磁懸浮保護(hù)軸承表面鍍層試驗(yàn)研究

南建輝，張志華，閻昌春，吳俊成

（1.杭州人本軸承有限公司杭州 310022；2.杭州人本電機(jī)軸承有限公司杭州 310022）

磁懸浮保護(hù)軸承廣泛應(yīng)用于高速電機(jī)、飛輪儲(chǔ)能、離心壓縮機(jī)等利用磁懸浮技術(shù)的領(lǐng)域。保護(hù)軸承主要用于轉(zhuǎn)子失穩(wěn)跌落時(shí)支撐轉(zhuǎn)子，防止出現(xiàn)電磁機(jī)構(gòu)等損壞，同時(shí)也用于在系統(tǒng)停機(jī)后對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行支撐。其性能的好壞對(duì)主機(jī)的壽命、磨損、可靠性有較大的影響[1-5]。

由于磁懸浮保護(hù)軸承的特殊性，其工作特點(diǎn)如下：

（1）承受轉(zhuǎn)軸跌落時(shí)的沖擊力，大約是轉(zhuǎn)軸重力的20倍以上。

（2）要求軸承具有耐速差造成的滑動(dòng)摩擦發(fā)熱、沖擊重載的技術(shù)性能，還應(yīng)具有高可靠度。

（3）要求高轉(zhuǎn)速。

（4）要求高抗電蝕能力。常規(guī)軸承無(wú)法滿足保護(hù)軸承的工況要求，故需要對(duì)其表面進(jìn)行鍍層處理。

1 表面鍍層技術(shù)研究

為了提高保護(hù)軸承的耐腐蝕、防銹、耐高溫和耐電蝕等性能，套圈可采用表面鍍層處理，鋼球采用陶瓷球。目前表面鍍層有表面發(fā)黑、WCC、G薄膜涂層、純二硫化鉬涂層、二硫化鉬+鋁鈦+硫化銻混合涂層等表面涂層處理。涂層和陶瓷球在提高潤(rùn)滑、降低摩擦力和減少發(fā)熱溫升方面起到關(guān)鍵作用，是實(shí)現(xiàn)高速磁浮電機(jī)保護(hù)軸承耐高溫性能的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 表面鍍層技術(shù)確定

相對(duì)于保護(hù)軸承內(nèi)部滾動(dòng)摩擦發(fā)熱來(lái)說，高速轉(zhuǎn)子跌落沖擊軸承內(nèi)圈接觸面發(fā)生差速滑動(dòng)摩擦發(fā)熱要高得多。下面針對(duì)立式高速磁浮電機(jī)，分析計(jì)算發(fā)生瞬時(shí)沖擊接觸時(shí)接觸面的溫升情況。顯然，對(duì)于立式高速磁浮電機(jī)來(lái)說，瞬時(shí)沖擊發(fā)生在轉(zhuǎn)子軸肩和保護(hù)軸承內(nèi)圈端面接觸面上。為了簡(jiǎn)化理論分析計(jì)算，設(shè)定瞬時(shí)時(shí)間為0.01s，瞬時(shí)差速摩擦產(chǎn)生的熱量全部被厚度為0.3mm的內(nèi)圈端面吸熱層吸收，內(nèi)圈端面接觸面的平均直徑為70mm，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為20000 rpm，轉(zhuǎn)子重量為45kg。

差速滑動(dòng)摩擦瞬時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量：

Q=μ NΔχ

式中：

μ——差速滑動(dòng)摩擦系數(shù)

N——瞬時(shí)單擊接觸壓力

△x——瞬時(shí)滑動(dòng)位移

內(nèi)圈端面吸熱層的瞬時(shí)溫升：

ΔT=Q/(c·m)

式中：

△T——瞬時(shí)溫升

c——比熱

m——內(nèi)圈吸熱層的質(zhì)量

根據(jù)不同鍍層的性能特點(diǎn)及摩擦系數(shù)，計(jì)算摩擦熱，從而確定合適的鍍層。

1.2 表面鍍層選擇

根據(jù)保護(hù)軸承工作特點(diǎn)，考慮到實(shí)際工作中以滑動(dòng)摩擦為主，所以選擇復(fù)合二硫化鉬-1、復(fù)合二硫化鉬-2、WCC、發(fā)黑等四種鍍層進(jìn)行保護(hù)軸承的試驗(yàn)研究。鍍層信息如表1：

表1 不同鍍層的性能

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)條件

對(duì)采用不同鍍層的保護(hù)軸承在立式磁懸浮系統(tǒng)保護(hù)軸承性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行跌落壽命試驗(yàn)。上軸承采用61813、下軸承采用71913C/DF，試驗(yàn)轉(zhuǎn)子配重45kg，保護(hù)軸承面對(duì)面安裝；依次在轉(zhuǎn)速10000rpm、15000rpm、20000rpm的情況下進(jìn)行跌落，觀察試驗(yàn)后軸承的磨損情況。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同鍍層在試驗(yàn)后的溫升和磨損情況對(duì)比如表2。

表2 不同鍍層試驗(yàn)后的性能

3 結(jié)論

通過將不同鍍層的保護(hù)軸承在立式磁懸浮系統(tǒng)保護(hù)軸承性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：采用復(fù)合二硫化鉬-2鍍層的保護(hù)軸承由于降低了滑動(dòng)摩擦系數(shù)，內(nèi)圈端面吸熱表層的溫升比其它涂層的溫升低，而且未見明顯的磨損。

采用復(fù)合二硫化鉬-2鍍層的保護(hù)軸承已經(jīng)批量在客戶中使用，反映效果良好，未見失效情況。