方案示意圖見圖2，主要差異見表1。

考慮到保護軸承使用工況不含油潤滑系統(tǒng)，跌落時可能伴隨明顯的升溫，因此采用混合陶瓷球滾動軸承的設計方案。軸承內(nèi)外圈采用GCr15軸承鋼材料，滾動體采用Si3N4陶瓷球，并且由于保護軸承需要同時承受軸向與徑向載荷，選擇接觸角為25°的面對面安裝角接觸球軸承，軸承的型號為71938AC，其主要設計參數(shù)見表2。使用液壓軸承試驗機對保護軸承的軸向剛度進行測試，測試結(jié)果見圖3。無保持架保護軸承裝入了更多滾動體，故其剛度得到了有效提升。

2 轉(zhuǎn)子跌落模型的建立

2.1 動力學模型

磁懸浮轉(zhuǎn)子跌落系統(tǒng)（圖4）由轉(zhuǎn)子、主動磁懸浮軸承（2組徑向，1組軸向）以及2組保護軸承系統(tǒng)組成。上保護軸承承受轉(zhuǎn)子軸向和徑向載荷，下保護軸承僅承受轉(zhuǎn)子徑向載荷。轉(zhuǎn)子質(zhì)量為3120 kg，轉(zhuǎn)子與保護軸承的軸向與徑向間隙均為0.3 mm。

磁懸浮轉(zhuǎn)子失效時，考慮上保護軸承的動力學行為，與轉(zhuǎn)子間的接觸分為軸向和徑向的接觸力和摩擦力。軸向上保護軸承會給轉(zhuǎn)子提供軸向重力的支撐，并且在轉(zhuǎn)動不同步時存在徑向的摩擦力矩。徑向上轉(zhuǎn)子會在保護軸承的間隙內(nèi)不斷發(fā)生碰摩，產(chǎn)生徑向接觸力和切向摩擦力。轉(zhuǎn)子的動力學方程建模方法［25］可以表示為

2.3 軸承內(nèi)部模型

在軸承內(nèi)部，每個滾動體都有兩個自由度，分別是沿著滾道的圓周運動和自身的旋轉(zhuǎn)運動，保持架有一個自由度，其接觸模型如圖6所示［27］。其中，下標i表示內(nèi)圈，o表示外圈，b表示滾動體，c表示保持架，j表示第j個滾動體。在模型中假設滾動體與內(nèi)外圈間沒有間隙，則內(nèi)外圈對每個滾動體的受力可以通過赫茲接觸模型進行求解，其摩擦以滾動摩擦為主。對于無保持架軸承，每個滾動體需要考慮來自前后兩個方向的滾動體接觸和滑動摩擦，而帶保持架軸承的滾動體僅受來自保持架一個方向的推動和摩擦。

2.4 生熱模型

在轉(zhuǎn)子跌落過程中，熱源主要來自各個接觸面的黏性摩擦扭矩和接觸載荷摩擦扭矩。PALMGREN推導了滾動軸承內(nèi)部的摩擦扭矩，HARRIS等［28］進一步推導了滾動體相對于內(nèi)圈和外圈的自旋力矩。通過動力學模型求解的受力結(jié)果計算跌落總摩擦生熱量為

式中，Hb為保護軸承內(nèi)的摩擦生熱；Hr為轉(zhuǎn)子與軸承徑向接觸面摩擦生熱；Ha為轉(zhuǎn)子與上保護軸承軸向端面摩擦生熱；角標j表示各個滾動體。

考慮系統(tǒng)熱量的傳遞以熱傳導和熱對流為主，建立一維熱傳遞網(wǎng)絡模型（圖7）［29］。各溫度節(jié)點間的熱傳遞用一階微分方程表示為

mcpΔT=ΔQ

式中，m為質(zhì)量；cp為質(zhì)量熱容；ΔT為兩個溫度節(jié)點之間的溫度差；Q為每個部分的熱通量。

3 跌落仿真結(jié)果

對前文建立的轉(zhuǎn)子-保護軸承系統(tǒng)的模型進行數(shù)值仿真計算，分別對無保持架和帶保持架的保護軸承進行跌落仿真。將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設定為3000 r/min，假設t=0時轉(zhuǎn)子失去電磁力支撐，開始以設定轉(zhuǎn)速自由跌落。仿真結(jié)果見圖8、圖9，包括轉(zhuǎn)子軸向和徑向的軌跡、接觸力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，以及保護軸承各部位的溫升情況。

