磁懸浮保護軸承表面鍍層試驗研究

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.杭州人本電機軸承有限公司杭州 310022）

磁懸浮保護軸承廣泛應用于高速電機、飛輪儲能、離心壓縮機等利用磁懸浮技術的領域。保護軸承主要用于轉子失穩跌落時支撐轉子，防止出現電磁機構等損壞，同時也用于在系統停機后對轉子進行支撐。其性能的好壞對主機的壽命、磨損、可靠性有較大的影響[1-5]。

由于磁懸浮保護軸承的特殊性，其工作特點如下：

（1）承受轉軸跌落時的沖擊力，大約是轉軸重力的20倍以上。

（2）要求軸承具有耐速差造成的滑動摩擦發熱、沖擊重載的技術性能，還應具有高可靠度。

（3）要求高轉速。

（4）要求高抗電蝕能力。常規軸承無法滿足保護軸承的工況要求，故需要對其表面進行鍍層處理。

1 表面鍍層技術研究

為了提高保護軸承的耐腐蝕、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滑、降低摩擦力和減少發熱溫升方面起到關鍵作用，是實現高速磁浮電機保護軸承耐高溫性能的關鍵技術。

1.1 表面鍍層技術確定

相對于保護軸承內部滾動摩擦發熱來說，高速轉子跌落沖擊軸承內圈接觸面發生差速滑動摩擦發熱要高得多。下面針對立式高速磁浮電機，分析計算發生瞬時沖擊接觸時接觸面的溫升情況。顯然，對于立式高速磁浮電機來說，瞬時沖擊發生在轉子軸肩和保護軸承內圈端面接觸面上。為了簡化理論分析計算，設定瞬時時間為0.01s，瞬時差速摩擦產生的熱量全部被厚度為0.3mm的內圈端面吸熱層吸收，內圈端面接觸面的平均直徑為70mm，轉子的轉速為20000 rpm，轉子重量為45kg。

差速滑動摩擦瞬時摩擦產生的熱量：

Q=μ NΔχ

式中：

μ——差速滑動摩擦系數

N——瞬時單擊接觸壓力

△x——瞬時滑動位移

內圈端面吸熱層的瞬時溫升：

ΔT=Q/(c·m)

式中：

△T——瞬時溫升

c——比熱

m——內圈吸熱層的質量

根據不同鍍層的性能特點及摩擦系數，計算摩擦熱，從而確定合適的鍍層。

1.2 表面鍍層選擇

根據保護軸承工作特點，考慮到實際工作中以滑動摩擦為主，所以選擇復合二硫化鉬-1、復合二硫化鉬-2、WCC、發黑等四種鍍層進行保護軸承的試驗研究。鍍層信息如表1：

表1 不同鍍層的性能

2 試驗驗證

2.1 試驗條件

對采用不同鍍層的保護軸承在立式磁懸浮系統保護軸承性能試驗機上進行跌落壽命試驗。上軸承采用61813、下軸承采用71913C/DF，試驗轉子配重45kg，保護軸承面對面安裝；依次在轉速10000rpm、15000rpm、20000rpm的情況下進行跌落，觀察試驗后軸承的磨損情況。

2.2 試驗結果分析

不同鍍層在試驗后的溫升和磨損情況對比如表2。

表2 不同鍍層試驗后的性能

3 結論

通過將不同鍍層的保護軸承在立式磁懸浮系統保護軸承性能試驗機上進行對比試驗，試驗結果表明：采用復合二硫化鉬-2鍍層的保護軸承由于降低了滑動摩擦系數，內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。

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