重型磁悬浮电子轴承在高压气体中运行摩擦功耗的计算方法及系统与流程

本技术涉及重型高精度磁悬浮电子轴承，尤其涉及重型磁悬浮电子轴承在高压气体中运行摩擦功耗的计算方法及系统。

背景技术：

1、摩擦功耗是衡量重型高精度磁悬浮电子轴承性能的核心指标之一，直接影响轴承的运行效率、温升控制、使用寿命、电子元件稳定性及悬浮精度，尤其在高压气体运行环境下，高压气体对轴承各运动部件的摩擦影响显著——高压气体的高密度、高粘度特性会加剧运动部件的粘性摩擦与剪切摩擦，同时高压气体压力差会产生附加挤压摩擦，摩擦功耗过大不仅会导致能耗激增，还会引发轴承温升过高、悬浮精度偏移，甚至导致电子控制单元失效、高压气体泄漏等安全隐患。例如，在高温气冷堆氦风机的磁悬浮轴承运行中，高压氦气的阻尼作用会显著影响轴承摩擦功耗，进而影响风机运行稳定性；在超导转子磁悬浮装置中，高压氦气虽能传递产热、抑制共振，但同时会产生阻力矩，增加摩擦功耗，影响转子驱动效率。因此，准确计算高压气体运行环境下重型高精度磁悬浮电子轴承的摩擦功耗，对轴承的结构优化、悬浮控制策略调整、润滑方案设计及高压装备的节能降耗、安全稳定运行具有重要意义。

2、目前，现有技术中针对磁悬浮轴承摩擦功耗的计算方法多适用于轻型磁悬浮轴承或常压环境下的普通磁悬浮轴承，主要考虑常规滚动摩擦、滑动摩擦及简单润滑摩擦，未充分结合重型高精度磁悬浮电子轴承的核心特性及高压气体运行环境的影响。

3、一方面，重型高精度磁悬浮电子轴承采用高精度磁悬浮支撑方式，其摩擦功耗不仅来源于机械本体的摩擦，还包括磁悬浮执行机构与机械本体之间的微米级悬浮间隙摩擦、电子元件与重载机械结构的接触摩擦、润滑系统与磁悬浮机构相互作用产生的附加摩擦，以及高速重载运行时电子元件与高压气体、润滑介质之间的拖拽摩擦等特殊摩擦形式；另一方面，高压气体环境会显著改变轴承周围介质的物理特性，气体密度、动力粘度随压力升高大幅变化，同时高压气体对轴承运动部件产生显著的挤压摩擦及压力差附加摩擦，现有计算方法未考虑高压气体参数的影响，也未适配高精度悬浮的微米级间隙特性，计算模型的适应性和精度均无法满足高压气体运行环境下重型高精度磁悬浮电子轴承的测算需求。

4、此外，重型高精度磁悬浮电子轴承的摩擦功耗还受悬浮控制电流、微米级悬浮间隙、润滑介质粘度变化及高压气体压力波动等因素的耦合影响，现有计算方法未引入这些专属影响参数，尤其是未考虑高压气体与高精度悬浮、重载工况的耦合效应，导致计算结果偏差较大，无法准确反映轴承在高压气体环境下的实际运行能耗。同时，现有技术中针对磁悬浮轴承的摩擦功耗计算未单独核算高压气体介质本身对轴承各运动部件产生的摩擦功耗、高压气体压力带来的附加摩擦功耗，也未结合高压气体流动过程中的局部损耗与摩擦损耗特性，无法直接迁移应用于高压气体运行环境下的重型高精度磁悬浮电子轴承。另外，现有间隙测量方法多为离线监测，无法实时捕捉高压、高速工况下悬浮间隙的动态变化，进一步影响摩擦功耗计算精度。因此，亟需提出一种能够高精度计算摩擦功耗的方案。

技术实现思路

1、本技术提供重型磁悬浮电子轴承在高压气体中运行摩擦功耗的计算方法及系统，以至少解决现有技术中计算偏差大、适应性差、未考虑高压气体与高精度悬浮、重载耦合效应的技术问题。

