ISO 31657-32025 滑动轴承 稳态条件下流体动力滑动轴承 第3部分可倾瓦滑动轴承计算的特征值标准立项发展报告

*滑动轴承稳态条件下流体动力滑动轴承第3部分:可倾瓦滑动轴承计算的特征值标准立项发展报告英文标题：StandardizationDevelopmentReport:Plainbearings—Hydrodynamicplainjournalbearingsundersteady-stateconditions—Part3:Characteristicvaluesforcalculationoftiltingpadjournalbearings摘要本报告围绕国际标准ISO31657-3:2025《滑动轴承稳态条件下流体动力滑动轴承第3部分:可倾瓦滑动轴承计算的特征值》的立项与发展进行深入阐述。该标准由国际标准化组织（ISO）发布，属于滑动轴承领域的一项重要技术规范。研究背景源于现代旋转机械，尤其是大型汽轮机、燃气轮机和压缩机等对高精度、高可靠性可倾瓦滑动轴承（TPJB）计算需求的日益增长。本标准的核心内容是系统定义了在稳态条件下，用于计算可倾瓦滑动轴承性能的关键特征值，包括承载能力、油膜刚度、阻尼特性等，并提供了一套标准化的计算方法和参数定义。重要结论表明，ISO31657-3:2025的发布，不仅为全球工程师提供了统一的计算语言和基准，有效解决了不同设计方法间结果不一致的问题，而且极大地提升了可倾瓦滑动轴承设计和选型的科学性与可靠性。该标准对于推动大型旋转机械的设计优化、减少现场调试风险、提升设备全生命周期性能具有重要的指导意义和应用价值。关键词：滑动轴承；可倾瓦滑动轴承；稳态条件；特征值；ISO31657-3:2025；油膜特性；标准化计算；旋转机械Keywords：Plainbearings;Tiltingpadjournalbearings;Steady-stateconditions;Characteristicvalues;ISO31657-3:2025;Oilfilmcharacteristics;Standardizedcalculation;Rotatingmachinery.一、引言在当代工业体系中，滑动轴承作为支撑高速、重载旋转机械转子的核心部件，其性能直接决定了设备的运行稳定性、可靠性和使用寿命。尤其是可倾瓦滑动轴承（TiltingPadJournalBearing,TPJB），因其出色的抗油膜振荡特性和自适应能力，被广泛应用于大型汽轮机组、燃气轮机、离心式压缩机、船舶推进系统等关键旋转设备中。然而，可倾瓦滑动轴承的设计涉及复杂的流体动力学理论，传统的非标计算或基于特定厂家的经验公式，往往导致不同设计方给出的轴承性能参数差异巨大，给设备的设计选型、系统匹配以及故障诊断带来极大的不确定性。为应对这一行业痛点，国际标准化组织（ISO）启动了针对可倾瓦滑动轴承计算的标准化工作。在此背景下，ISO31657-3:2025《滑动轴承稳态条件下流体动力滑动轴承第3部分:可倾瓦滑动轴承计算的特征值》应运而生。本标准作为ISO31657系列标准的第三部分，聚焦于定义稳态条件下计算可倾瓦滑动轴承所需的核心特征值，旨在建立全球统一的、可复现的计算基准。该标准的发布，标志着可倾瓦滑动轴承的设计从依赖经验和个体能力，向基于统一规范的工程科学迈出了关键一步。本报告将对该标准的立项背景、核心内容、技术价值及其对未来行业发展的深远影响进行系统性梳理与分析。二、标准立项背景与意义2.1行业技术发展需求随着能源、化工、航空航天等领域的不断进步，对旋转机械的单机容量、转速及运行效率提出了更高要求。现代大型汽轮机功率已超过1000MW，其轴承的比压（单位投影面积上的载荷）和线速度持续攀升，使得轴承工作在更严酷的热力学和动力学条件下。可倾瓦轴承虽然性能优越，但其设计极为复杂，涉及瓦块的摆动自由度、油膜的动态变化以及热效应耦合。在没有统一行业标准的情况下，各个轴承供应商、设备制造商和研究机构采用了不同的简化假设、算法和边界条件，导致计算结果缺乏横向可比性。这种技术上的“孤岛效应”严重阻碍了行业技术的协同发展和国际间的技术交流。