結(jié)果顯示兩種方案有著類似的跌落動態(tài)響應。轉(zhuǎn)子跌落最初會經(jīng)歷幾次軸向彈跳和徑向碰撞，然后在軸向獲得穩(wěn)定的支撐，徑向上也會進入穩(wěn)定的渦動狀態(tài)。跌落后保護軸承內(nèi)圈會在不斷接觸中加速到與轉(zhuǎn)子相等的速度，而轉(zhuǎn)子首先會因為內(nèi)圈加速不足、摩擦力與轉(zhuǎn)子運行方向相反而驅(qū)動轉(zhuǎn)子進入反向渦動狀態(tài)，渦動轉(zhuǎn)速為負值。之后內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子受徑向摩擦力方向與運行方向相同，便會驅(qū)動轉(zhuǎn)子逐漸進入正向渦動并與轉(zhuǎn)子等速，并一直保持同步減速直至停機。從受力圖中可以看到，最大接觸力都發(fā)生在最初尚未進入穩(wěn)定狀態(tài)的碰撞之中，在跌落0.4 s以后，系統(tǒng)就會進入穩(wěn)定的正向渦動狀態(tài)。溫度也會在跌落最初的幾秒內(nèi)不斷升高，其中發(fā)熱最明顯的是滾動體，達到平衡后隨著降速的過程溫度也逐漸回落。

盡管從定性的角度來看，兩種工況的結(jié)果類似，但在受力和發(fā)熱方面兩者有明顯差異，結(jié)果對比見表3。兩種方案不同的滾動體數(shù)引起的剛度差異，從整體接觸力水平來看，無保持架保護軸承方案略大于帶保持架的方案。值得注意的是，由于滾動體之間的相互摩擦大于滾動體對保持架的摩擦，導致無保持架保護軸承滾動體的發(fā)熱功率顯著提高，使其最高溫度達到249 ℃，而帶保持架的滾動體溫升僅有89.4 ℃。兩者的溫升均超過了滾動軸承正常使用過程中允許的溫度范圍，這也是本保護軸承方案需要使用陶瓷球的原因。

4 跌落試驗結(jié)果

將所設計的保護軸承方案安裝至圖1所示的試驗臺后進行跌落試驗，試驗參數(shù)和流程與仿真中的設定一致。首先在靜止狀態(tài)下啟動磁軸承使轉(zhuǎn)子靜態(tài)懸浮，啟動電機將轉(zhuǎn)子加速至跌落設定轉(zhuǎn)速3000 r/min，然后同時關閉磁軸承和電機，使轉(zhuǎn)子自由跌落，記錄跌落過程中的轉(zhuǎn)子軸向、徑向軌跡和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果如圖10所示。模型的仿真結(jié)果可以有效地與試驗記錄結(jié)果相對應：跌落初期轉(zhuǎn)子在保護軸承間隙范圍內(nèi)不斷彈跳，軸向與徑向軌跡混沌復雜，然后逐漸進入穩(wěn)定的正向渦動狀態(tài)，轉(zhuǎn)子軸心沿著保護軸承間隙做圓周運動，直至減速停機。

無保持架與帶保持架的保護軸承方案均進行了一組跌落試驗，其中帶保持架的保護軸承實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子的無故障跌落，而無保持架保護軸承則在跌落過程中發(fā)生了失效。在跌落的第64 s，保護軸承出現(xiàn)噪聲明顯增大的情況，軌跡圖中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了進一步下落，轉(zhuǎn)子的推力盤與軸向磁軸承發(fā)生碰撞接觸，并一直持續(xù)到轉(zhuǎn)子減速停機。試驗結(jié)束后將保護軸承拆卸，從外觀看轉(zhuǎn)子、軸套和保護軸承表面均有明顯的燒傷痕跡，說明保護軸承系統(tǒng)發(fā)生了過熱情況，因此對保護軸承進行檢測失效分析。

