一种离心压缩机轴位移故障自愈调控装置的制作方法

本发明涉及一种离心压缩机轴位移故障自愈调控装置，其作用是对转子沿轴向进行支承，增加推力轴承的承载能力，主动降低推力滑动轴承的轴瓦温度，并实现轴向定位。

背景技术：

在生产实际中，造成离心压缩机轴位移故障的一种原因是由于轴向力计算不准确，轴向载荷过大，轴向位移随之增大，推力滑动轴承表面的油膜被挤压破裂，进而导致推力滑动轴承发生烧瓦。另一种原因是由于推力滑动轴承结构设计不当，造成轴瓦温度过高，使得设备被迫联锁停机。无论上述哪种原因，工程师们在面对轴瓦温度过高或轴位移过大时，经常束手无措，常规的做法是停机、拆缸检查，因为若不及时停车维护，会引起转子轴向窜动，使旋转部件与静止部件如隔板、密封等发生磨碰，然而工厂的停工会带来巨大的经济损失。

推力滑动轴承是机械设备中不可或缺的基础零部件，广泛应用于能源、动力、制造、化工、船舶等众多行业，对国民经济发展和国防建设具有重要影响。随着我国工业的快速发展，人们对各类高性能、高参数设备的需求越来越大。然而由于种种原因，为之服务的高端推力滑动轴承的应用和产业化发展相对落后，远远不能满足主机设备发展的需求。在能源、动力、化工、制造等领域中的重要设备的高端滑动轴承大多依赖进口。

由于推力滑动轴承已日渐无法满足高速、重载工况的要求。电磁推力轴承作为高端的轴向支撑部件之一，是利用磁力将转子悬浮于空间，使转子与定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承，正获得越来越多的应用，如真空、

超净室以及高低温等特殊环境，高精度机床等，特别在透平机械和离心机领域。电磁轴承的优势是易于实现高速运行，允许转子高速旋转，其转速只受材料强度的限制。同时电磁推力轴承的承载力可控，电磁轴承单位面积上的承载力(比载荷)取决于铁磁材料和轴承磁铁的设计，大约为20n/cm²，也可达到40n/cm²，但需避免磁饱和现象。电磁推力轴承的功耗也低，仅是传统轴承功耗的1/20～1/5。在转速为10000r/min时，电磁轴承大约只有流体动压滑动轴承的6％，是滚动轴承的17％，大大降低了运行费用。与传统的滑动轴承和滚动轴承相比，由于电磁推力轴承没有机械磨损，不但维护费用低而且工作寿命长。但长时间工作造成的电磁轴承发热会对可靠性产生一定的影响，当介质温度超过其许可工作温度时，绝缘线圈材料将急剧老化，寿命降低很快。

电磁推力系统的控制系统设计是其主要难点，还有很多理论问题没有解决，电磁轴承的控制特性在本质上是强烈的非线性，采用两个电磁轴承的差动控制方式施加偏置电流，可获得线性作用区间。但万一控制系统突然失效，转子碰磨是瞬间的，对整个机组也会造成非常大的损坏。虽然电磁轴承已经在很多领域得到了应用，但从应用的角度看，电磁轴承的潜力尚未得到充分发挥，它本身也远未达到替代其他轴承的水平。对于一个已经制造好的机组，如果要采用电磁轴承，就需要改变或增加轴承座的尺寸，这些改动在现场实施是很困难的，所以就需要在设计阶段考虑是否使用电磁轴承。

推力滑动轴承和电磁推力轴承在使用上各有利弊，而且有时候单独地依靠其中一种轴承很难解决问题，如果两者能够配合使用将会起到一加一大于二的效果，可及时缓解或消除离心压缩机轴位移故障并降低推力轴承故障带来的损失。

