重型磁懸浮轉(zhuǎn)子跌落保護(hù)軸承失效機(jī)理

李子麟　時(shí)振剛　鐵曉艷　楊國(guó)軍　任文亮　姚佳康　王玉明　王子羲

摘要：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《高速精密懸浮軸承》對(duì)保護(hù)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。基于此開(kāi)展了對(duì)保護(hù)軸承設(shè)計(jì)研發(fā)及跌落失效機(jī)理的研究。提出了兩種適用于跌落工況的陶瓷球混合保護(hù)軸承方案：滿裝球無(wú)保持架方案和非滿裝球帶保持架方案。搭建了包含動(dòng)力學(xué)、熱學(xué)在內(nèi)的轉(zhuǎn)子跌落仿真模型，對(duì)不同方案跌落過(guò)程的受力和發(fā)熱過(guò)程進(jìn)行了仿真。將保護(hù)軸承安裝到試驗(yàn)臺(tái)架中進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)無(wú)保持架保護(hù)軸承發(fā)生嚴(yán)重失效。對(duì)失效軸承的損傷情況進(jìn)行觀察和檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)由于滾動(dòng)體間摩擦因數(shù)大，滾動(dòng)體發(fā)生卡死現(xiàn)象，使?jié)L動(dòng)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(yán)重?zé)齻c磨損。

關(guān)鍵詞：磁懸浮軸承；保護(hù)軸承；轉(zhuǎn)子跌落；軸承損傷；失效機(jī)理

中圖分類(lèi)號(hào)：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(dòng)磁懸浮軸承（active magnetic bearing，AMB）是通過(guò)受控磁場(chǎng)力將轉(zhuǎn)子和軸承分開(kāi)、實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械接觸的新型高性能軸承，具有無(wú)磨損、無(wú)需潤(rùn)滑等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(hù)軸承（touchdown bearing，TDB）是磁懸浮軸承的關(guān)鍵部件之一，當(dāng)磁懸浮轉(zhuǎn)子發(fā)生跌落故障時(shí)，保護(hù)軸承用來(lái)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(shí)轉(zhuǎn)子無(wú)法獲得穩(wěn)定支撐，其響應(yīng)實(shí)際上是一個(gè)包含沖擊、碰摩和發(fā)熱的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。早期ISHII等［5］就針對(duì)轉(zhuǎn)子跌落過(guò)程建立了Jeffcott轉(zhuǎn)子和保護(hù)軸承的解析模型，研究了非線性接觸對(duì)對(duì)軸承瞬態(tài)振動(dòng)的影響。王東雄等［6］研究了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)定點(diǎn)碰摩過(guò)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(hù)軸承系統(tǒng)跌落模型經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展和完善，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)柔性轉(zhuǎn)子［7］、非線性接觸［8］和摩擦發(fā)熱［9］等因素進(jìn)行瞬態(tài)的計(jì)算和仿真，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度不斷提高。

一些試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在受到轉(zhuǎn)子的劇烈沖擊和碰摩情況下，保護(hù)軸承本身也成為了一個(gè)易損件［10-11］。近年來(lái)，保護(hù)軸承的失效問(wèn)題以及如何避免保護(hù)軸承失效成為該領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)之一。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14839中將轉(zhuǎn)子跌落至保護(hù)軸承的動(dòng)態(tài)響應(yīng)軌跡區(qū)分為彈跳、鐘擺振動(dòng)、反向渦動(dòng)和正向渦動(dòng)［12］。渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起轉(zhuǎn)子在保護(hù)軸承間隙范圍內(nèi)發(fā)生全周摩擦，造成轉(zhuǎn)子與保護(hù)軸承的接觸力和摩擦力大幅增大，一般認(rèn)為轉(zhuǎn)子進(jìn)入渦動(dòng)是造成系統(tǒng)失效損壞的主要因素［13］。大量理論和試驗(yàn)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(huì)對(duì)跌落的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)造成顯著影響，直接或間接地導(dǎo)致轉(zhuǎn)子進(jìn)入渦動(dòng)狀態(tài)。在一些特定的高速工況下，轉(zhuǎn)子跌落后進(jìn)入渦動(dòng)似乎無(wú)法避免，因此近年來(lái)也有很多研究專(zhuān)注于減輕轉(zhuǎn)子跌落下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。JARROUX等［18］在保護(hù)軸承外安裝波紋帶阻尼器以減小轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)沖擊力。YU等［19-20］設(shè)計(jì)了多種能夠在跌落時(shí)消除保護(hù)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(hù)軸承應(yīng)用于高速重載下的轉(zhuǎn)子跌落，可降低保護(hù)軸承的工作轉(zhuǎn)速。LYU等［22］提出了一種在線軌跡識(shí)別的方法，以幫助磁軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的重新懸浮。

