高铁轴承钢的技术质量特性识别及重点研制方向

从相关标准规范、主要故障模式及在用轴承技术状态等多个维度对高铁轴箱轴承用钢的技术性能要求进行了梳理,进而对其核心技术质量特性进行了识别,即“强韧性、抗疲劳、耐磨性”,并对自主化研制高铁轴承钢的技术路线及改进方向给出了建议。在现阶段,集成渗碳钢与“真空脱气+电渣重熔”冶炼方法的优势,是最具合理性与可行性的解决方案。

“磁力轴承”专题特约主编寄语

磁力轴承(Magnetic Bearing,MB)又称为磁悬浮轴承、磁轴承、电磁轴承,是依靠磁力将物体无机械接触悬浮在给定的位置,具有高速、节能、低噪、免维护、长寿命,以及轴承特性在线可控可调等优势,克服了传统机械轴承寿命短、需润滑、易磨损的缺陷,是实现我国“双碳”目标的重要技术支撑,对深化新旧动能转换,解决“卡脖子”问题,加快发展新质生产力具有重要意义。

磁悬浮轴承系统跌落转子-保护轴承的动态响应分析

保护轴承是磁悬浮轴承系统发生失稳、掉电等故障后保护系统的重要部件,其动态性能直接影响磁悬浮轴承系统的安全性和可靠性。通过有限元软件Abaqus和舍弗勒轴承动力学软件Caba3D建立了柔性转子和保护轴承的动力学模型,开展了从转子开始跌落到转子-保护轴承系统相对稳定状态的动态响应研究,分析了转子和保护轴承内圈转速、转子质心轨迹、转子与保护轴承内圈的碰撞力、球之间的碰撞力、球与内圈之间滑动速度随时间的变化过程。结果表明:在转子的驱动下,保护轴承内圈转速先以极高的加速度升高,当内圈转速与转子接近时,转子和内圈转速又以极低的减速度降低;当保护轴承内圈加速时,转子的质心轨迹紊乱,转子与内圈的碰撞力较大,并且内圈与球之间的滑动速度随着时间增加逐渐增加;当保护轴承内圈减速时,转子与内圈的碰撞力较小,并且内圈与球之间的滑动速度随着时间增加逐渐降低。

考虑轨道不平顺激励的轴箱轴承振动特性分析

轴箱轴承在运行工况下的振动特性对于保障行车安全具有重要意义。首先,基于Ansys与Simpack联合仿真平台,分别建立了轨道-车辆系统动力学模型和考虑外圈局部故障的轴承座-轴承有限元模型;其次,对动力学模型施加轨道不平顺激励,输出轴箱径向载荷作为有限元模型的外载荷;然后,将仿真值与理论值进行对比,证明了所建立的轴箱轴承联合仿真模型的有效性;最后,基于此模型分析了轨道不平顺激励时不同宽度故障以及不同故障边缘对轴承振动特性的影响。结果表明:随着故障宽度的增加,轴箱轴承整体振动加速度RMS逐渐变大,故障冲击的幅值以及包络谱的特征能量值先增大后减小;随着故障边缘平缓程度的增加,轴箱轴承整体振动加速度RMS值、故障冲击的幅值以及包络谱的特征能量值逐渐降低;轨道不平顺激励增加了轴承的振动。

基于智能滚子的轴承接触载荷测量方法

针对三排圆柱滚子轴承接触载荷难以测量的问题,在有限元仿真和谐波分析的基础上提出了接触载荷连续测量方法并设计了用于测量轴承接触载荷的智能滚子。以某型号盾构机主轴承为例,首先根据接触载荷连续测量方法设计了相应的载荷传感器以及智能滚子,然后通过虚拟组桥仿真分析了接触载荷连续测量方法消除滚子自转角度对载荷测量影响的能力,最后通过标定试验获取载荷传感器输出与接触载荷间的线性关系进而实现接触载荷测量。结果表明:智能滚子内孔壁上的环向应变是关于滚子自转角度的具有谐波性的函数;设计的载荷传感器可以较好地消除滚子自转对载荷测量的影响,能够实现轴承接触载荷的连续测量。

