[发明专利]一种箔片动压径向气体轴承磨损寿命的预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种箔片动压径向气体轴承磨损寿命的预测方法，具体涉及一种基于失效物理(PoF)技术的磨损寿命预测方法，该预测方法利用箔片动压径向气体轴承的结构组成和工作原理信息，结合轴承工作环境、使用任务等影响因素模型，预测该类轴承寿命，属于气体轴承、可靠性技术领域。

背景技术

箔片动压径向气体轴承是一种典型动压轴承。动压轴承利用气体作为润滑介质，其表面具有一定的柔性，摩擦功耗低，运转平稳，能在低温和高温以及高转速等极限环境下运转，广泛使用在涡轮压缩机和涡轮膨胀机等机械设备中。由于动压气体轴承无辅助气源，在启动和停车过程中存在接触摩擦，导致轴承和箔片表面磨损。而轴承和箔片的磨损将制约气体轴承的功能性能，其磨损程度直接影响着气体轴承的工作寿命。

目前，轴承类或含轴承结构的设备，其寿命预测主要是通过检测设备状态，利用性能退化阈值预测设备剩余寿命。例如，公开号为CN101074966的中国发明专利申请，利用风扇某特定环境下的转速预测轴承磨损情况；公开号为CN1659427的中国发明专利申请，通过检测润滑剂的劣化状态和杂质的状态推断滚动轴承的寿命；公开号为CN102216862A的中国发明专利申请，根据对轴承状态的检测，预测其剩余寿命。而基于失效机理进行预测轴承寿命方法更为少见，所以本发明提出一种基于失效机理的箔片动压径向气体轴承寿命预测方法。

因此，本发明针对动压气体轴承在启停阶段的磨损问题，构建了轴承单次启停磨损量与速度、温度的关系；建立了基于随机过程的箔片动压径向气体轴承磨损寿命模型。

发明内容

1、目的：提供一种箔片动压径向气体轴承磨损寿命的预测方法，该方法结合轴承工作原理，有效预测该类轴承的磨损寿命。

2、技术方案：本发明一种箔片动压径向气体轴承磨损寿命的预测方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：确定轴承磨损部位及机理

依据在箔片动压径向气体轴承的启动过程或停车过程中轴承和转子接触表面处于固体滑动接触状态，两者间存在干摩擦和碰摩，本专利申请假设以此摩擦作为影响轴承磨损寿命的主要原因。

步骤二：确定轴承磨损主要影响因素

本专利申请假设轴承转子表面与箔片间的相对速度和表面温度是碰摩过程中磨损量的主要影响因素，因此量化摩擦速度和温度对材料摩擦系数的影响是建立轴承磨损寿命模型的基础。

步骤三：确定箔片动压径向气体轴承磨损寿命

依据轴承转子-箔片这对摩擦副在箔片动压径向气体轴承系统可靠性安全中的重要性，本专利申请假设箔片动压径向气体轴承系统的寿命由其组成单元中薄弱环节的寿命决定，即假设轴承摩擦副表面的寿命为箔片动压径向气体轴承的寿命。

步骤四：建立箔片动压径向气体轴承单次启停磨损量预测模型

(1)摩擦系数影响分析建模

在启停阶段，转速随着时间线性变化，而轴承转子与箔片间的摩擦系数也基本上保持随着时间线性变化，因此可以初步假定在气体轴承起飞速度范围内，该摩擦系数与转速呈简单线性反比关系。假设服从

f＝a_ωω+b_ω

其中，f是轴承转子与箔片间的摩擦系数，f＞0；a_ω是转速影响因子，a_ω＜0；ω是转子的转速，ω＜ω_liftoff，ω_liftoff是转子的起飞速度；b_ω是摩擦系数常数。假设转子起飞时，摩擦系数为零，即f＝a_ωω_liftoff+b_ω＝0。

由于环境温度也影响着该摩擦系数，基本呈反比关系。可初步假设在一定温度范围内，摩擦系数与环境温度呈简单线性反比关系，

f＝a_TT+b_T

其中，f是材料摩擦系数，f＞0；a_T是温度影响因子，a_T＜0；T是环境温度；b_T是摩擦系数常数。

在实际接触中，轴承转子与箔片间的摩擦系数会同时受到转速与温度的影响，对于这种机理耦合作用，本专利申请认为可采用串联模型简单化处理，即不考虑温度和转速之间相互影响关系。因此可进一步得到关于摩擦系数的综合函数，假定为，

f＝f(ω，T)＝(a_ωω+b_ω)(a_TT+b_T)

(2)启停阶段磨损建模