J I S H U J I A O L I U技术交流气体轴承及磁悬浮轴承在低温透平膨胀机上的应用王丽丽（吉林石化公司化肥厂空分车间 吉林 吉林 1 3 2 0 2 1 ）【摘 要】对现有低温透平膨胀机主轴轴承工作状况进行分析介绍了气体轴承及新型磁悬浮轴承的结构和工作特点分别对其性能做出比较关键词】低温透平膨胀机 气体轴承 磁悬浮轴承 应用引言空分装置是采用深度冷冻的方 法， 将空气中的氧气、 氮气及其他稀 有气体根据其沸点不同而进行分离的 装置它分离空气时获得低温的方法主要有两种途径，一是节流制 冷，二是膨胀机制冷膨胀机是一 种利用压缩气体在机内绝热膨胀、 对外做功，使得压缩气体自身能量 下降，温度降低，由此而获得低温 气体的机器它作为空分系统中产 生冷量的重要设备，比较常见的主 要有两种基本形式，一是透平式膨 胀机，二是往复活塞式膨胀机前 者与后者相比，又具有外形尺寸 小、质量轻、加工空气量大、工 作性能稳定、运转周期长等优点， 且其机内的工作工程更接近于等熵 （绝热）过程，具有绝热效率高的 特 点 由其工作特点所决定的， 透平式 膨胀机主轴转速很高， 因此主轴轴承 的性能好坏直接影响到透平膨胀机能 否正常工作。
我厂空分车间几套空分 装置均采用透平式膨胀机， 主轴轴承 为滑动轴承， 润滑形式为油润滑 这 种主轴轴承由油润滑的膨胀机在工作 时， 机壳间的机械密封并不能达到严 格意义上的密封效果，因此存在着 压力相对较高的润滑油窜入压力相对 较低的膨胀空气中的可能性，而后 油随着空气进入精馏塔，这是极其 危险的其次，冷量也可能在密封 不严处泄漏，冻结轴承润滑油，使之降低或者失去润滑效果，由此而 引发烧瓦事故虽然通过引进密封 气来防止上述的事故发生，但是其 危险性还是存在的，所以可以考虑 采用别的轴承形式1 空气轴承低温透平膨胀机中，由于进口 介质温度低， 膨胀比大， 尤其是在小 流量时， 工作轮直径较小， 膨胀机比 焓降大， 为了达到较高的绝热效率， 势必使得膨胀机转子转速较高 这种 场合下， 油润滑轴承由于本身的缺陷 就很难达到设备的运转要求 而气体 轴承具有摩擦损失低、 无污染、 适应 温度范围广、 运转平稳、 使用时间长 等优点， 能大大提高透平膨胀机的经 济效益 空气轴承是利用空气弹性垫来 起支承作用的一种轴承， 由于气体的 粘度很小， 故而气体轴承的承载能力 一般只有油载轴承的1 ％左右。
但是 最重要的是没有油污染， 机械接触基 本很少，其环保和安全性是勿庸置 疑的，转动部件的磨损也能减少到 最低程度气体承载分静压轴承和 动压轴承，但是现在使用较多的还 是静压轴承静压轴承需要外界不 断供气，需要消耗外界部分能量，图1 . 1 . 2图1 . 1 . 1图1 . 2 . 1技术交流J I S H U J I A O L I U其承载能力根据提供气压力的不同而 变化而气体动压轴承工作时则不 需要外界供给压力气源，在动作的 同时靠自身结构特点形成气膜，但 是结构相对较复杂一些 1 . 1 气体静压轴承 气体静压轴承是利用外部供气 装置将具有一定压力的气体通过气孔 进入轴套的气腔， 将轴浮起而形成压 力气膜， 以承受载荷 其承载能力与 滑动表面的线速度无关， 故广泛应用 于各种速度场合的载荷 由于空气的 粘度很低， 因此摩擦损耗小， 再者空 气通过轴承的压力降引起的冷却效 应， 无论空气间隙如何小， 封气面如 何大， 也能保持很小的升温 升温小 变形也极小， 且润滑介质采用干燥洁 净的空气， 无杂物污染， 故此类轴承 的振动也会很小 这对于高速透平膨 胀机来说有很好的利用价值。