2、本技术第一方面实施例提出一种重型磁悬浮电子轴承在高压气体中运行摩擦功耗的计算方法，所述方法包括：

3、获取重型高精度磁悬浮电子轴承的基础参数、磁悬浮特性参数、工况参数及高压气体参数；

4、根据所述基础参数、磁悬浮特性参数、工况参数及高压气体参数，分别计算机械摩擦功耗、磁悬浮附加摩擦功耗、电子附加摩擦功耗、润滑摩擦功耗、高压气体介质摩擦功耗及高压气体压力摩擦功耗；

5、对所述机械摩擦功耗、磁悬浮附加摩擦功耗、电子附加摩擦功耗、润滑摩擦功耗、高压气体介质摩擦功耗及高压气体压力摩擦功耗进行求和，得到总摩擦功耗；

6、对所述总摩擦功耗进行重载-高精度悬浮-高压气体耦合修正，得到高压气体运行环境下重型高精度磁悬浮电子轴承实际运行状态下的摩擦功耗计算值。

7、优选的，所述基础参数包括：重型高精度磁悬浮电子轴承机械本体参数、电子元件参数及专用润滑参数；

8、所述磁悬浮特性参数包括：悬浮间隙、悬浮控制电流、悬浮精度参数；

9、所述工况参数包括：运行转速、径向重载、轴向载荷及运行温度；

10、所述高压气体参数包括：高压气体绝对压力、气体压力波动量、气体介质密度、气体动力粘度、气体介质流速。

11、其中，所述重型高精度磁悬浮电子轴承机械本体参数包括：滚动体直径、滚动体数量、滚动体与滚道的摩擦系数及滚动体与保持架的摩擦系数；

12、所述电子元件参数包括：电子元件与机械本体的接触面积、接触压力、接触摩擦系数及电子元件的迎风面积；

13、所述专用润滑参数包括：润滑剂动力粘度、润滑区域体积、润滑脂填充质量、润滑脂与机械本体的摩擦系数、润滑介质循环流量及润滑介质与管道及轴承部件的摩擦系数；

14、所述悬浮间隙为0.05~1.25mm，所述悬浮精度参数为悬浮间隙波动量≤±5μm，所述高压气体绝对压力为1.2~5.0mpa，所述径向重载范围为1000~50000n，所述运行转速范围为500~3000r/min。

15、进一步的，所述机械摩擦功耗的计算式如下：

16、p1=p11+p12

17、式中，p1为机械摩擦功耗，p11为滚动摩擦功耗，p12为滑动摩擦功耗，p11=k1×n×f×d×μ1×ε×ζ，p12=k2×n×z×fc×μ2×ε×ζ，k1为滚动摩擦系数修正因子，n为轴承运行转速，f为总载荷，，为径向重载，为轴向载荷，d为滚动体直径，μ1为滚动体与滚道的摩擦系数，ε为重载弹性变形修正系数，ζ为高精度悬浮修正系数，k2为滑动摩擦系数修正因子，z为滚动体数量，fc为单个滚动体与保持架之间的接触力，μ2为滚动体与保持架的摩擦系数，fc=f/z×1.1。

18、所述磁悬浮附加摩擦功耗的计算式如下：

19、p2=k3×i²×n×δ×θ

20、式中，p2为磁悬浮附加摩擦功耗，k3为磁悬浮摩擦修正因子，i为悬浮控制电流，δ为悬浮间隙，θ为高压气体修正系数。

21、所述电子附加摩擦功耗的计算式如下：

22、p3=p31+p32

23、式中，p3为电子附加摩擦功耗，p31为接触摩擦功耗，p32为气流拖拽摩擦功耗，p31=k5×n×s×fn×μ3×σ，p32=k6×ρ气×a电×v³×θ，k5为电子接触摩擦修正因子，s为电子元件与机械本体的接触面积，fn为电子元件与机械本体的接触压力，μ3为电子元件与机械本体的接触摩擦系数，σ为重载安装应力修正系数，k6为拖拽摩擦修正因子，ρ气为高压气体介质密度，a电为电子元件的迎风面积，v为轴承运行线速度；

