帶有彈性減振器的磁懸浮轉子跌落的動力學分析

金超武，朱益利，徐龍祥

（南京航空航天大學機電學院，南京 210016）

0 引言

主動磁懸浮軸承與內置一體化起動機/發電機、分布式電子控制系統、電動燃油泵和電力作動器等新部件和系統是發動機的重要組成部分[1]。作為磁懸浮軸承不可或缺的組成部分保護軸承用于在磁懸浮軸承失效或承載能力不足時支撐轉子高速旋轉，并實現轉子安全停轉。在飛機起飛、機動飛行和著陸時，發動機轉子會給磁懸浮軸承帶來很大的瞬時沖擊載荷；或在發動機一旦發生葉片斷裂事故時，引發轉子不平衡，可能造成主軸軸承損壞。為保證飛機安全著陸，發動機必須具有繼續工作30 min以上的能力，這就要求保護軸承能在磁懸浮軸承失效后的一定時間內起到維持發動機轉子正常運轉的保護作用。多電發動機的保護軸承處在既沒有冷卻又沒有潤滑，且高速旋轉的使用環境中，因此，其設計十分困難。保護軸承通常選用滾動軸承，當磁懸浮軸承失效時，轉子跌落到保護軸承上，產生很大的振動與沖擊，可能使保護軸承損壞，造成發動機轉子抱軸停車。

為減小轉子跌落時所產生的振動與沖擊，本文設計出1種安裝在轉子上的彈性減振器結構，并采用動力學仿真軟件ADAMS對轉子-彈性減振器-保護軸承進行了動力學仿真和試驗驗證。

1 仿真分析

1.1 彈性減振器結構

彈性減振器選用彈性波形環結構，安裝在軸與孔間的空隙后，可承受一定的徑向和軸向載荷，其結構如圖1所示。彈性波形環采用不銹鋼、碳鋼、合金鋼等高質量彈簧鋼條經精密沖壓制成，其中，不銹鋼材質連續在250℃以下，或短時間內在300℃下工作時，其彈簧品質不會退化，具有抗熱和抗化學腐蝕的優點。波形環圓周上的波紋如同多個平衡彈簧，為環形配合零件提高穩定的壓緊力。在設計上，將彈性波形環安裝在2個機械零件之間，其應用表明非常成功。

1.2 仿真模型的建立

國內外許多學者對采用彈性減振器減小振動與沖擊技術進行了深入研究，通常是在滾動軸承的外圈與機座之間設計1套彈性支承來吸收轉子跌落造成的振動與沖擊[2-4]。該研究不足在于，當轉子高速跌落時，首先沖擊保護軸承的內圈，內圈再將沖擊能量通過滾動體與保護軸承的外圈傳遞給彈性減振器，而保護軸承極有可能在彈性減振器工作之前就已經受到了很大的振動與沖擊而損壞。

為了及時避免保護軸承受到振動與沖擊，在轉子上設計安裝了彈性減振器，如圖2所示。將彈性構件放置在套筒與轉子之間，其中套筒隨著轉子一起旋轉，同時在套筒與轉子之間設置了限位，即當轉子與套筒的相對位移超過限位間隙時，轉子與套筒將會產生剛性沖擊。

本文選用多體動力學仿真軟件MSC.ADAMS對轉子、彈性減振器和保護軸承進行動力學仿真[5-6]，主要分析內圈所承受的最大沖擊力隨彈性減振器剛度參數的變化趨勢，并對安裝和未安裝彈性減振器2種跌落情況進行對比分析。

磁懸浮軸承試驗臺如圖3所示。其中保護軸承A提供軸向的保護，下文分析主要承受徑向力的保護軸承B。

根據彈性減振器結構和試驗臺的相關參數建立轉子跌落的ADAMS仿真模型，如圖4所示。

1.3 仿真結果

內圈所受最大沖擊力Fm隨著彈性減振器剛度系數Ks的變化情況如圖5所示。從圖中可見，在剛度系數Ks=5×106～1.5×107N/m時，最大沖擊力明顯減小。

在安裝和未安裝彈性減振器時，轉子跌落軌跡對比如圖6所示。未安裝彈性減振器（圖6（a）），即彈性減振器剛度系數Ks為無窮大時（Ks=5×109N/m），轉子在保護軸承內圈的跌落軌跡顯示出彈跳幅值較大，甚至與間隙圓的上半圓相碰；在安裝了彈性減振器（圖 6（b））后，Ks=1.25×107N/m時轉子的跌落軌跡顯示出轉子很快就在底部來回振蕩，可以判斷出內圈所受的沖擊力明顯減小。

安裝和未安裝彈性減振器時內圈轉速頻率隨時間變化對比如圖7所示。未安裝彈性減振器（Ks=5×109N/m） 時，內圈在0.125 s就加速至轉子轉速；安裝彈性減振器（Ks=1.25×107N/m）后，內圈在0.18 s才加速至轉子轉速。保護軸承的內圈轉速主要是由轉子與內圈之間的摩擦力驅動，而摩擦力又與內圈所受的徑向力成正比。因此，安裝彈性減振器后，內圈所受的沖擊力明顯減小。

安裝和未安裝彈性減振器時內圈所受沖擊力對比如圖8所示。未安裝彈性減振器（Ks＝5×109N/m）時（圖8（a）），保護軸承內圈所受最大沖擊力為425 N；安裝彈性減振器（Ks＝1.25×104N/mm）時（圖 8（b）），內圈所受最大沖擊力為302 N，相對減小了29%。

2 試驗研究

在轉子上安裝的彈性減振器如圖9所示。其中彈性構件選用彈性波形環，Ks＝1.25×107N/m。在試驗過程中，主要測試了轉子的跌落軌跡和保護軸承內圈的轉速變化，分別由磁懸浮軸承試驗臺自帶的電渦流傳感器和光纖傳感器測取，試驗數據通過Labview采集處理。

轉子以200 Hz初始轉速跌落后，其跌落軌跡對比如圖10所示。從磁懸浮軸承失效后0.5 s內轉子的跌落軌跡可見，安裝彈性減振器后，轉子在內圈沖擊彈跳的幅值顯著減小。由此表明，安裝彈性減振器后明顯減小了內圈所受的沖擊力。

轉子以200 Hz初始轉速跌落后，內圈轉速隨時間變化的對比如圖11所示。從磁懸浮軸承失效后0.5 s內保護軸承內圈的轉速變化可以看出，安裝彈性減振器后，內圈轉速增至轉子轉速的時間得到延長，內圈相應的角加速度也相對減慢，因此，其內圈所受的切向摩擦力和法向沖擊力均在一定程度上減小。

通過以上試驗數據分析可知，在轉子以200 Hz的初始轉速跌落時，在磁懸浮軸承轉子上安裝彈性減振器可顯著減小保護軸承內圈所受的沖擊力。

3 結論

為了減少轉子跌落過程中對保護軸承的沖擊與振動，設計了1種將彈性減振器安裝在轉子上的結構。仿真和試驗結果均表明：該結構可顯著減小保護軸承內圈所受的沖擊力。但仿真結果與試驗數據還是存在一些差異，其主要原因是：

（1）轉子跌落在保護軸承上的過程是高度非線性的，影響其運動的因素很多，如轉子初始跌落位置、電磁場的磁滯等。

（2）仿真模型是理想模型，沒有考慮實際的裝配問題，如彈性減振器的同軸度等。

（3）仿真模型并沒有考慮轉子與保護軸承A的沖擊接觸對轉子與保護軸承B之間接觸的影響。

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