用于废水处理的高速轴承技术
介绍
高速轴承技术适用于运行速度远高于60Hz、3600RPM的多级铸造风机。高速涡轮增压(HST)单位通常是单级(尽管一些利用多个核心)和从15,000到50,000RPM旋转。在如此高的速度下，标准滚子轴承无法提供行业标准L10轴承寿命。两种类型的轴承技术已经开始主导这类机器的废水处理市场:翼型和磁悬浮。通常这两种技术是等同的，然而，在许多重要方面它们并不是等同的。本文探讨了翼型和磁轴承的历史、基本操作和结构。讨论了污水曝气工业中各种工艺的优缺点。
斯宾塞涡轮公司的AryJet®高速涡轮鼓风机采用磁轴承技术。
简史技术
1.翼型轴承
翼型轴承最初取代的滚动元件和轴颈轴承，高速空气循环机，燃气轮机动力飞机环境控制系统的核心。manbetx客户端12-5下载其他常见应用包括出血空气涡轮压缩机和涡轮扩张器。这些应用通常具有轻度负载和恒定速度。下面的图像显示了自1960年由Garrett AileSearch（现已盟友）引入1960年以来的翼型轴承的演变。（图1A）。霍尼韦尔，汉密尔顿标准，机械科技公司（MTI），ABG-SEMCA，Sunstrand，英国航空公司，Tupolev等众多公司都改善了基本设计。目前的研究努力集中在增加阻尼和负载能力，先进的抗摩擦箔涂层，简化的制造技术，以及休克负荷下的稳定性提高。
图1-机翼轴承技术的发展。（一）由加勒特AiResearch开发MULTIPAD箔片轴承的概念;汉密尔顿标准开发的（b）中反相多层薄膜滑动轴承的概念;由R＆d动力公司研制的（c）中反相MULTIPAD箔滑动轴承概念 |
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2.磁轴承
图2 -典型磁轴承的定子 |
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被动磁悬浮包括专利系统可以追溯到一个多世纪以前。然而，无源系统本质上是不稳定的。今天，使用电磁铁、复杂控制器和算法的主动系统几乎完全被使用。主动磁轴承的首次研究开始于20世纪30年代，用于超离心机，有助于分子生物学、生物化学、聚合物科学等方面的研究。今天，在石油和天然气工业、海底应用、冷水机组、高精度仪器仪表、真空储能等领域，磁轴承是一项经过时间考验的技术。下图显示了一个典型的磁轴承定子。早期的研究是在弗吉尼亚大学完成的，1988年引入了磁轴承到涡轮机械行业。磁轴承公司进行了进一步的开发，NOVA Gas Transmission有限公司对其进行了改进。NOVA后来创建了一个独立的磁性轴承公司-旋转技术公司(现在是瑞典SKF的一部分)。目前的研究工作集中在改进仿真技术，增加稳定性，甚至减少对反馈系统的依赖(如Halbach磁轴承)。
操作原理
1.翼型
翼型轴承的工作原理类似于油衬套或轴颈轴承，但工作介质为空气。启动前，轴和轴承之间存在少量预载。此外，在水平轴定向的机器中，由于重力，轴靠在轴承上。因此，当轴静止时，一些箔片与轴直接接触。当轴在提升前开始相对于箔旋转时，这种接触会产生摩擦。
由于轴和轴承之间产生的流体动力压力，旋转组件将轴承卸下。在任何流体系统(空气、水、油)中，流体直接在固体边界表面的速度始终为零，即使流体在更大的范围内流动。因此，流体流动的速度随着距离固体边界的距离而以一定的速率增加。这个速度差意味着流体受到了某种剪切作用。翼型轴承利用这种小型剪切产生动水压力和悬浮轴。悬浮后，轴在2000至5000转/分左右变得无接触。下面的图像显示了一个油润滑的轴颈轴承运行的相同的原则，机翼轴承。