技术实现要素：

本发明提出的一种离心压缩机轴位移故障自愈调控装置，可减少对推力滑动轴承的依赖，能够智能控制推力滑动轴承轴瓦温度和转子轴位移。本发明主要针对发生离心压缩机轴位移故障或承载力不足的推力滑动轴承，将原来的副推力滑动轴承用电磁推力轴承代替，而固定在电磁推力轴承环形定子铁芯上的推力滚动轴承，承担原先副推力滑动轴承的作用。通过推力滑动轴承与电磁推力轴承的配合使用，以推力滑动轴承轴瓦温度和转子轴位移为主要监控值，反馈采集信号给电磁推力轴承改变线圈电流，用来控制电磁力的大小。电流传感器用于监测电磁推力轴承漆包线圈电流的大小，防止电流过载。电磁推力轴承向止推盘提供吸力，推力滑动轴承向止推盘提供斥力，两者共同抵消作用在推力滑动轴承上的轴向载荷。在工况变化导致轴瓦温度升高或轴位移变大后，可通过电磁推力轴承向止推盘施加电磁力，减小推力滑动轴承所受的轴向载荷，从而降低推力滑动轴承的轴瓦温度，防止烧瓦事故的发生。本发明能够增加推力轴承的承载能力，提高其使用寿命，降低功耗，同时可智能调控轴位移。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种离心压缩机轴位移故障自愈调控装置，包括推力滑动轴承、电磁推力轴承、推力滚动轴承、轴、止推盘和控制组件。控制组件由温度传感器、轴位移传感器、电流传感器、功率放大器和控制器组成。所述止推盘通过键固定在轴上。所述推力滚动轴承安装在电磁推力轴承上。所述推力滑动轴承和电磁推力轴承分别设置在止推盘的两侧，推力滑动轴承和电磁推力轴承与止推盘之间均不存在机械接触。推力滑动轴承与止推盘之间存在一层楔形润滑薄膜，推力滑动轴承处于承受主要轴向载荷一侧，另一侧的推力滚动轴承抵抗轴的反向窜动。温度传感器安装于推力滑动轴承的轴瓦内，轴位移传感器安装于轴的末端或安装于轴的截面处。轴位移传感器和温度传感器将采集得到的信号输出至控制器中，控制器与功率放大器相连接。

电磁推力轴承包括环形定子铁芯和漆包线圈，漆包线圈的表层涂有绝缘漆，漆包线圈按照顺时针或逆时针以同心圆形式绕制在环形定子铁芯上，电流传感器设置在漆包线圈与控制器之间的线路上。环形定子铁芯内侧安装有用保持架固定的推力滚动轴承。

推力滚动轴承包括滚柱和保持架，滚柱铆合在保持架上，保持架被固定在电磁推力轴承的环形定子铁芯上。

轴位移传感器数量大于等于1，轴位移传感器用于采集和监测轴向位移和振动参数。

温度传感器距轴瓦表面1.5mm～2mm，温度传感器数量大于等于1，温度传感器用于采集和监测推力滑动轴承的轴瓦温度。

电磁推力轴承通过改变漆包线圈的通入电流，向止推盘施加电磁力，线圈电流受电流传感器监测，防止电流过载。

滚柱以轴对称的方式铆合于保持架上，滚柱的数量由推力滚动轴承的尺寸决定。

滚柱由陶瓷、玛瑙或玻璃等耐磨损、耐蚀抗锈的非金属材料制成，滚柱不会受电磁影响干扰转动。

推力滑动轴承形式为可倾瓦、斜肩、阶梯、平板或弹性支撑等。

滚柱高于环形定子铁芯0.1～0.2mm，用于保护电磁推力轴承免受碰磨和抵消转子轴向振动引起的反向轴窜动。

推力滑动轴承润滑的液体介质存在于轴承体内，充斥在推力滑动轴承、电磁推力轴承与止推盘的间隙之间。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优势和有益效果：

1.相比电磁推力轴承的控制系统以监测环形定子铁芯与止推盘的间隙为主，且需提供两路电流控制信号，本发明除监测转子的轴向位移，还监测推力滑动轴承的轴瓦温度作为参考信号，电磁推力轴承只需提供一路电流控制信号，降低了控制系统的难度，在智能调控转子轴向位移的基础上，避免推力滑动轴承的轴瓦温度过高，实现离心压缩机轴位移故障的自愈调控。

2.本发明能够缓减电流长期、频繁的变化带来的电磁推力轴承性能的下降，同时推力滑动轴承和推力滚动轴承均可充当电磁推力轴承的防断电应急保护，增加电磁推力轴承的使用可靠性。

3.推力滑动轴承和电磁推力轴承配合使用，电磁推力轴承向止推盘提供吸力，推力滑动轴承向止推盘提供斥力，两者共同抵消转子的推力，使作用在推力滑动轴承上的轴向载荷减小。在工况变化导致轴瓦温度升高或轴位移变大后，可通过电磁推力轴承向止推盘施加电磁力，降低推力滑动轴承的轴瓦温度，并防止轴位移过大造成的离心压缩机静动部件碰磨。

