高温超导体磁悬浮轴承在低温液体泵中应用的可行性分析

　　1 引言

　　低温液体如液氧、液氮、液氢、液氦等在工业应用、科学研究中的应用日益广泛。如液氢、液氧在火箭发动机、航天飞机等空间运载系统输运,液氦在超导磁体迫流冷却,空分装置中液氧、液氮、液氩产品的输运,还有未来将广泛应用的高温超导电缆中超导体的冷却介质液氮的输运等等,都需要应用到低温液体泵。目前常用的低温液体泵有离心式、往复式等类型。但往复式泵的结构复杂、易损件多且可靠性差,密封较难,在长期连续运行中一般采用离心泵。当低温液体泵中的轴承等摩擦部件受到温度限制或是其他原因无法采用常规的油、脂润滑时,通常只能采用固体润滑。相应的轴承在恶劣环境下的工作寿命大为减少,特别是在高转速、重载荷的情况下。

　　高温超导体磁悬浮轴承(HTSMB)利用超导体的迈纳斯效应,将外界磁通排斥在体外产生悬浮力从而实现自稳定的悬浮,相比于常规机械轴承及电磁轴承,具有自稳定悬浮,无需外界控制环节,旋转速度高、损耗小,有一定热惯性而不至立即失效等优点[1, 2]。将高温超导体磁悬浮轴承用于低温泵,有利于实现长寿命、高转速等要求,而且高温超导磁悬浮轴承工作环境为低温,可以直接引入低温介质冷却超导体,无需再为超导体添加制冷设备。

　　2 低温液体泵用轴承

　　低温液体泵用轴承对材料的要求包括高强度、高硬度、高断裂韧性、抗应力腐蚀、尺寸稳定及与低温介质的相容性[3, 4]。目前泵用轴承主要是球轴承, 9Cr18钢是制作轴承套圈和滚动体料的较好材料,但随着轴承的转速的增加、载荷的加大,容易出现过度磨损和胶合等形式的失效。近年来以Si3N4陶瓷滚球与9Cr18套圈组成的混合式轴承由于更好的物理性能,改善了轴承高速旋转性能和摩擦性能匹配,减少了摩擦热量,一定程度上提高了轴承寿命和可靠性,因而在低温泵中的应用日益广泛。

　　对于温度相对较高的液体如空分液体产品输运所用泵的轴承一般采用润滑脂或润滑油润滑。对于间歇性工作的液体泵可以采用低温润滑脂润滑方式,而连续运行则采用压力油强迫润滑方式[5]。对于输运液体温度更低或者是轴承直接工作在低温液体的轴承,例如火箭发动机上液氢、液氧泵用轴承,这时只能使用固体润滑方式。低温液体泵用轴承采用固体润滑方式,摩擦表面润滑膜的生成主要有两种方式:一种是通过采用自润滑保持架,通过球与保持架的摩擦使润滑膜在摩擦面间转移;另一种是通过PVD方法在轴承球和套固滚道表面预涂一层固体润滑膜。在轴承启动初期保持架材料转移膜尚未形成时,采用PVD膜层来实现润滑,正常运转时主要依靠保持架材料的转移来进行润滑。当润滑膜破裂,就会造成干摩擦,使轴承温度急剧上升,使轴承失效。一般输运的低温液体的过冷度较小而且比热、汽化热不大,而轴承运转时局部温度可达几百摄氏度[3],容易在滚球表面形成一个蒸汽层,阻碍轴承散热,造成轴承烧伤。