考虑空化作用的液氢润滑人字形螺旋槽止推轴承动态特性数值研究

轴承内部的动压效应和高速旋转引起的温升会导致润滑介质产生空化,影响轴承的承载性能;转子轴向受力不平衡将导致止推轴承的间隙高度出现周期性变化,影响轴承的运行稳定性。为消除空化和轴承间隙变化对其性能的影响,使用商业软件FLUENT 2020R1,应用铺层动网格方法和修正后的Zwart-Gerber-Belamri空化模型,针对在正弦振动间隙高度和润滑剂空化共同作用下液氢润滑的高速人字形螺旋槽止推轴承(HSGTB)的动态特性开展数值研究。结果表明:HSGTB的承载力、摩擦力矩、温度平均值随间隙高度振幅的增大而增大,随平衡间隙高度的增大而减小;当间隙高度振幅大于35μm时,HSGTB的摩擦转矩数值明显上升,当平衡间隙高度等于35μm时,HSGTB的承载力最小,因此实际运行中应该避开这些工况。

异形外圈圆柱滚子轴承径向游隙测量装置设计

针对异形外圈圆柱滚子轴承在高精度、定量载荷条件下的径向游隙测量问题,基于静、动态相结合的测量原理完成了异形外圈圆柱滚子轴承径向游隙测量装置设计。介绍了整机结构以及具体操作步骤,并根据异形外圈圆柱滚子轴承特殊的外圈结构以及自重大引起摩擦力较大的问题采取了加载、测量位置可调整机构以及导轨替代滑动摩擦的设计;对形变误差、径向跳动误差和其他误差进行了分析,各部分误差相对较小。

风电机组主轴轴承在机清洗工艺

主轴轴承传统运维采取定时、定量补脂的方式优化轴承润滑环境,传统运维不能将板结润滑脂或异物排出,当主轴轴承高速运行时,板结润滑脂或异物将使轴承出现高温或振动报警,长时间运行还会引起轴承卡滞、滚子破裂,严重时会发生机组自燃事故。为实现高效、可靠的运维,提出了一种在机清洗工艺,采取在机浸泡清洗和循环清洗对轴承内部润滑脂溶解、过滤排出,检查后注入新润滑脂,从而实现运行状态评估和环境优化。工程应用表明,该工艺可以优化主轴轴承运行环境,做到保养评估,有助于延长风机使用寿命。

考虑风载特征的风电机组主轴承载荷谱编制方法

针对风电机组主轴承载荷波动大且随机性强,传统雨流外推法得到的载荷谱精度不能保证的问题,提出了一种考虑风载特征的风电机组主轴承载荷谱编制方法,采用小波包分解及长短期记忆网络进行考虑风载特征的载荷外推。与雨流外推法得到的载荷谱以及载荷趋势进行对比发现,在雨流外推法得到的幅值极大值范围内,2种方法结果基本一致,且该方法可以考虑风载特征,可更好地实现载荷外推,优化载荷谱的编制。

基于相似理论的风电机组主轴轴承结构参数对其应力的影响分析

针对大型风电机组主轴轴承的试验及可靠性评估周期长,成本高等问题,基于相似理论,以3种不同安装尺寸的双列调心滚子轴承为研究对象,基于仿真软件建立轴承有限元模型,在确保轴承安全的条件下分析了滚子数量、滚子长度以及轴承宽度对内、外圈和滚子最大应力以及承载滚子数的影响,并通过正交试验分析确定参数的敏感性,结果表明:最大应力在滚子上,内、外圈应力次之,对应力的影响程度由大到小依次为滚子长度、轴承宽度、滚子数量。保证轴承内径不变,适当改进滚子长度、轴承宽度、滚子数量,可有效提高轴承承载能力。