4.本发明在不改变原有推力轴承箱内部结构的前提下，能够增加推力轴承的承载能力，有效减少推力滑动轴承烧瓦事故的发生几率。由于电磁推力轴承的附加作用，可减小止推盘和推力滑动轴承的尺寸，使离心压缩机的空间更紧凑。

5.电磁推力轴承与止推盘不接触，没有摩擦，功耗仅为传统球轴承或滑动轴承的1/20～1/5，所以电磁推力轴承和推力滑动轴承的组合可降低整个推力轴承的能耗。

6.电磁轴承的发热损耗会影响其性能和应用范围，大量的热量可能使环形定子铁芯和止推盘间的间隙变小，可能会有接触碰撞的危险。但本发明中用于推力滑动轴承润滑的液体介质，可带走电磁推力轴承长时间运行产生的热量，从而不需要额外的冷却结构设计。

附图说明

图1为推力滑动轴承结构示意图。

图2为一种离心压缩机轴位移故障自愈调控装置示意图。

图3为带推力滚动轴承的电磁推力轴承结构图。

图4为一种离心压缩机轴位移故障自愈调控装置的控制系统图。

图中：1-轴承体；2-下水准块；3-温度传感器；4-止推盘；5-调整垫；6-轴端密封；7-轴；8-轴位移传感器；9-推力轴瓦；10-上水准块；11-锁紧环；12-卡圈；13-键；14-漆包线圈；15-环形定子铁芯；16-滚柱；17-保持架；18-副推力滑动轴承；19-主推力滑动轴承；20-电磁推力轴承；21-推力滚动轴承；22-控制组件；23-控制器；24-功率放大器；25-电流传感器。

具体实施方式

典型推力滑动轴承结构如图1所示，由轴承体1、止推盘4、轴端密封6、轴9以及主推力滑动轴承19和副推力滑动轴承18组成。主推力滑动轴承19和副推力滑动轴承18在主推力滑动轴承19和副推力滑动轴承18均由下水准块2、推力轴瓦9、上水准块10、调整垫5。止推盘4、主推力滑动轴承19和副推力滑动轴承18都安装在轴承体1上。止推盘4通过锁紧环11、卡圈12和键13固定在轴7上。主推力滑动轴承19和副推力滑动轴承18在止推盘4的两侧，相互之间无摩擦。轴承体1的内部充满润滑液体介质，由轴端密封6密封。

本发明的一种滑动与电磁组合型推力轴承示意图如图2所示，电磁推力轴承20用于替代副推力滑动轴承18，由主推力滑动轴承19、电磁推力轴承20、推力滚动轴承21和控制组件22组成。电磁推力轴承包括漆包线圈14和环形定子铁芯15。推力滚动轴承21包括滚柱16和保持架17。控制组件22包括温度传感器3、轴位移传感器8、控制器23和功率放大器24。

在本发明中，如图3所示，在环形定子铁芯15上按照顺时针或者逆时针方向缠绕漆包线圈14，通过在漆包线圈14中通入电流使得电磁推力轴承20的环形定子铁芯15磁化，产生电磁力。推力滚动轴承21的滚柱16铆合在保持架17上，具体如图3所示。滚柱16比环形定子铁芯高0.1～0.2mm，用于保护电磁推力轴承20的环形定子铁芯15免受止推盘4的碰磨。

为实现本发明的功能，一种滑动与电磁组合型推力轴承的控制系统图如图4所示，控制原理如下：

本发明首先将温度参考信号和位移参考信号输入到控制器中，并通过轴位移传感器8监测止推盘4和轴7的轴向位移，通过温度传感器3监测主推力滑动轴承19的温度。在工况变化导致主推力滑动轴承19的推力轴瓦9温度升高或轴7的轴向位移变大，即超出温度参考信号和位移参考信号的预设值后，控制器23分析反馈的采集信号，通过功率放大器24向电磁推力轴承20提供一路电流控制信号，改变电流传感器25监测的漆包线圈14内电流，控制作用在止推盘4上的电磁力大小，在智能调控轴7的轴向位移基础上，减小主推力滑动轴承19所受的轴向载荷，从而降低主推力滑动轴承19的推力轴瓦9温度，避免主推力滑动轴承19的主推力轴瓦9温度过高，防止烧瓦事故的发生。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换。而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。