5 保護軸承失效分析

由于試驗中出現(xiàn)了保護軸承失效的情況，故將兩組試驗中上端保護軸承（既承受軸向載荷也承受徑向載荷，一對保護軸承又由上下兩個71938角接觸球軸承組成）委托國家軸承質(zhì)量檢驗檢測中心進行檢驗分析，檢測內(nèi)容主要包括宏觀和微觀表面形貌、表面硬度、金相組織，所使用的儀器主要有ZOOM645S 體視顯微鏡，ROCKWELL-574 洛氏硬度計，T-R-51 圓度儀，Observer.A/m 金相顯微鏡和JSM6380LV 掃描電鏡?？紤]到在無保持架保護軸承失效時觀察到了明顯的高溫燒傷現(xiàn)象，從保護軸承內(nèi)沖擊磨損、轉(zhuǎn)子與保護軸承接觸磨損和軸承發(fā)熱引起的硬度變化三個方面對保護軸承失效過程進行分析。

5.1 保護軸承內(nèi)沖擊及磨損情況

將保護軸承拆卸觀察可以發(fā)現(xiàn)，圖11中的無保持架軸承滾道內(nèi)發(fā)生了嚴重的黏著磨損，磨痕寬度達到11.3～12.1 mm，均勻整周分布于內(nèi)外圈滾道。說明跌落時滾動體間的摩擦阻力導致滾動體卡死，在滾道上發(fā)生滑動摩擦而非滾動摩擦，由于陶瓷球材料硬度大于滾道，故在滾道表面形成嚴重的犁溝。

圖12中，傳統(tǒng)帶保持架方案的保護軸承滾道則沒有明顯磨損，僅存在寬度6.7 mm的運行痕跡。此外滾道表面偶見沖擊坑和剝落區(qū)，可見跌落初的軸向和徑向沖擊與加速過程，會使?jié)L道發(fā)生塑性變形以及滾動體輕微打滑現(xiàn)象，這些都會使保護軸承產(chǎn)生不可逆的損傷。

圖13中，對陶瓷球進行觀測，表面同樣觀察到寬度不一的磨損帶，同一軸承不同滾動體之間在跌落時的表現(xiàn)差異較大。無保持架軸承滾動體磨損帶最寬4.1 mm，且表面存在剝落現(xiàn)象，滾動體圓度最大達到2.57 μm。帶保持架軸承滾動體僅觀察到多條寬度約0.2 mm的磨損痕跡，滾動體圓度最大為0.33 μm。

5.2 轉(zhuǎn)子與保護軸承接觸面磨損情況

無保持架保護軸承跌落時出現(xiàn)了滾動體卡住的現(xiàn)象，使?jié)L動體與滾道、內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子間均出現(xiàn)了嚴重的磨損（圖14）。圖14中出現(xiàn)了嚴重的燒傷現(xiàn)象，內(nèi)圈表面出現(xiàn)了較寬的藍色氧化層，說明跌落時內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子接觸面的溫度超過了500 ℃。該溫度下內(nèi)圈發(fā)生回火，會完全改變內(nèi)圈的金相組織和力學性能，因此跌落運行一段時間后保護軸承失效，轉(zhuǎn)子進一步下落使推力盤與定子發(fā)生接觸碰撞。此外在圖14a中，在燒傷區(qū)之外觀察到了嚴重磨損。

作為對比，帶保持架保護軸承接觸表面則沒有出現(xiàn)整面的磨損或燒傷痕跡，僅有數(shù)道窄劃痕（圖15）。證明在正常跌落工況下，僅在跌落初期轉(zhuǎn)子與內(nèi)圈速度差較大，表面存在干摩擦下的擦傷磨損。在穩(wěn)定后內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，它們之間將不存在滑動摩擦。