目前的研究對(duì)保護(hù)軸承可靠性的認(rèn)知相對(duì)模糊，對(duì)保護(hù)軸承失效機(jī)理的認(rèn)知僅停留在轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)響應(yīng)上，但轉(zhuǎn)子進(jìn)入渦動(dòng)后并非一定造成保護(hù)軸承的失效。事實(shí)上在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下立式轉(zhuǎn)子跌落后總會(huì)進(jìn)入正向渦動(dòng)狀態(tài)，失效很罕見(jiàn)［23］。清華大學(xué)10 MW高溫氣冷堆中的氦風(fēng)機(jī)采用的磁懸浮軸承方案將轉(zhuǎn)子立式布置，對(duì)保護(hù)軸承的可靠性要求非常高［24］。本文從保護(hù)軸承的設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)和檢測(cè)等方面出發(fā)，評(píng)估跌落過(guò)程保護(hù)軸承的受力和發(fā)熱狀況，并將不同保護(hù)軸承設(shè)計(jì)方案進(jìn)行跌落測(cè)試，檢測(cè)軸承的失效情況，研究保護(hù)軸承的失效機(jī)理。

1 保護(hù)軸承設(shè)計(jì)方案

重型磁懸浮轉(zhuǎn)子跌落試驗(yàn)臺(tái)見(jiàn)圖1。有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)使用無(wú)保持架的保護(hù)軸承方案，其主要優(yōu)勢(shì)在于可以裝下更多的滾動(dòng)體。本文設(shè)計(jì)保護(hù)軸承時(shí)，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(jiàn)圖2，主要差異見(jiàn)表1。

考慮到保護(hù)軸承使用工況不含油潤(rùn)滑系統(tǒng)，跌落時(shí)可能伴隨明顯的升溫，因此采用混合陶瓷球滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)方案。軸承內(nèi)外圈采用GCr15軸承鋼材料，滾動(dòng)體采用Si3N4陶瓷球，并且由于保護(hù)軸承需要同時(shí)承受軸向與徑向載荷，選擇接觸角為25°的面對(duì)面安裝角接觸球軸承，軸承的型號(hào)為71938AC，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。使用液壓軸承試驗(yàn)機(jī)對(duì)保護(hù)軸承的軸向剛度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。無(wú)保持架保護(hù)軸承裝入了更多滾動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型

磁懸浮轉(zhuǎn)子跌落系統(tǒng)（圖4）由轉(zhuǎn)子、主動(dòng)磁懸浮軸承（2組徑向，1組軸向）以及2組保護(hù)軸承系統(tǒng)組成。上保護(hù)軸承承受轉(zhuǎn)子軸向和徑向載荷，下保護(hù)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(hù)軸承的軸向與徑向間隙均為0.3 mm。

磁懸浮轉(zhuǎn)子失效時(shí)，考慮上保護(hù)軸承的動(dòng)力學(xué)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(hù)軸承會(huì)給轉(zhuǎn)子提供軸向重力的支撐，并且在轉(zhuǎn)動(dòng)不同步時(shí)存在徑向的摩擦力矩。徑向上轉(zhuǎn)子會(huì)在保護(hù)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(dòng)力學(xué)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(gè)滾動(dòng)體都有兩個(gè)自由度，分別是沿著滾道的圓周運(yùn)動(dòng)和自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保持架有一個(gè)自由度，其接觸模型如圖6所示［27］。其中，下標(biāo)i表示內(nèi)圈，o表示外圈，b表示滾動(dòng)體，c表示保持架，j表示第j個(gè)滾動(dòng)體。在模型中假設(shè)滾動(dòng)體與內(nèi)外圈間沒(méi)有間隙，則內(nèi)外圈對(duì)每個(gè)滾動(dòng)體的受力可以通過(guò)赫茲接觸模型進(jìn)行求解，其摩擦以滾動(dòng)摩擦為主。對(duì)于無(wú)保持架軸承，每個(gè)滾動(dòng)體需要考慮來(lái)自前后兩個(gè)方向的滾動(dòng)體接觸和滑動(dòng)摩擦，而帶保持架軸承的滾動(dòng)體僅受來(lái)自保持架一個(gè)方向的推動(dòng)和摩擦。