24、所述润滑摩擦功耗的计算式如下：

25、p4=p41+p42+p43

26、式中，p4为润滑摩擦功耗，p41为润滑剂的粘性摩擦功耗，p42为润滑脂搅动摩擦功耗，p43为润滑介质循环摩擦功耗，p41=k7×η×n²×v×ε×θ，p42=k8×n×m×μ4×ε，p43=k9×n×q×μ5×θ，k7为粘性摩擦修正因子，η为润滑剂在当前运行温度及高压环境下的动力粘度，v为润滑区域的体积，k8为搅动摩擦修正因子，m为润滑脂填充质量，μ4为润滑脂与机械本体的摩擦系数，k9为循环摩擦修正因子，q为润滑介质循环流量，μ5为润滑介质与管道、轴承部件的摩擦系数；

27、所述高压气体介质摩擦功耗的计算式如下：

28、

29、式中，p5为高压气体介质摩擦功耗，k10为高压气体介质摩擦修正因子，为高压气体介质动力粘度，为轴承运动部件与高压气体介质的接触总面积，为高压气体介质作用长度，为高压气体介质流速，为高压气体介质作用间隙；

30、所述高压气体压力摩擦功耗的计算式如下：

31、

32、式中，为高压气体压力摩擦功耗，为高压气体压力摩擦修正因子，为高压气体绝对压力，为高压气体压力波动量。

33、进一步的，所述对所述总摩擦功耗进行重载-高精度悬浮-高压气体耦合修正，得到高压气体运行环境下重型高精度磁悬浮电子轴承实际运行状态下的摩擦功耗计算值，包括：

34、根据所述运行温度计算温度修正系数，根据所述运行转速计算转速修正系数，根据所述总载荷计算重载修正系数，根据所述悬浮间隙计算高精度悬浮间隙修正系数，根据所述高压气体绝对压力计算高压气体压力修正系数；

35、根据所述温度修正系数、转速修正系数、重载修正系数、高精度悬浮间隙修正系数及高压气体压力修正系数确定耦合修正系数；

36、将所述总摩擦功耗与所述工况-悬浮-高压气体耦合修正系数相乘，得到所述重型高精度磁悬浮电子轴承在高压气体中运行的实际摩擦功耗计算值。

37、进一步的，所述温度修正系数的计算式如下：

38、kt=1+0.006×(t-25)

39、式中，kt为温度修正系数，t为运行温度；

40、所述转速修正系数的计算式如下：

41、kn=1+0.0015×(n-1000)

42、式中，kn为转速修正系数；

43、所述重载修正系数的计算式如下：

44、kf=1+0.003×(f-1000)

45、式中，kf为重载修正系数；

46、所述高精度悬浮间隙修正系数的计算式如下：

47、kδ=1+0.02×(0.25-δ)

48、式中，kδ为高精度悬浮间隙修正系数

49、所述高压气体压力修正系数的计算式如下：

50、kp=1+0.005×(p气-1.2)