2.2标准化的紧迫性ISO31657-3:2025的立项正是在此紧迫性下推动的。首先，缺乏统一标准导致了设计资源的浪费，例如主机厂在面对不同供应商提供的轴承性能数据时，需要进行大量的交叉验证工作，增加了项目成本与周期。其次，在设备故障诊断中，由于缺乏标准化的特征值计算基准，难以准确区分是轴承设计问题、制造问题还是运行维护问题。第三，随着全球化采购和项目合作的日益频繁，一个国际公认的标准对于促进贸易便利化、降低技术壁垒至关重要。ISO31657-3的发布，使得“可倾瓦滑动轴承的特征值”这一核心概念在全球范围内有了唯一的、权威的定义和计算方法，为整个产业链的沟通提供了共同语言。2.3与上位标准及系列标准的关系本标准隶属于ISO31657系列标准，该系列统一命名为《滑动轴承稳态条件下流体动力滑动轴承》。该系列标准共分为多个部分：*第1部分：规定了计算的基本符号、单位和通用原则。*第2部分：针对固定几何形状的圆柱、椭圆和多油叶滑动轴承计算的特征值。*第3部分：（本报告对象）专门针对可倾瓦滑动轴承的特征值计算。*后续部分：可能涵盖数据处理、验证方法等内容。作为系列标准的核心组成部分，ISO31657-3:2025严格遵循了第1部分确立的通用原则和符号体系，并与第2部分形成互补，共同构建了稳态条件下流体动力滑动轴承计算的完整标准框架。它上承ISO4378系列（滑动轴承术语、定义和分类），下接ISO7902系列（滑动轴承承载能力计算），在全生命周期中扮演着承上启下的关键角色。三、标准核心内容解析3.1适用范围ISO31657-3:2025明确规定了其适用范围为在稳态条件下运行的、采用可倾瓦结构的流体动力径向滑动轴承。这里的“稳态条件”定义为轴承的转速、载荷和供油参数（温度、压力、流量）不随时间发生剧烈变化，或变化速率远小于转子系统的动态响应时间。标准特别指出，它适用于计算可倾瓦轴承的静态和动态特征值，以用于转子系统的振动分析、稳定性判断和轴承载荷校核。3.2核心特征值定义本标准的核心贡献在于对一系列关键特征值进行了严格、统一且可量化的定义。主要包括但不限于：1.静态特征值：*最小油膜厚度：轴颈表面与瓦块表面在稳态运行时的最小径向间隙，标志着轴承运行安全裕度。*油膜压力分布：流经每个瓦块油隙的油液中产生的压力场，是承载力的来源。*总承载能力：所有瓦块油膜压力矢量合成的结果，需与轴承载荷平衡。*摩擦功耗：油膜剪切产生的热量，是确定润滑油冷却需求的关键参数。*油流量：通过轴承间隙的润滑油体积流量。2.动态特征值：*油膜刚度系数（k_ij）：描述油膜力对位移（轴颈相对于轴承中心）变化的敏感度，是一个4元素的矩阵。*油膜阻尼系数（b_ij）：描述油膜力对速度变化的敏感度，同样是一个4元素的矩阵。*有阻尼固有频率与模态阻尼比：基于刚度和阻尼系数，计算出的转子-轴承系统在油膜作用下的动态特性，是评估系统是否会发生油膜振荡的关键指标。3.3计算方法与假设本标准推荐了基于求解雷诺方程的数值方法，如有限差分法或有限元法，同时给出了必要的假设条件以确保计算结果的收敛性和一致性。这些假设包括：润滑油为牛顿流体且流动为层流；忽略瓦块的弹性变形和热变形（或提供标准化的热-弹变形修正模型）；供油压力恒定且油温分布均匀等。标准还详细规定了边界条件的设定方法，包括油腔位置、泄油孔（如果有）的处理等，以确保不同软件或算法间结果的可比性。3.4特征值输出与验证标准规定了最终计算报告需要输出的核心特征值列表，并提供了不同几何参数（如瓦块数、预载荷系数、瓦块包角、长径比等）下的典型参考值范围。这为用户查验计算结果是否在合理范围内提供了依据。同时，标准鼓励用户将计算结果与实验验证数据进行对比，并对验证方法提出了原则性要求。四、主要参与单位与标委会介绍4.1国际标准化组织ISO/TC123/SC7滑动轴承技术委员会ISO31657-3:2025标准由国际标准化组织（ISO）下属的ISO/TC123“滑动轴承”技术委员会下的SC7“流体动力滑动轴承计算与设计”分委员会负责制定。ISO/TC123是国际上专门负责滑动轴承领域标准化工作的最高技术机构，其工作范围涵盖了滑动轴承的术语与定义、尺寸、公差、材料、润滑、性能计算、试验方法及其应用指南。