2.4 生熱模型

在轉(zhuǎn)子跌落過(guò)程中，熱源主要來(lái)自各個(gè)接觸面的黏性摩擦扭矩和接觸載荷摩擦扭矩。PALMGREN推導(dǎo)了滾動(dòng)軸承內(nèi)部的摩擦扭矩，HARRIS等［28］進(jìn)一步推導(dǎo)了滾動(dòng)體相對(duì)于內(nèi)圈和外圈的自旋力矩。通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型求解的受力結(jié)果計(jì)算跌落總摩擦生熱量為

式中，Hb為保護(hù)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(hù)軸承軸向端面摩擦生熱；角標(biāo)j表示各個(gè)滾動(dòng)體。

考慮系統(tǒng)熱量的傳遞以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流為主，建立一維熱傳遞網(wǎng)絡(luò)模型（圖7）［29］。各溫度節(jié)點(diǎn)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(gè)溫度節(jié)點(diǎn)之間的溫度差；Q為每個(gè)部分的熱通量。

3 跌落仿真結(jié)果

對(duì)前文建立的轉(zhuǎn)子-保護(hù)軸承系統(tǒng)的模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分別對(duì)無(wú)保持架和帶保持架的保護(hù)軸承進(jìn)行跌落仿真。將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)定為3000 r/min，假設(shè)t=0時(shí)轉(zhuǎn)子失去電磁力支撐，開(kāi)始以設(shè)定轉(zhuǎn)速自由跌落。仿真結(jié)果見(jiàn)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(hù)軸承各部位的溫升情況。

結(jié)果顯示兩種方案有著類(lèi)似的跌落動(dòng)態(tài)響應(yīng)。轉(zhuǎn)子跌落最初會(huì)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(huì)進(jìn)入穩(wěn)定的渦動(dòng)狀態(tài)。跌落后保護(hù)軸承內(nèi)圈會(huì)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(huì)因?yàn)閮?nèi)圈加速不足、摩擦力與轉(zhuǎn)子運(yùn)行方向相反而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)入反向渦動(dòng)狀態(tài)，渦動(dòng)轉(zhuǎn)速為負(fù)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(yùn)行方向相同，便會(huì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子逐漸進(jìn)入正向渦動(dòng)并與轉(zhuǎn)子等速，并一直保持同步減速直至停機(jī)。從受力圖中可以看到，最大接觸力都發(fā)生在最初尚未進(jìn)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(huì)進(jìn)入穩(wěn)定的正向渦動(dòng)狀態(tài)。溫度也會(huì)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(dòng)體，達(dá)到平衡后隨著降速的過(guò)程溫度也逐漸回落。

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

4 跌落試驗(yàn)結(jié)果

將所設(shè)計(jì)的保護(hù)軸承方案安裝至圖1所示的試驗(yàn)臺(tái)后進(jìn)行跌落試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)和流程與仿真中的設(shè)定一致。首先在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)磁軸承使轉(zhuǎn)子靜態(tài)懸浮，啟動(dòng)電機(jī)將轉(zhuǎn)子加速至跌落設(shè)定轉(zhuǎn)速3000 r/min，然后同時(shí)關(guān)閉磁軸承和電機(jī)，使轉(zhuǎn)子自由跌落，記錄跌落過(guò)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(yàn)記錄結(jié)果相對(duì)應(yīng)：跌落初期轉(zhuǎn)子在保護(hù)軸承間隙范圍內(nèi)不斷彈跳，軸向與徑向軌跡混沌復(fù)雜，然后逐漸進(jìn)入穩(wěn)定的正向渦動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)子軸心沿著保護(hù)軸承間隙做圓周運(yùn)動(dòng)，直至減速停機(jī)。

無(wú)保持架與帶保持架的保護(hù)軸承方案均進(jìn)行了一組跌落試驗(yàn)，其中帶保持架的保護(hù)軸承實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子的無(wú)故障跌落，而無(wú)保持架保護(hù)軸承則在跌落過(guò)程中發(fā)生了失效。在跌落的第64 s，保護(hù)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(jìn)一步下落，轉(zhuǎn)子的推力盤(pán)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(jī)。試驗(yàn)結(jié)束后將保護(hù)軸承拆卸，從外觀看轉(zhuǎn)子、軸套和保護(hù)軸承表面均有明顯的燒傷痕跡，說(shuō)明保護(hù)軸承系統(tǒng)發(fā)生了過(guò)熱情況，因此對(duì)保護(hù)軸承進(jìn)行檢測(cè)失效分析。