无轴承电动机神经网络逆系统解耦控制关键技术发展

无轴承电动机利用一套新的悬浮力绕组产生悬浮力,使无轴承电动机成为一种多变量、强耦合的非线性系统,如何实现转速与径向位移以及径向位移之间的动态解耦控制是无轴承电动机稳定运行的关键要素之一。神经网络逆系统具有以任意精度逼近非线性函数的能力,可以有效实现无轴承电动机的解耦控制。阐述了无轴承电动机悬浮力产生的原理以及神经网络逆系统解耦原理,从纯神经网络逆系统、神经网络逆系统结合智能控制器等方面分析了国内外无轴承电动机神经网络逆系统解耦控制策略的研究现状,归纳了无轴承电动机在使用神经网络逆系统进行解耦控制时的共同和不足之处,总结了无轴承电动机神经网络逆系统解耦控制的一般设计方法,并对神经网络优化、在线训练、抗干扰能力等关键技术发展趋势进行了展望。

精密轴系低温动态摩擦力矩波动分析及优化策略

精密轴系作为机械设备旋转支承核心,其动态摩擦力矩及平稳性直接影响整机功耗及运转精度,尤其在低温环境下,由于温度对润滑油黏度、零件尺寸和配合关系的影响,精密轴系更易出现动态摩擦力矩异常波动。针对某精密轴系低温环境下批次性动态摩擦力矩异常波动现象进行了主因素分析,通过ADAMS平台建立仿真模型,分析了引导间隙、兜孔间隙对保持架动态特性的影响。结合拆解数据,指出兜孔间隙不合理引发的兜孔磨损是造成精密轴系动态摩擦力矩异常波动的原因,通过数理统计对保持架参数进行优化,兜孔间隙与引导间隙之比为0.70~0.85时,该精密轴系低温下运转稳定。

射流冲击强化改性研磨对Cronidur30轴承钢耐摩擦腐蚀性能的影响

采用第四代射流冲击强化研磨机对Cronidur30轴承钢板进行不同加工时间的射流冲击强化改性研磨处理,在3.5%NaCl溶液中利用往复式摩擦磨损试验机对该钢板试样进行摩擦腐蚀试验;通过显微硬度计测量加工后试样截面的显微硬度;利用金相显微镜测量强化层厚度和观察磨痕的表面形貌。研究表明:射流冲击强化改性研磨处理后Cronidur30轴承钢板的表面粗糙度和显微硬度增大,晶粒细化,表面出现组织均匀的致密强化层;加工时间越长,钢板表面的显微硬度越高,表面强化层越厚;在相同的载荷条件下,射流冲击强化改性研磨加工时间越长,试样摩擦系数和磨损量越小,耐摩擦腐蚀性能越高。

磁力轴承——过去、现在和未来

磁力轴承是集电磁学、转子动力学、传感技术、控制工程等学科知识为一体的典型机电一体化产品,在高速、洁净、低功耗、低振动等应用场景具有机械轴承无法比拟的优势,但同样存在诸多技术难点。基于磁力轴承的发展历程,重点对磁力轴承的类型、工作原理、控制算法、控制硬件进行了综述和分析;介绍了磁力轴承功率放大器技术、控制技术、监测技术,以及设计、制造、系统集成等方面的关键技术;对磁力轴承目前在高速电动机、透平机械、人工心脏、储能飞轮、磁悬浮推进器、磁悬浮高速电主轴等方面的应用情况进行了梳理;提出了磁力轴承承载力、精度及可靠性、跌落保护、环境适应性、标准化、成本等面临的问题,并预测了磁力轴承的未来发展趋势。

聚脲润滑脂稠化剂对球轴承疲劳寿命的影响

采用光干涉法、动态击穿电压测试对3种聚脲润滑脂样品润滑膜厚进行了表征,同时测试了3种样品的轴承疲劳寿命和温升特性,对比研究了聚脲润滑脂稠化剂对润滑状态的影响,结果表明:聚脲润滑脂稠化剂在摩擦副表面吸附形成垫层,阻碍了润滑脂乏油润滑引起的润滑膜厚持续减小;聚脲润滑脂稠化剂的类型、含量对表面起源型剥落的轴承疲劳寿命有显著影响,合理的稠化剂配方可显著延长轴承疲劳寿命,这可能与聚脲润滑脂稠化剂的回流特性相关。