到缓慢转动期间减轻滑动时的摩擦的负面影响在启动时（例如，发热和磨损）固体润滑被施加到表面上。常见类型的用作支承表面的润滑剂涂层是聚四氟乙烯-S和Korolon（氧化铬）。一些军事应用程序使用NASA开发的聚酰亚胺涂层。其它涂层包括氧化铝，氮化钛，碳化钛和各种氮化硼的混合物。尽管研究表明涂层的耐磨损性优异，箔涂层的磨损不能很好地由轴承耐受。一旦固体润滑剂磨损到基底上，增加的摩擦可能造成机器的磨损和卡住。轴承诸如灰尘或砂的空气流中的任何污染物将引起加速磨损。
图3 -油轴颈轴承的工作原理与翼型轴承相同。
2.磁轴承
主动磁轴承系统依靠动态驱动电磁铁实现悬浮。如果直接与油轴颈或翼型轴承相比，磁性轴承的工作介质是电流，而不是油或空气，轴由与油膜或空气压力相反的主动磁场支撑。当轴承接通时，电磁铁将旋转组件推向轴承中心。该系统被称为主动系统，因为作为轴承一部分的传感器检测旋转组件中心的实际位置，并将信息传递给磁性轴承控制器（MBC）。控制器决定是否必须调整任何磁铁的功率以达到更中心的位置，并相应地进行调整。系统示意图如图4所示。
一旦轴被悬浮起来，基本上没有摩擦就可以开始旋转了。在正常运行期间，轴的位置每秒被监测数千次，电磁铁相应调整。主动调整允许自动纠正旋转组件的小不规律，如不平衡。在操作时，传感器作为轴承组件的一个自然部分，可以监控和记录各种性能特征。这可以洞察温度、振动、推力负荷、接近浪涌和设备的系统稳定性。数据可以进一步进行统计分析，显示机器的状况和健康状况，运行趋势，以及系统的任何早期预警信号。
在停电的情况下，它是标准的行业惯例，包括故障安全机制轴承的设计的一部分。一种这样的机制是一个简单的UPS继续进行，直到轴的旋转已停止将电力供应到磁性轴承系统。在废水处理中的应用，轴旋转将迅速放缓，由于排放背压，并会在最停下来几分钟之内。轴承保护的另一种方法不需要UPS。在停电时，马达转入一发生器，然后将收获的功率用于悬浮旋转组件。
图4 -磁轴承示意图。间隙传感器检测转子的位置并将信息发送给控制器。控制器调整电磁体的功率，使转子处于中心位置。 |
两种保护方法都由另一种保护系统——“备用”轴承补充。如果UPS出现故障或其他问题，旋转组件将落在安装在系统内的滚子轴承的内圈上。在典型情况下，旋转组件不与滚子轴承接触，因为滚子轴承内径略大于转轴的外径。轴向支承轴承也是磁力轴承的标准组件，并以相同的原理运行。
讨论
翼型和磁性轴承都提供支撑高速旋转的用于废水处理应用的离心式压缩机组件的可行方法。然而，由于在功能和价格的巨大差异，在选择并不总是显而易见的。最简单的比较示于表1的主要差异成为分别翼型和磁性轴承显而易见的：
- 轴承控制 - 无源与活性;
- 轴承健康监测 - 被动与主动;
- 接触-启动时低速与不接触;
- 故障模式-较少的路径，但灾难性vs复杂的自我保护系统;
- 成本 - 低与高。
轴承控制是翼型轴承的完全被动。由于没有致动或控制环，因此轴承的稳定性仅取决于机械部件和操作环境的设计。粘度，密度，导热性和轴承工作气体的热容量的可变性将有助于轴承稳定性，并且必须在机器设计期间考虑。
磁力轴承控制通过控制器的控制回路执行。旋转组件相对于轴承中心的位置是使用集成到轴承上的位置传感器以每秒10000次的速度确定的。位置信息随后传递给MBC，MBC执行计算并调整发送到轴承电磁铁的功率。这种闭环系统的稳定性很容易控制。动态调整轴承特性的能力允许广泛的稳定性范围、自我保护算法，以及为健康趋势目的收集数据。
对于废水处理应用，磁轴承主动控制的优势是显著的。曝气鼓风机的设计必须适应环境条件随季节变化、日变化和日循环而变化。磁轴承的连续自我监测提供了防止灾难性故障的保证，并提供了对这一关键设备的整体健康状况的深入了解。
表1-油轴颈，翼型和磁性轴承的简单比较。
轴承健康监测