5 保護(hù)軸承失效分析

由于試驗(yàn)中出現(xiàn)了保護(hù)軸承失效的情況，故將兩組試驗(yàn)中上端保護(hù)軸承（既承受軸向載荷也承受徑向載荷，一對(duì)保護(hù)軸承又由上下兩個(gè)71938角接觸球軸承組成）委托國(guó)家軸承質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心進(jìn)行檢驗(yàn)分析，檢測(cè)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(jì)，T-R-51 圓度儀，Observer.A/m 金相顯微鏡和JSM6380LV 掃描電鏡。考慮到在無(wú)保持架保護(hù)軸承失效時(shí)觀察到了明顯的高溫?zé)齻F(xiàn)象，從保護(hù)軸承內(nèi)沖擊磨損、轉(zhuǎn)子與保護(hù)軸承接觸磨損和軸承發(fā)熱引起的硬度變化三個(gè)方面對(duì)保護(hù)軸承失效過(guò)程進(jìn)行分析。

5.1 保護(hù)軸承內(nèi)沖擊及磨損情況

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

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

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

5.2 轉(zhuǎn)子與保護(hù)軸承接觸面磨損情況

無(wú)保持架保護(hù)軸承跌落時(shí)出現(xiàn)了滾動(dòng)體卡住的現(xiàn)象，使?jié)L動(dòng)體與滾道、內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子間均出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損（圖14）。圖14中出現(xiàn)了嚴(yán)重的燒傷現(xiàn)象，內(nèi)圈表面出現(xiàn)了較寬的藍(lán)色氧化層，說(shuō)明跌落時(shí)內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子接觸面的溫度超過(guò)了500 ℃。該溫度下內(nèi)圈發(fā)生回火，會(huì)完全改變內(nèi)圈的金相組織和力學(xué)性能，因此跌落運(yùn)行一段時(shí)間后保護(hù)軸承失效，轉(zhuǎn)子進(jìn)一步下落使推力盤(pán)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(yán)重磨損。

作為對(duì)比，帶保持架保護(hù)軸承接觸表面則沒(méi)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(dòng)，它們之間將不存在滑動(dòng)摩擦。

5.3 軸承發(fā)熱情況

無(wú)保持架保護(hù)軸承方案在跌落時(shí)保護(hù)軸承發(fā)生了嚴(yán)重的燒傷現(xiàn)象，為了明確跌落時(shí)的發(fā)熱源以及高溫時(shí)如何導(dǎo)致保護(hù)軸承失效的，對(duì)上下保護(hù)軸承套圈的剖切面分別進(jìn)行了硬度梯度測(cè)量，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34891［30］，套圈表面硬度取59～64 HRC，結(jié)果見(jiàn)圖16～圖19。

圖16中，上保護(hù)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(shí)測(cè)值吻合度高，說(shuō)明未產(chǎn)生超過(guò)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(shuō)明跌落時(shí)上保護(hù)軸承的發(fā)熱源主要集中在軸向接觸面，由于保護(hù)軸承內(nèi)圈運(yùn)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(hù)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(shuō)明下保護(hù)軸承的主要發(fā)熱源為滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道的接觸面。

將無(wú)保持架保護(hù)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(gè)滾道處，主要磨損形式為黏著磨損。陶瓷球滾動(dòng)體表面也觀察到磨痕和剝落。摩擦磨損的過(guò)程同時(shí)伴隨著發(fā)熱現(xiàn)象，發(fā)熱最嚴(yán)重的位置是上保護(hù)軸承軸向與轉(zhuǎn)子的接觸面，以及下保護(hù)軸承內(nèi)外圈滾道。根據(jù)觀察初步判斷跌落時(shí)最高溫度超過(guò)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(jìn)一步加劇了磨損。而未失效的帶保持架保護(hù)軸承則沒(méi)有出現(xiàn)劇烈磨損和高溫，但滾道上觀察到因跌落沖擊導(dǎo)致的沖擊坑和表面剝落。