轮毂轴承单元摩擦力矩计算及动力学联合分析软件

为缩短轮毂轴承单元摩擦力矩及动力学分析计算时间,提高轮毂轴承单元设计开发效率,以第三代轮毂轴承单元为研究对象,采用MATLAB GUI软件平台开发了轮毂轴承单元摩擦力矩及动力学联合分析软件,可对轮毂轴承单元滚动摩擦力矩、滑动摩擦力矩、密封件摩擦力矩、因拖曳损失导致的摩擦力矩进行计算,还开发了与ADAMS软件的二次接口,能进一步对轮毂轴承单元的运转过程进行动力学分析,计算结果可在软件界面中直接输出。某轮毂轴承单元的启动摩擦力矩和运转摩擦力矩的试验结果表明,软件计算值与测量值误差较小,可满足工程应用需求;通过动力学分析优化设计的轮毂轴承单元通过了耐久性试验验证。

考虑轴向卸载的风电机组固定端轴承承载特性

针对内蒙古某风电场1.5 MW风电机组固定端轴承滚动体和滚道剥落及主轴系后窜等故障现象,以健康状态的风电机组为研究对象,基于赫兹接触理论,通过设计参数联合实测修正办法确定轴承的关键参数值,建立了考虑轴向卸载的风电机组主轴系动力学数值模型,分析固定端轴承故障机理及不同轴向卸载工况下固定端轴承的承载特性,探究轴向卸载策略以确保固定端轴承处于合理的承载状态。结果表明:未进行轴向卸载的风电机组存在主轴系后窜故障,对于健康状态的主轴系,当轴向卸载力为140~180 kN时,固定端轴承双列滚动体的接触力分布合理,可有效改善主轴系后窜故障。

风电轴承润滑脂的研究进展

风电轴承的过早失效降低了风机的可靠性,增加了维护运营成本,而轴承性能的优化和可靠性的提高要求润滑脂在各种工况下均能提供理想的润滑性能。总结了风电机组主轴、变桨、偏航和发电机系统中轴承的失效形式,并阐述了润滑脂针对微剥落、微动磨损和电蚀问题的研究进展;对目前风电轴承润滑脂的配方研制和现场试验情况进行了分析总结,其润滑脂普遍采用合成基础油和多种功能添加剂复配协同才能满足润滑要求,现场试验结果表明国产润滑脂性能与在用进口润滑脂相当;润滑脂的组成对风电轴承磨损的影响机制有待进一步深入研究,且应当加快建设自主风电轴承模拟试验台架,为润滑脂的选择提供依据。

石墨烯纳米颗粒参数对角接触球轴承油气润滑特性的影响

为探究高速旋转状态下油气负载石墨烯润滑特性,以B7003C轴承为研究对象,通过有限元软件建立其三相润滑流场的数值模型,考虑石墨烯纳米颗粒参数对润滑的影响,观察润滑油和石墨烯纳米颗粒在轴承腔内的分布和变化,结果表明:轴承腔内石墨烯润滑油的体积随时间延长而增大,一段时间后润滑油总体积与分布状态在轴承腔内随时间脉动循环;石墨烯质量分数增加改变了基础油的润湿性,增大了相同工况下轴承腔内油的含量,进而改善了轴承润滑状态;石墨烯纳米颗粒在轴承腔内的运动轨迹和分布与其粒径尺寸有关,小粒径石墨烯扩散速度更快,主要参与钢球与内沟道润滑,更易从轴承腔入油口一侧溢出;大粒径石墨烯主要参与钢球与外沟道润滑,更易从油气入口侧进入轴承腔内参与润滑。

基于有限元的风电机组双列调心滚子轴承变精度建模方法

为提高风电机组主轴双列调心滚子轴承接触应力的计算精度,以某2 MW陆上风电机组主轴双列调心滚子轴承为研究对象,提出一种基于有限元的轴承变精度建模方法,通过建立低精度的轴承模型得到其接触应力分布,再根据最大接触应力位置建立关键区域的高精度子模型,实现最大接触应力的精确计算。通过对位移、接触应力的收敛性验证得到最佳子模型宽度和网格数量,并通过虚拟阻尼法的收敛性、子模型精度、最大接触应力以及径向游隙对内、外圈最大接触应力的影响验证了模型的正确性。