5.3 軸承發(fā)熱情況

無保持架保護軸承方案在跌落時保護軸承發(fā)生了嚴重的燒傷現(xiàn)象，為了明確跌落時的發(fā)熱源以及高溫時如何導致保護軸承失效的，對上下保護軸承套圈的剖切面分別進行了硬度梯度測量，參照國家標準GB/T 34891［30］，套圈表面硬度取59～64 HRC，結(jié)果見圖16～圖19。

圖16中，上保護軸承外圈整體硬度分布均勻，滾道表面硬度與其心部硬度實測值吻合度高，說明未產(chǎn)生超過材料限度的高溫。圖17內(nèi)圈梯度曲線中的硬度先降低后升高，最大和最小硬度出現(xiàn)在軸向接觸表面和表面下層，從金相組織圖中觀察到沿梯度曲線方向存在較大差異，存在二次淬火及高溫回火組織。硬度在內(nèi)圈軸向上呈現(xiàn)明顯的上低下高的規(guī)律，沿徑向硬度變化不大。說明跌落時上保護軸承的發(fā)熱源主要集中在軸向接觸面，由于保護軸承內(nèi)圈運轉(zhuǎn)阻力大，故在軸向面上轉(zhuǎn)子與內(nèi)圈產(chǎn)生了劇烈的摩擦磨損和高溫。

圖18所示下保護軸承外圈硬度梯度在滾道處出現(xiàn)了大幅下降，并且圖19中的內(nèi)圈滾道出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。內(nèi)外圈滾道的硬度最低為45 HRC，而在內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子的接觸面上，硬度最低為52 HRC。觀察內(nèi)圈滾道剖切面可以觀察到表面的扇形燒傷區(qū)域，并且在磨損區(qū)域能觀察到由表面向內(nèi)延伸的裂紋，內(nèi)部顯微組織存在燒傷現(xiàn)象，說明下保護軸承的主要發(fā)熱源為滾動體與內(nèi)外圈滾道的接觸面。

將無保持架保護軸承的磨損與燒傷分析結(jié)果總結(jié)為圖20。磨損主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子與內(nèi)圈的接觸面和軸承內(nèi)的各個滾道處，主要磨損形式為黏著磨損。陶瓷球滾動體表面也觀察到磨痕和剝落。摩擦磨損的過程同時伴隨著發(fā)熱現(xiàn)象，發(fā)熱最嚴重的位置是上保護軸承軸向與轉(zhuǎn)子的接觸面，以及下保護軸承內(nèi)外圈滾道。根據(jù)觀察初步判斷跌落時最高溫度超過了500 ℃，內(nèi)外圈金相組織產(chǎn)生二次淬火及高溫回火組織，降低了材料性能，進一步加劇了磨損。而未失效的帶保持架保護軸承則沒有出現(xiàn)劇烈磨損和高溫，但滾道上觀察到因跌落沖擊導致的沖擊坑和表面剝落。

6 機理解釋與優(yōu)化

根據(jù)對試驗后保護軸承的分析可以總結(jié)出磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子跌落過程的保護軸承失效機理：跌落初期保護軸承會受到數(shù)次沖擊，使?jié)L道出現(xiàn)沖擊坑和打滑蹭傷，轉(zhuǎn)子與內(nèi)圈接觸面會產(chǎn)生干摩擦磨損；無保持架情況下，陶瓷球滾動體之間由于摩擦因數(shù)大，受到很大的滾動阻力，故滾動體出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，與滾道發(fā)生滑動摩擦，形成嚴重摩擦磨損和發(fā)熱；同時由于內(nèi)圈無法充分加速到與轉(zhuǎn)子同步，在內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子的軸向接觸面上也會產(chǎn)生滑動摩擦和磨損；這個過程在跌落期間持續(xù)發(fā)生，造成熱量積累引起內(nèi)外圈金相發(fā)生改變，材料硬度大幅下降，保護軸承不再能夠支撐全部轉(zhuǎn)子質(zhì)量，造成轉(zhuǎn)子進一步下降，使軸向磁軸承推力盤與定子發(fā)生接觸。