只有被动温度监测很容易与翼型轴承。在某些情况下，可以将热电偶安装在轴承内固定组件的外部，以监测当地温度。理论上，在轴承局部发热问题的情况下，如果能足够快地发现问题，机器可能会关闭以保护自己。然而，温度监测仪的翼型轴承是不常见的实践在现场，因为这种设备的响应时间必须足够快，以捕捉近瞬时温升。没有其他健康监测可用的翼型轴承。不幸的是，这使得机器容易发生灾难性的故障，因为轴涂层的状况，不平衡，和旋转中心没有监测。
磁轴承具有对旋转组件的主动控制。轴承不断地提供轴承状况的详细图片。轴的位置可以与振动、动态不平衡和轴承的内部诊断有关。温度传感器检测轴承和控制电路的整体状况。此外，上述数据可用于分析系统共振、陀螺效应和整体系统稳定性。如果检测到问题，机器将自动关闭，以保护自己免受昂贵的损害。最后，收集的数据可以在世界任何地方通过互联网连接检索，并进一步分析，以看到大规模的趋势，与其他机器的比较，等等。
曝气设备是任何污水处理设施的一项重大投资。风机检测任何即将发生的损坏和保护自身的能力，具有节省停机时间、维修和更换成本的潜力。即使鼓风机在保修期内出现故障，长时间的停机也会对工厂的运行造成严重干扰。具有在任何损坏发生前自动关闭机器的能力对工厂所有者和操作人员来说是一个显著的长期成本优势。从机器收集的数据中可以获得额外的理解。工厂的维修人员可以在不在场的情况下开始分析机器故障。
联系
翼型轴承箔的箔上的软质聚合物涂层如Teflon将在开始，停止和低速操作（2000至5000 rpm的典型升降速度）时倾向于在接触点处磨损。更好的表演者是应用于旋转期刊表面的硬固体润滑剂。这消除了本地化磨损并随机将其分销在日记的圆周上。PS304（Korolon）涂层上的耐久性测试显示了5.0 psi负载下的起始/停止循环的数量，352f超过100,000。但是，在室温条件下，开始/停止周期的数量减少超过50％。必须对废水行业轴承看到的典型载荷提供额外的考虑因素。在径向和推力翼型轴承中，推力轴承通常更容易受到高负荷的影响。为了最大限度地减少载荷并延伸翼型轴承寿命，鼓风机设计人员通常会使用推力平衡线或采用“双端”电机设计，其中镜像鼓风机组装到电机的两端。应该注意的是，平衡线将降低机器的整体效率，因为它将一些工艺空气重新排出到轴承时。与典型的单级机器相比，双端设计具有更大的湿润表面积，因此具有更高的表面拖动。
磁轴承在正常操作下没有经历接触，因此没有物理磨损。如果没有提供给轴承，则才能接触。这可能发生在停电或内部组件故障期间。备用系统通常内置于商用磁轴承，以防止在任何一种情况下损坏。在电源损耗的情况下，由于曝气系统的后压提供的负载，旋转组件将在几秒钟内减慢，并且在不到2分钟内到达完全停止。对于该持续时间，可以以两种方式支持旋转组件。一个常用的选项是UPS单元，可提供浮动轴承直到完全停止的电源。如果发生UPS故障，旋转组件将落在一组备用滚子轴承上。备用滚子轴承专门设计成具有略大于旋转轴直径的内径。在正常操作期间，旋转组件和滚子轴承之间没有接触。 Additionally, the roller bearings are designed and tested for multiple shaft landings at full load and RPM. Another method of protection against power failure is using the inertia of the rotating assembly after a power loss as a power source for the bearing levitation. With this option, the back-up roller bearings are also employed.
