導(dǎo)讀：

空氣箔軸承提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，但需要過濾良好的空氣

電磁軸承具有出色的可靠性，可以承受更大的力

HST渦輪壓縮機(jī)使用電磁軸承已有近25年的歷史了

Edward Paro討論了如何找到用于水處理鼓風(fēng)機(jī)的最佳軸承解決方案

正文：

渦輪壓縮機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代水處理技術(shù)的支柱，它具有機(jī)械簡單的設(shè)計(jì)，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(shí)間旋轉(zhuǎn)。如今，市場由兩種競爭技術(shù)主導(dǎo)：空氣箔片軸承和主動磁軸承。本文比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

渦輪壓縮機(jī)核心的轉(zhuǎn)子由高速電動機(jī)提供動力，通常沒有中間齒輪。在運(yùn)行中，電機(jī)軸和轉(zhuǎn)子組件的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)50,000rpm，并且可能在大修之間連續(xù)運(yùn)行較長時(shí)間。這些條件需要特殊類型的軸承，現(xiàn)代渦輪壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中通常使用兩種方法。

什么是空氣箔軸承？

空氣箔軸承是一種氣體軸承，其設(shè)計(jì)利用氣體膜中的壓力將移動和固定表面保持分開，從而實(shí)現(xiàn)低摩擦，高速旋轉(zhuǎn)。氣體軸承運(yùn)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。

空氣軸承

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(jī)械應(yīng)用。在空氣箔設(shè)計(jì)中，旋轉(zhuǎn)軸和固定殼體之間的空間包含兩個(gè)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(yīng)軸承中的運(yùn)動或未對準(zhǔn)。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。隨著軸旋轉(zhuǎn)，空氣在軸和頂部箔片之間被吸入，形成一個(gè)狹窄的間隙，允許以最小的摩擦力旋轉(zhuǎn)。

什么是電磁軸承？

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(shè)計(jì)均使用圍繞軸承箱布置的磁體和包含鐵磁材料的軸。磁鐵吸引軸，當(dāng)作用在軸上的力達(dá)到平衡時(shí)，磁鐵被保持在遠(yuǎn)離殼體的位置，從而允許低摩擦旋轉(zhuǎn)。此設(shè)計(jì)使用電磁鐵，該電磁鐵由電子控制系統(tǒng)提供動力，可調(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)改變傳遞到磁鐵的功率，以將軸保持在最佳位置。

電磁軸承

兩種軸承的優(yōu)勢

空氣箔軸承和磁性軸承是高速應(yīng)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(yùn)行，從而使其基本上無需維護(hù)。設(shè)計(jì)得益于多年的改進(jìn)和在苛刻應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)。但這兩種設(shè)計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，而這些差異可能會對給定應(yīng)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(yùn)行。

這有助于降低其成本，這是設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢，特別是在小型機(jī)器中使用時(shí)。但是，當(dāng)空氣軸承啟動時(shí)，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(dá)到5,000rpm的軸轉(zhuǎn)速，空氣軸承才會“起飛”。隨著時(shí)間的流逝，多次啟動和停止會導(dǎo)致箔片表面的磨損，最終將需要對其進(jìn)行更換。

為了最大程度地減少啟停循環(huán)的次數(shù)，空氣軸承壓縮機(jī)有時(shí)會空轉(zhuǎn)運(yùn)行，這種做法會在機(jī)器的整個(gè)使用壽命期間顯著增加能耗。對于要求不連續(xù)供應(yīng)空氣的應(yīng)用，空氣軸承的這一特性可能是一個(gè)重大限制。如果顆粒物質(zhì)進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)，大多數(shù)空氣設(shè)計(jì)都要求對進(jìn)入的空氣進(jìn)行嚴(yán)格的過濾。有源電磁軸承克服了許多這些限制。

兩種軸承的劣勢

空氣軸承的其他局限性出現(xiàn)在大型機(jī)器上?？諝獠O(shè)計(jì)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(jī)通常采用雙葉輪設(shè)計(jì)，從而降低了機(jī)器的整體效率。大型空氣軸承也容易過熱，因?yàn)闅饽さ膲嚎s會升高其溫度。

結(jié)果，150kW或更大的機(jī)器通常需要單獨(dú)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(jī)器上使用，而無需額外的冷卻。它們還具有良好的阻尼特性，這有助于它們適應(yīng)由電涌或機(jī)器其他地方的問題所產(chǎn)生的瞬態(tài)力。

電磁軸承系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)在于其復(fù)雜性。有源電磁軸承需要復(fù)雜的控制電子設(shè)備和持續(xù)的動力來源。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(jī)器設(shè)計(jì)有影響。使用磁性軸承系統(tǒng)的渦輪壓縮機(jī)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(jī)器停機(jī)。

為了在出現(xiàn)重大問題時(shí)進(jìn)一步保護(hù)機(jī)器，電磁軸承設(shè)計(jì)（例如在蘇爾壽（Sulzer）的HST渦輪壓縮機(jī)系列中使用的那些軸承）采用了備用機(jī)械軸承，該機(jī)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(jī)器安全停止。盡管電磁軸承所需的控制系統(tǒng)十分復(fù)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(yīng)傳感器是簡單，堅(jiān)固且具有高可靠性的組件。

作為工業(yè)4.0世界的另一個(gè)好處，電磁軸承系統(tǒng)為壓縮機(jī)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(guān)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，未對準(zhǔn)和其他預(yù)警信號。蘇爾壽（Sulzer）在HST渦輪壓縮機(jī)系列中使用磁性軸承已有25年了。

第一臺HST機(jī)器于1996年安裝，目前仍在運(yùn)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，該公司將繼續(xù)開發(fā)自己的軸承和控制系統(tǒng)。這項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)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。