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詳解電磁軸承與翼型軸承的優(yōu)缺點

渦輪壓縮機已成為現(xiàn)代水處理技術(shù)的支柱，它具有機械簡單的設計，朝陽旭日重工可靠性和良好的能源效率。它們非常適用于在相對較低的壓力下生產(chǎn)大量壓縮空氣的情況，它們依賴于軸承，該軸承可以高速旋轉(zhuǎn)且阻力最小且可長時間旋轉(zhuǎn)。如今，市場以兩種競爭技術(shù)為主導：翼型軸承和有源電磁軸承。

渦輪壓縮機中心的轉(zhuǎn)子由高速電動機提供動力，通常沒有中間齒輪。在運行中，電機軸和轉(zhuǎn)子組件的旋轉(zhuǎn)速度高達50，000 rpm，并且在大修之間可能會連續(xù)運行較長時間。這些條件需要特殊類型的軸承，現(xiàn)代渦輪壓縮機設計中通常使用兩種方法。

翼型軸承

空氣箔軸承是一種氣體軸承，其設計利用氣體膜中的壓力將移動和固定表面保持分開，從而實現(xiàn)低摩擦，高速旋轉(zhuǎn)。氣體軸承運行所需的壓力可以通過軸承本身的旋轉(zhuǎn)從外部提供或內(nèi)部產(chǎn)生?？諝獠S承使用后一種方法，因此，它們是動態(tài)氣體軸承的一種。

空氣箔軸承由美國國家航空航天局（NASA）在1960年代和1970年代開發(fā)，專門用于渦輪機械應用。在空氣箔設計中，旋轉(zhuǎn)軸和固定殼體之間的空間包含兩個薄箔，它們由涂有低摩擦材料（例如PTFE（聚四氟乙烯））的金屬制成。外部箔片（稱為凸塊箔片）是波紋狀的，可以彎曲以適應軸承中的運動或未對準。內(nèi)部箔片稱為頂部箔片，是圓柱形的，其形狀可緊密包裹在軸或軸頸上。當軸旋轉(zhuǎn)時，空氣在軸和頂部金屬箔之間被吸入，形成一個狹窄的間隙，允許以最小的摩擦旋轉(zhuǎn)。

電磁軸承

磁性軸承通過磁懸浮來支撐旋轉(zhuǎn)軸。大多數(shù)磁性軸承設計均使用圍繞軸承箱布置的磁鐵和包含鐵磁材料的軸。磁鐵吸引軸，并且當平衡作用在軸上的力時，磁鐵會遠離殼體，從而允許低摩擦旋轉(zhuǎn)。

此設計使用由電子控制系統(tǒng)提供動力的電磁體，該電磁體可以調(diào)節(jié)其產(chǎn)生的力。外殼中的傳感器不斷監(jiān)測軸的位置，控制系統(tǒng)改變傳遞給磁鐵的功率，以將軸保持在最佳位置。

簡單性與靈活性

空氣箔軸承和磁性軸承是高速應用的可行解決方案。它們都具有低摩擦力，并且無需潤滑即可運行，從而使其基本上無需維護。設計得益于多年的改進和在苛刻應用中的經(jīng)驗。

兩種設計各有優(yōu)缺點，但是這些差異可能會對給定應用選擇最合適的軸承技術(shù)產(chǎn)生重大影響。

空氣箔軸承無需外部電源或控制系統(tǒng)即可運行。這有助于降低其成本，這是設計的主要優(yōu)勢，特別是在小型機器中使用時。但是，當空氣軸承啟動時，其各部分彼此接觸，直到軸旋轉(zhuǎn)得足夠快以形成加壓膜為止。通常，直到達到5，000 rpm的軸轉(zhuǎn)速，空氣軸承才會“起飛”。隨著時間的流逝，多次啟動和停止會導致鋁箔表面的磨損，最終將需要對其進行更換。

為了最大程度地減少啟停循環(huán)次數(shù)，空氣軸承壓縮機有時會空轉(zhuǎn)運行，這種做法會大大增加機器使用壽命內(nèi)的能耗。對于要求不連續(xù)供應空氣的應用，空氣軸承的這一特性可能是一個重大限制。

如果顆粒物質(zhì)進入軸承并滯留在軸和箔之間，則空氣軸承也容易受到損壞。為了降低這種風險，大多數(shù)空氣設計都要求對進入的空氣進行嚴格的過濾。有源電磁軸承克服了許多這些限制。磁支撐系統(tǒng)在軸靜止時起作用，因此停止啟動操作對機器壽命沒有影響，并且不需要空轉(zhuǎn)。

大小限制

空氣軸承的其他局限性出現(xiàn)在大型機器上。空氣箔設計的總體承載能力相對較低，尤其是在軸向方向上，因此大型空氣軸承渦輪壓縮機通常采用雙葉輪設計，從而降低了機器的整體效率。大型空氣軸承也容易過熱，因為氣膜的壓縮會升高其溫度。結(jié)果，150 kW或更大的機器通常需要單獨的液體冷卻系統(tǒng)。

電磁軸承可以承受更大的力，從而可以在大型機器上使用，而無需額外的冷卻。它們還具有良好的阻尼特性，有助于它們適應由電涌或機器其他地方的問題所產(chǎn)生的瞬態(tài)力。

控制創(chuàng)新

電磁軸承系統(tǒng)最大的缺點在于其復雜性。有源電磁軸承需要復雜的控制電子設備和持續(xù)的動力源。前者意味著磁性軸承比空氣軸承具有更高的前期成本，而后者對機器設計具有影響。

使用磁性軸承系統(tǒng)的渦輪壓縮機通常會集成備用電源，無論是電容器還是電池，在外部電源中斷的情況下，它們都可以提供足夠的能量來安全地使機器停機。為了在出現(xiàn)重大問題時進一步保護機器，電磁軸承設計（例如在蘇爾壽（Sulzer）的HST渦輪壓縮機系列中使用的那些軸承）采用了備用機械軸承，該機械軸承距軸的距離只有十分之幾毫米。在極不可能的情況下，電磁軸承系統(tǒng)發(fā)生故障，這些備用單元會“卡住”軸，從而使機器安全地停止。

盡管電磁軸承所需的控制系統(tǒng)十分復雜，但近年來電子技術(shù)的發(fā)展已大大提高了其可靠性并降低了成本。用于檢測軸位置的感應式傳感器是簡單，堅固且具有高可靠性的組件。

互聯(lián)的未來

作為工業(yè)4.0世界的另一個好處，電磁軸承系統(tǒng)為壓縮機提供了“內(nèi)置”狀態(tài)監(jiān)測功能?？刂葡到y(tǒng)不斷收集有關軸的精確位置的數(shù)據(jù)，從而可以檢測和分析潛在問題的振動，不對中以及其他預警跡象。

蘇爾壽（Sulzer）在HST渦輪壓縮機系列中使用磁性軸承已有25年了。第一臺HST機器于1996年安裝，目前仍在運行。這些單元中使用的軸承和控制系統(tǒng)是內(nèi)部開發(fā)的，直到今天，該公司仍在繼續(xù)開發(fā)自己的軸承和控制系統(tǒng)的設計。這項經(jīng)驗使人們對該技術(shù)充滿信心，并幫助其性能和可靠性不斷提高。