利用翼型轴承机能够多启动和停止的;然而，轴涂层将与重复的循环，灰尘和其它污染物摄取降解。涂布条件是不容易检查。进一步的研究可结束对在废水处理应用的气浮轴承涂层的寿命推测。在此之前，磁性轴承提供曝气鼓风机可靠的，长期的解决方案。
失效模式
科学界已经证明，许多机翼轴承故障是由于热失控效应造成的。由于空气轴承依赖于工作流体的粘性剪切，因此在正常操作过程中会产生一些热量。如果不进行检查，热量积聚可能导致局部热点和不均匀的机械加热，并可能导致轴承卡滞。这种类型的故障往往在几乎没有警告的情况下迅速发生。轴承和轴的内箔之间的预载量以及缓冲箔设计将导致这种情况。在机器设计过程中，需要仔细考虑和模拟这些因素，因为它们会影响机器的整体寿命。其他故障原因包括周围环境。环境灰尘和盐水水分可能会对轴或箔上的涂层造成严重损坏，甚至可能引发灾难性故障。典型的设计试图通过轴承的反向皮托冷却进气口限制颗粒吸入。径向轴承中的工作流体通常不会循环，轴承内的正压力自然会限制颗粒的摄入。然而，推力轴承倾向于径向加速工作流体，并且在箔片和推力法兰之间自然会有一些流动。为了消除损坏的可能性并延长机器的使用寿命，必须对供应给轴承的空气进行适当过滤。
与翼型轴承相比，磁轴承更复杂，因此具有更多的故障模式。然而，自我保护机制几乎消除了灾难性失败的可能性。对于大多数问题，机器将在发生故障之前关闭。尘土飞扬和潮湿的环境不会影响磁轴承，因为旋转和固定部件之间的间隙通常足够大以容纳一些颗粒。此外，由于工作介质是电流的，轴承的性能不受空气中的颗粒的影响。
针对磁性轴承造成的昂贵灾难性故障提供保护；然而，一个简单的系统，如翼型轴承提供了较少的方法失败。轴承技术的选择取决于工厂设计师、业主和运营商。重要的是要考虑故障的影响，维修或更换设备的时间，事件的成本，以及设备供应商的信誉，才能做出这个关键决定。
成本
成本往往是技术选择的决定因素。带有翼型轴承的风机的初始成本通常显著低于磁性轴承。这是由于复杂的系统，磁轴承需要正确的操作。然而，直接比较两种技术就会发现，两者并不相等。配备磁性轴承的鼓风机增加的成本提供了显著的长期优势，超过机器的寿命。为您的工厂的鼓风机选择翼型轴承将提供更低的前期成本，和更少的故障模式。然而，如果在典型的预期20年寿命期间出现问题，灾难性故障的可能性和高昂的维修和更换成本可以预期机翼设计要高得多。为您的应用选择轴承技术应该考虑到设备成本，长期管理和维护，以及故障模式的考虑。
结论
最后，我们可以很容易地指向磁和气浮轴承技术之间的差异显著。虽然两个轴承类型的废水处理工业上可接受的，它们不相等，并且不应被这样比较。翼型轴承的简单和低成本意味着全面的监测，主动控制和鼓风机的自我保护充其量在某些情况下不可能限制。然而，远程接入的优势，检查状态和机器的健康，数据趋势，多重故障安全机制，以及许多其他功能配备了带磁轴承较高的前期成本。
在某些情况下，机翼的轴承将是一个特定的工厂设计的首选。这些可以是具有非常低的功率要求，连续运转（几个开始/停止循环），和一个清洁的空气供应系统的设计。然而，它有可能在大多数情况下，磁性轴承将是首选技术，由于技术的长期优势。
进一步阅读
“燃气涡轮发动机磁轴承技术综述”，D. Clark等。美国国家航空航天局/ tm - 2001 - 213177
“德雷柏实验室的磁轴承”，A.Kondoleon, al. NASA-CP-3336-Pt-1
“用于无油涡轮机械的高温箔空气轴承的性能和耐久性”，C. DellaCorte, NASA/TM-2000-209187
C. DellaCorte NASA/TM-2010216762
“旋翼机发动机应用的箔片轴承起动注意事项和要求”，K.Radil等人，ARL-TR-4873
数字学分
图1的a，b和c - “箔空气/气体轴承技术 - 概述”由吉瑞L.阿格拉瓦尔，机械工程师美国社会，公开97-GT-347发布
图2 -http://spinoff.nasa.gov/spinoff1996/images/114.jpg
图3 -www.wikipedia.com
图4 -www.wikipedia.com
版权©2013 A。欧文和J.伊贝茨
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