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建陶宽体窑炉之辊棒

现状    

辊道窑,经过我国科研单位多年的努力,辊棒的材料高温平直度以及生产工艺终于取得突破。我国的金刚辊棒为代表(还有金环、三英等自主知识品牌)的辊道窑辊棒,畅销国内外,同时在辊道窑窑炉宽体化的发展进程中也发挥了重要作用。

尽管异形辊棒在窑炉产品高温传输过程中取得了重大突破,但是毫无疑问地,随着辊道窑炉的进一步宽体化,异形辊棒始终要面对辊棒间隙的设计上限以及辊棒材料的高温荷重极限的问题。是的,现阶段碳化硅等新型材料在辊棒的广泛应用无疑是一个可行的解决方案,但是是否没有其他路径可选呢?

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电磁悬浮轴承是典型的机械电子学产品, 机械电子学是融机械工程、电气工程、计算机科学于一体的跨学科工程领域。电磁悬浮轴承是利用磁力实现无接触的新型轴承,具有无接触、不需要润滑和密封、振动小、使用寿命长、维护费用低等一系列优点,属于高技术领域。电磁悬浮轴承技术的发展是由于现代工业对新一代支承技术的需求推动的。随着现代工业的发展,对旋转机械提出了各种越来越苛刻的性能要求。在能源化工机械中,要求转子的旋转速度和精度越来越高、转子和定子之间的间隙越小越好以追求更高的效率。而对另一些工作在极端高温或低温环境下的军工、航空航天领域的旋转机械来说,除了要求能够承受严酷的环境考验之外,对于支承的可控性、安全及可靠性的考虑往往是第1位的。

据笔者了解到得相关电磁悬浮轴承技术显示,磁浮轴承系统主要由被悬浮物体、传感器、控制器和执行器四大部分组成 , 见上图  。其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。上图 是一个简单的磁浮轴承系统,电磁铁绕组上的电流为 I ,它对被悬浮物体产生的吸力和被悬浮物体本身的重力( mg )相平衡,被悬浮物体处于悬浮的平衡位置,这个位置也称为参考位置。假设在参考位置上,被悬浮物体受到一个向下的扰动,它就会偏离其参考位置向下运动,此时传感器检测出被悬浮物体偏离其参考位置的位移,控制器将这一位移信号变换成控制信号,功率放大器使流过电磁绕组上的电流变大,因此,电磁铁的吸力也变大,从而驱动被悬浮物体返回到原来的平衡位置。如果被悬浮物体受到一个向上的扰动并向上运动,此时控制器和功率放大器使流过电磁铁绕组上的电流变小,因此,电磁铁的吸力也变小,被悬浮物体也能返回到原来的平衡位置。

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能否将军工、航天领域的电磁悬浮轴承应用于辊道窑炉的辊棒中呢?毕竟,这是迄今为止,能够同时满足辊棒高温荷重性要求,并可投入实际工程应用的支承技术当首推被动控制的电磁轴承(被动磁浮轴承( passive magnetic bearing ),简称 PMB)啊。悬浮系统的刚度、阻尼以及稳定性由控制规律决定。刚度和阻尼可在物理极限范围内广泛地变动,亦可根据技术要求进行调节,甚至可以在运行过程中加以改变。因此,电磁悬浮轴承拥有许多传统轴承所不具备的优点。

(1) 可以达到较高的转速:理论上讲,电磁悬浮轴承支承的转子至高转速只受到转子材料的限制。通常,在相同的轴颈直径下,电磁悬浮轴承所达到的转速比滚动轴承大约高5倍,比流体动压滑动轴承大约高2.5倍。

(2) 摩擦功耗较小:曾对一台压缩机采用不同支承时的功耗做过比较,在10000r/min时,其功耗大约只有流体动压滑动轴承的10% ~ 20%。

(3) 寿命长、可靠性高:由于电磁悬浮轴承依靠磁场力悬浮转子,因此在相对运动表面之间不接触,没有磨损和接触疲劳所带来的寿命问题。电子元器件的可靠性大大高于机械零部件,所以电磁悬浮轴承的寿命和可靠性均高于传统轴承。

(4) 无需润滑 : 电磁悬浮轴承不存在润滑剂对环境所造成的污染问题,省去了润滑油的存储、过滤、加温、冷却及循环等成套设备。因此从整体上讲,电磁悬浮轴承在价格和空间上完全可以和常规轴承技术相竞争。

(5) 适应性好:对极端高温、极端低温运行环境都具有很好的适应性。

(6) 可控性 : 电磁悬浮轴承的静态及动态性能都是在线可控的。

(7) 可测试、可诊断、可在线工况监测: 事实上,电磁轴承悬浮本身就是集工况监测、故障诊断和在线调节于一体的。

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1、辊棒中电磁悬浮轴承的断电保护

假如PMB(被动磁浮轴承 passive magnetic bearing )能够安装在辊棒内支撑窑炉辊棒正常转动,那么在这些辊棒中的电磁悬浮轴承,如何保护轴承占有十分重要的地位。也就是说轴承断电或者故障时如何启动应急轴承。在系统发生故障时,对转子的应急保护主要由备用保护轴承来提供。在电磁悬浮轴承突然断电后,高速旋转的转子迅即进入“无支撑”状态,这时需要通过信号反馈启动相邻的另外一个电磁悬浮轴承,以确保宽体辊道窑炉的正常运作不受到影响。

2、电磁悬浮轴承的国内外现状

(1)、国外现状

西方国家已有十几家电磁悬浮轴承的新公司诞生,几十家已有的公司在生产与电磁悬浮轴承有关的产品,并且有公司开始将产品向中国市场推进,在磁轴承技术领域,国外的领先公司主要有S2M公司和瑞士的Mecos公司。当前,国际上对电磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。1988 年召开了第1届国际磁悬浮轴承会议,此后每两年召开一次。1991年,美国航空航天管理局还召开了第1次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。现在美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力,推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。

(2)、国内现状

国内对电磁悬浮轴承的研究工作起步较晚,刚刚走出实验室阶段,落后国外约20年。我国有关磁悬浮轴承研究的进展较缓慢。不过,由于电磁悬浮轴承在一些特殊场合具有突出的优势,据了解,相关研究一直在清华大学,西安交通大学,南京航空航天大学,上海大学等高校开展,也取得了许多研究成果,但是主要在理论方面进行分析和研究,工业应用目前还几乎没有。

空想一下行吗(电磁悬浮轴承在辊道窑辊棒中应用的技术性和经济性分析)

1、技术性分析  

随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展,经过多年的研究工作,国内外对电磁悬浮轴承技术的研究都取得了很大的进展。但是不论是在理论还是在产品化的过程中,该项技术都存在很多的难题,磁悬浮轴承在窑炉辊棒中得到应用所需解决的难题则主要表现在控制系统上和轴承在辊棒内的绝热保护上(因为从目前的技术水平看,国内的电磁悬浮轴承技术应用在常温的设备上应该已经具备了条件)。

2、经济性分析

目前在工业领域得到广泛应用的基本上都是传统的电磁悬浮轴承 ( 需要位置传感器的磁悬浮轴承 ) ,这种轴承需要 5 个或 10 个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在,使电磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大,而且成本高、可靠性低。由于结构的限制,传感器还不能装在电磁悬浮轴承的中间,使系统的控制方程相互耦合,控制器设计更为复杂。此外,由于传感器的价格较高,从而导致电磁悬浮轴承的售价很高,肯定会限制了它在陶瓷窑炉领域的推广应用。 如何降低磁悬浮轴承的价格,将是是国际上的热点研究课题。


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