6 機(jī)理解釋與優(yōu)化

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)后保護(hù)軸承的分析可以總結(jié)出磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子跌落過(guò)程的保護(hù)軸承失效機(jī)理：跌落初期保護(hù)軸承會(huì)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(huì)產(chǎn)生干摩擦磨損；無(wú)保持架情況下，陶瓷球滾動(dòng)體之間由于摩擦因數(shù)大，受到很大的滾動(dòng)阻力，故滾動(dòng)體出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，與滾道發(fā)生滑動(dòng)摩擦，形成嚴(yán)重摩擦磨損和發(fā)熱；同時(shí)由于內(nèi)圈無(wú)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(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦和磨損；這個(gè)過(guò)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(hù)軸承不再能夠支撐全部轉(zhuǎn)子質(zhì)量，造成轉(zhuǎn)子進(jìn)一步下降，使軸向磁軸承推力盤(pán)與定子發(fā)生接觸。

帶保持架保護(hù)軸承在收到跌落初的沖擊后，內(nèi)圈會(huì)得到充分加速，此時(shí)保護(hù)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，只有較為輕微的滑動(dòng)摩擦，該過(guò)程下保護(hù)軸承不會(huì)失效。但沖擊造成保護(hù)軸承不可逆的塑性變形和表面剝落會(huì)對(duì)保護(hù)軸承的運(yùn)行造成一定影響，盡管不會(huì)直接造成失效，但仍降低了保護(hù)軸承的使用壽命，實(shí)際發(fā)生跌落后需要對(duì)保護(hù)軸承的性能進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。

盡管在模型仿真里對(duì)保護(hù)軸承的發(fā)熱情況進(jìn)行了評(píng)估，也準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了帶保持架保護(hù)軸承的跌落過(guò)程，但仍未預(yù)料到無(wú)保持架保護(hù)軸承的跌落失效。這是由于在材料溫度過(guò)高時(shí)引起的硬度、剛度和摩擦因數(shù)等性能變化時(shí)超出模型計(jì)算范圍。因此，基于試驗(yàn)和模型對(duì)重型轉(zhuǎn)子跌落保護(hù)軸承的設(shè)計(jì)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(hù)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(hù)軸承可靠性的有效措施之一；②跌落時(shí)最高溫度出現(xiàn)在滾動(dòng)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(shí)不會(huì)出現(xiàn)碎裂情況，是合適的替代材料；③不安裝保持架對(duì)保護(hù)軸承的剛度提高作用很小，同時(shí)沖擊帶來(lái)的滾動(dòng)體相互滑蹭造成卡死的風(fēng)險(xiǎn)則非常高，在保護(hù)軸承中不是一個(gè)更好的方案，更適合用于平穩(wěn)運(yùn)行的工況。

7 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)子跌落后進(jìn)入正向渦動(dòng)狀態(tài)，會(huì)造成保護(hù)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(hù)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(dòng)體，無(wú)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(wú)保持架保護(hù)軸承在跌落時(shí)出現(xiàn)了失效情況，在轉(zhuǎn)子減速過(guò)程中無(wú)法繼續(xù)支撐，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子進(jìn)一步下落并與定子發(fā)生接觸碰摩。帶保持架保護(hù)軸承則未發(fā)生失效。試驗(yàn)后現(xiàn)場(chǎng)拆機(jī)初步觀察中發(fā)現(xiàn)，保護(hù)軸承內(nèi)圈發(fā)生嚴(yán)重?zé)齻湍p，陶瓷球保持完好沒(méi)有發(fā)生碎裂現(xiàn)象。

（3）在保護(hù)軸承受到?jīng)_擊碰撞時(shí)，由于滾動(dòng)體間摩擦因數(shù)大，滾動(dòng)體發(fā)生卡死現(xiàn)象，使?jié)L動(dòng)體與滾道、內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子間發(fā)生嚴(yán)重摩擦磨損和發(fā)熱。滾道的磨損主要為黏著磨損，滾動(dòng)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(dǎo)致保護(hù)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(gè)相對(duì)冒險(xiǎn)的方案，剛度改善較弱的同時(shí)提高了軸承內(nèi)摩擦，而摩擦因數(shù)是最直接影響保護(hù)軸承發(fā)熱的因素，無(wú)保持架情況下甚至導(dǎo)致了滾動(dòng)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(hù)軸承方案。

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（編輯 陳 勇）

作者簡(jiǎn)介：

李子麟，男，1996年生，博士研究生。研究方向?yàn)榇艖腋≥S承、保護(hù)軸承。

王子羲（通信作者），男，1973年生，副研究員。研究方向?yàn)榇艖腋≥S承技術(shù)、磁力傳動(dòng)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(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（2018YFB2000102）