图1 . 1 . 1 是气体静压轴承的两 种典型的结构， 其中图A 为双列空气 静压径向轴承， 图B 为单列空气静压 径向轴承， 其结构比较简单 在圆筒 形的轴套上钻有一列或者双列绕轴承 圆周等距排列的进气孔 压缩空气由 进气孔进入， 然后沿轴向流至轴承端 部排入大气 图1 . 1 . 2 为静压轴承的 工作原理图 如图1 . 1 . 2 所示，气腔1 为轴 套8 内表面上的凹入部分， 包围气腔 的四周称为封气面， 封气面与运动表 面构成的间隙称为气膜厚度 为了承 载， 需要补偿流量， 补偿流量的机构 单元成为补偿元件， 也叫做节流器 压力气体经过节流器第一次节流后进 入气腔， 又经过封气面第二次节流后 从周向和轴向流出 在不考虑轴的重量，且四个节 量）作用时，轴心 O向下偏移到 O 1 ，偏移量为e , 各个气腔压力就发 生了变化气腔1 的间隙增大、其列的好除以上所提到的两种形式 的气体静压轴承，国内多排和多排 径向及切向供气气体轴承、双气膜 径向气体轴承、环切向缝进气径向 气体轴承、各种形式的浅腔节流径 向止推气体轴承、浮环静压气体径 向轴承等技术都已经比较成熟，可 供我们选择使用。
节流器的作用是调节支承中个 气腔的压力，以适应各自不同的载 荷，使气膜具有一定的厚度，以适 应载荷的变化圆形进气孔节流器 是静压轴承常见的节流器，因为它 最容易加工此外，还有沟槽、毛 细管、烧结轴承的多孔质以及表面 节流等节流形式 空气静压轴承其工作原理和液 体静压轴承是相似的，但是要注意 到 ： ①气体密度随着压力而变化， 在 确定流量的连续方程时应该使用质量 流量， 而不是体积流量 ②空气粘度 低， 流量就很大， 因此要选择较小的 轴与轴套间隙 ③空气静压轴承必须 具有良好的抗腐蚀性能， 防止带有水 分的气体腐蚀轴承 1 . 2 气体动压轴承 气体动压轴承在轴旋转时， 由于 摩擦面的相对移动， 气体因其本身的 粘性作用而被带动， 并被压缩到楔形 的间隙内， 由此产生了压力场， 由于 间隙逐渐变窄， 使得压强升高， 将轴 浮起而形成气膜， 以承受载荷 动压 气体轴承不需要外部气源， 但是要求 构成楔形间隙的两表面间存在相对运 动， 其承载能力与滑动表面的线速度 成正比， 低速时候承载能力很低， 故 动压轴承只适合于速度很高， 且速度 变化不大的场合 这也比较符合透平 膨胀机的工况。
图1 . 2 . 1 和图1 . 2 . 2 为动压轴承的两种基本形式 图中气体动压轴承径向3 块瓦可 以摆动，它与柔性体之间用球铰链气阻R h 1 减小，气腔压力P r 1 降低 气腔 2则相反气腔 3 、4压力相 等若气腔 1 、2的气压变化而产 生的压力P r 2 －P r 1 ＝W / A （A 为每 个气腔有效承载面积，假设4 个气 腔面积相等） ，主轴便处于新的平 衡位置即轴向下偏移很小的距 离，但是远小于气膜的厚度h 0 ，轴 承仍然在气体的支承下旋转 单双列孔轴承，轴向孔间压力 基本持平，在轴承几何尺寸、间隙 及供给压力相同的条件下，承载能 力，刚性及流量都比单列轴承的 大，而高速稳定性单列轴承则比双图2 . 2图2 . 1图1 . 2 . 2J I S H U J I A O L I U技术交流链接，止推动压轴承采用对数螺旋 槽结构 箔片式动压径向气体止推轴承 是动压径向气体轴承的一种重要形 式， 它是以周围环境中的空气为润滑 剂并采用箔片作为弹性支承元件的一 种动压轴承 在1 9 2 8 年英国T h o m s o n H o u t o n 公司的P o l l o c k 就发明的张 紧型箔片径向轴承。