51、式中，kp为高压气体压力修正系数。

52、进一步的，所述耦合修正系数的计算式如下：

53、k=kt×kn×kf×kδ×kp

54、式中，k为耦合修正系数。

55、进一步的，所述高压气体修正系数根据高压气体绝对压力调整，取值范围为1.03-1.12；

56、所述滚动摩擦系数修正因子k1的取值范围为0.002-0.006；

57、所述滑动摩擦系数修正因子k2的取值范围为0.003-0.007；

58、所述磁悬浮摩擦修正因子k3的取值范围为0.001-0.003；

59、所述电子接触摩擦修正因子k5的取值范围为0.002-0.005；

60、所述拖拽摩擦修正因子k6的取值范围为0.001-0.0025；

61、所述粘性摩擦修正因子k7的取值范围为0.004-0.008；

62、所述搅动摩擦修正因子k8的取值范围为0.003-0.006；

63、所述循环摩擦修正因子k9的取值范围为0.002-0.004；

64、所述高压气体介质摩擦修正因子k10的取值范围为0.0008-0.0015；

65、所述高压气体压力摩擦修正因子k11的取值范围为0.0006-0.0012；

66、所述重载弹性变形修正系数ε的取值范围为1.05-1.25；

67、所述高精度悬浮修正系数ζ的取值范围为1.02-1.10；

68、所述重载安装应力修正系数σ的取值范围为1.03-1.15；

69、所述高压气体介质作用间隙=1.5-2.0δ，δ为悬浮间隙。

70、进一步的，所述基础参数通过所述重型高精度磁悬浮电子轴承的设计图纸获取；

71、所述工况参数、磁悬浮特性参数及高压气体参数通过所述重型高精度磁悬浮电子轴承集成的高精度传感器实时采集，采集频率为5-10hz；

72、所述悬浮间隙通过高精度位移传感器与量子传感器协同采集，测量精度≤±1μm，实现间隙基准的动态校正；

73、所述悬浮控制电流通过电子控制单元采集，所述径向重载与轴向载荷通过高精度压力传感器采集，所述高压气体介质密度、气体动力粘度通过高精度气体传感器采集，所述高压气体绝对压力、气体压力波动量通过高精度压力传感器采集，测量精度≤±0.001mpa；

74、所述轴承运动部件与高压气体介质的接触总面积s气=s滚动体+s保持架+s旋转面，其中s滚动体为所有滚动体表面积之和，s保持架为保持架迎风表面积，s旋转面为内圈与外圈旋转表面面积之和。

75、本技术第二方面实施例提出一种重型磁悬浮电子轴承在高压气体中运行摩擦功耗的计算系统，包括：

76、获取模块，用于获取重型高精度磁悬浮电子轴承的基础参数、磁悬浮特性参数、工况参数及高压气体参数；

77、第一计算模块，用于根据所述基础参数、磁悬浮特性参数、工况参数及高压气体参数，分别计算机械摩擦功耗、磁悬浮附加摩擦功耗、电子附加摩擦功耗、润滑摩擦功耗、高压气体介质摩擦功耗及高压气体压力摩擦功耗；

78、第二计算模块，用于对所述机械摩擦功耗、磁悬浮附加摩擦功耗、电子附加摩擦功耗、润滑摩擦功耗、高压气体介质摩擦功耗及高压气体压力摩擦功耗进行求和，得到总摩擦功耗；

79、修正模块，用于对所述总摩擦功耗进行重载-高精度悬浮-高压气体耦合修正，得到高压气体运行环境下重型高精度磁悬浮电子轴承实际运行状态下的摩擦功耗计算值。

80、本技术第三方面实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面实施例所述的方法。

81、本技术的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

82、本技术提出了重型磁悬浮电子轴承在高压气体中运行摩擦功耗的计算方法及系统，所述方法包括：获取重型高精度磁悬浮电子轴承的基础参数、磁悬浮特性参数、工况参数及高压气体参数；根据所述基础参数、磁悬浮特性参数、工况参数及高压气体参数，分别计算机械摩擦功耗、磁悬浮附加摩擦功耗、电子附加摩擦功耗、润滑摩擦功耗、高压气体介质摩擦功耗及高压气体压力摩擦功耗；对所述机械摩擦功耗、磁悬浮附加摩擦功耗、电子附加摩擦功耗、润滑摩擦功耗、高压气体介质摩擦功耗及高压气体压力摩擦功耗进行求和，得到总摩擦功耗；对所述总摩擦功耗进行重载-高精度悬浮-高压气体耦合修正，得到高压气体运行环境下重型高精度磁悬浮电子轴承实际运行状态下的摩擦功耗计算值。本技术提出的技术方案，通过全面考虑机械摩擦、磁悬浮附加摩擦、电子附加摩擦、润滑摩擦、高压气体介质摩擦及高压气体压力摩擦，并引入修正系数，实现了精准计算。

83、本技术附加的方面以及优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。