帶保持架保護軸承在收到跌落初的沖擊后，內(nèi)圈會得到充分加速，此時保護軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會進入相對穩(wěn)定狀態(tài)，只有較為輕微的滑動摩擦，該過程下保護軸承不會失效。但沖擊造成保護軸承不可逆的塑性變形和表面剝落會對保護軸承的運行造成一定影響，盡管不會直接造成失效，但仍降低了保護軸承的使用壽命，實際發(fā)生跌落后需要對保護軸承的性能進行進一步評估。

盡管在模型仿真里對保護軸承的發(fā)熱情況進行了評估，也準確預測了帶保持架保護軸承的跌落過程，但仍未預料到無保持架保護軸承的跌落失效。這是由于在材料溫度過高時引起的硬度、剛度和摩擦因數(shù)等性能變化時超出模型計算范圍。因此，基于試驗和模型對重型轉(zhuǎn)子跌落保護軸承的設計提出以下優(yōu)化建議和方案：①摩擦因數(shù)是最直接影響保護軸承發(fā)熱的因素，降低材料表面摩擦因數(shù)將是提高保護軸承可靠性的有效措施之一；②跌落時最高溫度出現(xiàn)在滾動體，陶瓷球能在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定性能，并且受沖擊時不會出現(xiàn)碎裂情況，是合適的替代材料；③不安裝保持架對保護軸承的剛度提高作用很小，同時沖擊帶來的滾動體相互滑蹭造成卡死的風險則非常高，在保護軸承中不是一個更好的方案，更適合用于平穩(wěn)運行的工況。

7 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)子跌落后進入正向渦動狀態(tài)，會造成保護軸承持續(xù)地受到徑向接觸力作用并發(fā)熱溫升，兩種保護軸承的主要差異在于軸承內(nèi)的發(fā)熱。最高溫度均出現(xiàn)在陶瓷球滾動體，無保持架軸承陶瓷球間的高摩擦因數(shù)使其最高溫度為249 ℃，而帶保持架軸承最高溫度僅為89.4 ℃。

（2）無保持架保護軸承在跌落時出現(xiàn)了失效情況，在轉(zhuǎn)子減速過程中無法繼續(xù)支撐，導致轉(zhuǎn)子進一步下落并與定子發(fā)生接觸碰摩。帶保持架保護軸承則未發(fā)生失效。試驗后現(xiàn)場拆機初步觀察中發(fā)現(xiàn)，保護軸承內(nèi)圈發(fā)生嚴重燒傷和磨損，陶瓷球保持完好沒有發(fā)生碎裂現(xiàn)象。

（3）在保護軸承受到?jīng)_擊碰撞時，由于滾動體間摩擦因數(shù)大，滾動體發(fā)生卡死現(xiàn)象，使?jié)L動體與滾道、內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子間發(fā)生嚴重摩擦磨損和發(fā)熱。滾道的磨損主要為黏著磨損，滾動體表面也觀察到磨痕和剝落。持續(xù)的發(fā)熱使?jié)L道金相組織產(chǎn)生二次淬火及高溫回火組織，材料性能和硬度大幅下降，導致保護軸承失效，轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生接觸。

（4）不安裝保持架是一個相對冒險的方案，剛度改善較弱的同時提高了軸承內(nèi)摩擦，而摩擦因數(shù)是最直接影響保護軸承發(fā)熱的因素，無保持架情況下甚至導致了滾動體卡死。此外，陶瓷球在跌落沖擊下未發(fā)現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，因此帶保持架的陶瓷球混合軸承是本研究中更合適的保護軸承方案。

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（編輯 陳 勇）

作者簡介：

李子麟，男，1996年生，博士研究生。研究方向為磁懸浮軸承、保護軸承。

王子羲（通信作者），男，1973年生，副研究員。研究方向為磁懸浮軸承技術(shù)、磁力傳動技術(shù)和密封技術(shù)等。E-mail：zxwang@tsinghua.edu.cn。

收稿日期：2022-09-29

基金項目：國家重點研究發(fā)展計劃（2018YFB2000102）