现在已经出现了 多种结构形式的箔片式动压气体径向 轴承， 其技术也越来越成熟 与刚性 表面径向气体轴承相比， 箔片动压径 向气体轴承的最大特点是轴承表面是 柔性的 转子在运转时， 刚性表面径 向气体轴承气膜间隙的形状是不变 的，而且在轴向方向上间隙大小不 变 在箔片轴承中由于气体动压的作 用而产生的轴向气膜间隙中压力场会 使有弹性的轴承表面发生变形， 改变了原有的间隙形状和大小，气膜间 隙的改变反过来也会造成气体动压流场的变化由于其轴承表面柔性的特点， 它除了具有一般刚性表面动压气体径 向轴承的特性外， 还有高承载力、 低 摩擦功耗、高稳定性、工作范围温 度广、容许轴承间隙损失、耐振动 冲击、装配对中要求极低、启停性 能好、可在存在污物与水分的环境 下运行等优点而且去除了气体静 压轴承的供气系统和普通轴承的供油 系统，使得系统得到了简化，并增 加了经济效益，减少了机器的重 量，使轴承－转子系统几乎不需要 维护尤其它有效地抑制了轴承－ 转子系统自激涡动和低频涡动的发 展，因此箔片式动压气体径向轴承 应该广泛应用于高速转子情况下平面螺旋槽止推气体止推轴承 是动压气体止推轴承的一种基本形 式。
它除了具有动压气体止推轴承 的一般优点外，于其他形式的动压 止推轴承相比较，具有结构简单， 承载能力强，稳定性好等综合指 标因此，在大多数气体轴承作为 止推元件的高速低温透平机中都得到 了广泛的使用其工作原理为：开 槽的轴承表面相对于光滑转子止推面 的表面旋转时带动粘性流体， 使流体 流向旋转中心或由中心向外流动， 最 后通过密封面完成对槽内流体的压 缩，从而产生压力，承受载荷 上世纪9 0 年代国内已经有将箔 片动压气体轴承应用于低温气体透平 膨胀机的例子， 且达到了超速1 4 ％的 良好运转效果， 其中径向轴承采用弹 性形式支撑箔片动压气动气体径向轴技术交流J I S H U J I A O L I U承，止推轴承采用平面螺旋槽止推 轴承由此可见，在高速低温透平 膨胀机中改用动压气体轴承也是切实 可行的2 磁悬浮轴承磁悬浮轴承是利用磁场将轴无 机械摩擦、 无润滑地悬浮在空间的一 种新型轴承 其工作原理如图2 . 1 所 示 径向磁悬浮轴承由转子6 和定子 5 两部分组成 定子上装有电磁体， 保 持转子悬浮在磁场中 转子转动时， 由位移传感器4 检测转子的偏心并通 过反馈与基准信号1（转子的理想位 置） 进行比较， 调节器2 根据偏差信 号进行调节， 并把调节信号送到功率 放大器3 以改变电磁体的电流， 从而 改变磁悬浮力的大小， 使转子恢复到 理想位置。
目前常用的控制策略中多采用 基于简化线性模型的P I D 控制，P I D 控制具有直观、实现简便和鲁棒性 能良好等优点，但实际应用中常因 参数整定不良导致控制性能欠佳 近几十年来，智能控制理论快速发 展并不断地应用于实践，目前应用 最为活跃的智能控制包括：模糊控 制、神经网络控制和专家控制随 着把智能控制的思想应用到常规P I D 中， 形成了多种形式的智能P I D 控制 许多控制过程采用智能P I D 控制， 它 兼有智能控制和传统P I D 控制两者 优点 智能P I D 控制可以分为：基于 神经网络的P I D 控制、 模糊P I D 控制 和专家P I D 控制等对所设计的磁 悬浮轴承系统，利用P C 机采用连续 式模糊控制的方法，通过改变电磁 力对转子轴心位置进行控制，使系 统具有较高控制精度，良好的动态 特性和鲁棒性 作为一种新型轴承，磁悬浮轴承主要具有以下优点： ①无摩擦，无磨损，寿命无限 磁悬浮轴承的使用寿命取决于电气系 统的寿命国外厂家标明磁悬浮轴 承电主轴的寿命大于2 0 年 ②免维护，不用润滑消除了机 械润滑系统对环境的污染，可方便 地用于真空、净室及无菌车间等。
③转速更高允许转子高速旋 转，其转速只受材料强度的限制 ④低功耗特别是永磁与电磁混 合磁悬浮轴承的功率损耗仅是传统机 械轴承的1 ／2 0 ～1 ／5 ，是空气静 压轴承的1 ／1 0 ～1 ／5 ，降低了运 行费用 ⑤在高速下有高刚度磁悬浮轴 承的刚度主要取决于控制回路，所 以调节控制参数可以获得高刚度 ⑥刚度可调调节刚度可使转子 平稳地穿越临界转速 ⑦阻尼可调可在物理极限内使 刚度和阻尼与轴承的工作环境甚至与 运行状态的转速相适应， 达到自我平 衡 ⑧精度高转子的控制精度( 转子 的回。