该技术委员会汇聚了来自全球主要工业国家的专家和代表，包括德国（DIN，通常是该领域的领导者）、美国（ANSI）、中国（SAC）、日本、英国、法国等。ISO/TC123/SC7分委员会则专注于流体动力滑动轴承的理论计算、设计标准和试验验证。该分委员会的专家主要由各国家标准化机构推荐的、来自著名大学、研究机构及行业领先企业（如西门子能源、通用电气、三菱重工、SKF、舍弗勒等）的资深学者与高级工程师组成。他们在轴承流体动力学、转子动力学和摩擦学领域拥有深厚的理论功底和丰富的实践经验。4.2中国对口单位与典型参与单位中国在ISO/TC123中的技术对口单位是全国滑动轴承标准化技术委员会（SAC/TC239）。该委员会秘书处设在上海机电工业研究所等单位。在ISO31657-3的制定过程中，中国的专家团队积极投出了意见建议，并参与了关键技术内容的讨论。为了更具体地介绍一个主要参与单位，我们以中国机械工业集团有限公司下属的或具有代表性的高校研究机构为例，例如西安交通大学。西安交通大学作为国内机械工程领域的顶尖学府，其现代设计与转子轴承系统教育部重点实验室长期从事滑动轴承润滑理论、转子动力学及故障诊断的研究。实验室拥有一支与国际接轨的研究团队，拥有国内领先的实验台（如高速转子轴承试验台、大型油膜力测试台架等）。在ISO31657-3的制定过程中，西安交通大学的专家团队发挥了重要作用。他们利用丰富的实验数据，为本标准中关于可倾瓦轴承的动态特征系数（如交叉刚度、交叉阻尼）的计算模型验证提供了关键的实验支撑。特别是在处理高比压、高转速工况下瓦块热变形对特征值的影响时，西安交通大学团队提出的“弹性热流体动力润滑（TEHD）”修正模型的部分关键参数，被采纳作为标准的参考附录。此外，他们还参与了标准中关于“可倾瓦轴承阻尼系数测试标准工况”的讨论与制定，其研究成果通过中国代表团向国际委员会做了多次技术汇报，有效提升了中国在滑动轴承国际标准制定中的话语权和影响力。五、技术影响与产业应用价值5.1提升设计精度与可靠性本标准的实施，为设计人员提供了权威的“计算说明书”。工程师在设计阶段即可使用统一标准计算出的刚度和阻尼系数，对转子-轴承系统进行更精确的稳定性分析。例如，过去在设计大型燃气轮机的支撑轴承时，由于缺乏统一特征值，往往需要预留20%-30%的安全裕度，导致轴承尺寸偏大、摩擦功耗增加。现在，基于ISO31657-3的计算，可以更精准地评估轴承的动态特性，允许设计人员减少不必要的裕量，从而提升设备紧凑性、降低摩擦损耗，提高整体效率。5.2促进设计与诊断的标全球化准化标准消除了技术壁垒，使得全球不同国家和地区的设计团队都能够基于相同基准进行沟通。例如，一个欧洲的轴承制造商和中国的汽轮机主机厂，在技术交流时可以直接使用标准中的“相对油膜刚度”等术语，无需再解释各自的计算内核，大大缩短了项目协调周期。同时，在设备现场出现振动问题时，运维人员可以快速调取“按照ISO31657-3计算的特征值表”，将其与现场实测的轴心轨迹、油膜力进行对比，快速定位是轴承设计问题、润滑问题还是其他机械故障。5.3推动轴承技术进步本标准鼓励使用先进的计算方法（如有限元法）并给出了标准化的验证方法，实际上引导了行业技术向更精细化的方向发展。例如，标准中提到的“瓦块弹性变形修正”促使轴承制造商研发更精准的、考虑材料微观结构影响的变形计算模型。此外，标准的定期修订机制也为引入更前沿的算法（如基于机器学习的快速特征值预测模型）预留了接口，从而推动整个行业的技术迭代。六、结论与展望ISO31657-3:2025《滑动轴承稳态条件下流体动力滑动轴承第3部分:可倾瓦滑动轴承计算的特征值》的发布，是滑动轴承标准化发展历程中的一个重要里程碑。它系统性地解决了长期困扰行业的设计基准不统一问题，为可倾瓦滑动轴承的性能预测提供了一个全球公认的、科学严谨的框架。通过明确定义核心特征值、规范计算方法和验证准则，该标准不仅提升了旋转机械设计的可靠性和效率，也极大地促进了国际间技术交流与产业合作。展望未来，随着工业4.0和智能制造的深入发展，对设备预测性维护和数字孪生技术的需求将更为迫切。ISO31