ISO 14839-52022 机械振动.装有主动磁性轴承的旋转机械的振动.第5部分触地轴承标准立项发展报告

机械振动装有主动磁性轴承的旋转机械的振动第5部分：触地轴承标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:MechanicalVibration—VibrationofRotatingMachineryEquippedwithActiveMagneticBearings—Part5:Touch-downBearings摘要主动磁性轴承（ActiveMagneticBearings,AMB）作为旋转机械领域的一项革命性支撑技术，凭借其无接触、无润滑、可控刚度与阻尼等显著优势，已在透平机械、飞轮储能、压缩机、泵及航空航天高速旋转设备中获得了日益广泛的应用。然而，主动磁性轴承系统在运行过程中不可避免地面临失稳、过载或控制系统故障等异常工况，此时转子与定子之间可能发生直接接触，造成灾难性损坏。触地轴承（Touch-downBearings）作为系统的最后一道安全屏障，其性能直接关系到整机安全与人员财产安全。然而，触地轴承的振动行为、试验方法与评定准则长期缺乏统一的国际规范，制约了该领域技术的发展与国际交流。在此背景下，国际标准化组织（ISO）发布了ISO14839-5:2022《机械振动装有主动磁性轴承的旋转机械的振动第5部分：触地轴承》，填补了该领域的国际标准空白，为设计、制造、试验和运维提供了权威依据。本报告对该标准的立项背景、核心内容及行业影响进行系统阐述，并重点介绍主导制定该标准的施耐德电气工业公司的技术实力与标准研制贡献，旨在为标准宣贯、国际对标及行业推广提供系统性参考。关键词：机械振动；主动磁性轴承；触地轴承；ISO14839；国际标准；旋转机械；振动评定Keywords:Mechanicalvibration;Activemagneticbearings;Touch-downbearings;ISO14839;Internationalstandards;Rotatingmachinery;Vibrationevaluation1引言1.1主动磁性轴承技术发展与标准化需求主动磁性轴承是一种利用可控电磁力使转子实现无接触悬浮的新型高性能轴承。与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，主动磁性轴承具有无摩擦损耗、无需润滑、转速高、振动小、寿命长、刚度和阻尼可实时调节等突出优点，同时具备状态监测和故障诊断的先天便利性。自20世纪70年代以来，主动磁性轴承在工业应用中经历了从实验室验证到工业化批量应用的跨越式发展。当前，在石油化工行业的大型透平压缩机组、天然气管线输送压缩机、余热发电膨胀机、高速电机、飞轮储能系统、航天惯性执行机构以及舰船推进系统等高端装备领域，主动磁性轴承已成为不可替代的关键支撑部件。然而，任何机电系统都不可能做到绝对可靠。在电网波动、控制参数失配、转子过临界转速时的过大不平衡响应、意外载荷冲击或传感器/功率放大器故障等情形下，主动磁性轴承的悬浮力输出可能不足以维持转子的稳定悬浮，导致转子跌落并与定子发生接触。若无专门设计的保护措施，高速旋转的转子与定子之间将发生剧烈的摩擦和碰撞，在极短时间内造成轴承、密封、叶轮乃至整机的报废，甚至引发严重的安全事故。因此，在主动磁性轴承系统设计中，必须设置触地轴承（Touch-downBearings，亦称备用轴承或保护轴承）作为安全保护装置。触地轴承在系统正常运行时不参与工作，与转子保持一定的保护间隙；仅在主动磁性轴承失效或超载时，承接跌落转子，保护定子和转子免受损坏，并支撑转子安全停机。触地轴承的设计水平、动态性能和试验验证方法，直接决定了主动磁性轴承系统的整体安全性与可靠性。尽管触地轴承如此重要，但在ISO14839-5:2022发布之前，国际上尚缺乏专门针对触地轴承振动性能的统一标准。已有的ISO14839系列标准中，第1部分规定了装有主动磁性轴承的旋转机械的振动词汇，第2部分规定了恒定转速下振动限值，第3部分规定了平衡品质要求，第4部分包含了轴振动、术语和许用限值等内容，但均未触及触地轴承的专用技术要求。各制造厂商依据自身经验进行触地轴承的设计和试验，技术要求和验收准则差异较大，给设备选型、质量评定和国际技术交流带来了不容忽视的障碍。1.2ISO14839-5:2022标准概况ISO14839-5:2022《机械振动装有主动磁性轴承的旋转机械的振动第5部分：触地轴承》（Mechanicalvibration—Vibrationofrotatingmachineryequippedwithactivemagneticbearings—Part5：Touch-downbearings）由国际标准化组织于2022年8月15日正式发布。该标准属于ISO14839系列标准的第5部分，其制定工作由ISO/TC108（机械振动、冲击和状态监测技术委员会）负责，具体由SC2（对机器、车辆、结构的机械振动和冲击的测量与评定分技术委员会）推进，并吸纳了来自多个国家的工业界和学术界专家深入参与。该标准的发布填补了主动磁性轴承触地保护领域国际标准化的空白，标志着主动磁性轴承技术标准化体系的重要完善。标准涵盖了触地轴承在主动磁性轴承系统中的功能定位、设计要求、振动测试方法和评定准则等核心内容，旨在为触地轴承的设计者、制造商、系统集成商、最终用户和检测认证机构提供一套统一、科学的技术规范。2标准立项背景与必要性2.1行业发展现状与标准真空主动磁性轴承技术在工业各领域的应用已有数十年历史，但与其相关的国际标准体系在相当长的时期内呈滞后状态。ISO14839系列标准从2002年开始逐步建立，依次发布了词汇定义、振动限值、平衡品质和轴振动等部分，为主动磁性轴承的设计和运行提供了基础性规范。然而，一系列实际工程问题凸显出该系列标准的不足：当主动磁性轴承因为外部干扰或内部故障发生跌落时，触地轴承能否有效承接转子并保证系统安全？触地轴承在承接过程中承受多大的冲击载荷与振动？如何通过试验验证触地轴承的性能？触地轴承的磨损寿命如何评定？这些问题在此前缺乏统一的技术规范。在工程实践中，不同制造商对触地轴承的理解和设计要求差异甚大。部分厂家采用圆柱滚子轴承作为触地轴承，部分采用滑动轴承或干摩擦轴承；保护间隙的设定、轴承游隙的选择、润滑/干运转策略、试验工况和合格判据等缺乏一致认识。这种情况给用户选型、技术比较和工程验收带来了很大困惑，也对主动磁性轴承技术在更广泛领域的推广造成了一定的制约。2.2ISO14839-5:2022的立项意义ISO14839-5:2022的制定和发布具有多重重要意义：第一，填补标准空白。该标准是ISO14839系列中首个专门针对触地轴承的国际标准，填补了主动磁性轴承安全保护装置标准化领域的空白，使ISO14839系列标准体系更加完整和系统化。第二，统一技术准则。标准明确了触地轴承的振动术语、测试方法和评定准则，有助于统一各制造厂商的设计和试验要求，促进技术交流与质量对比，为国际贸易和技术合作提供共同语言。第三，保障设备安全。通过规范触地轴承的振动评定方法，有助于提高主动磁性轴承系统在异常工况下的保护性能和安全性，降低设备损坏和安全事故风险。第四，推动技术创新。标准的发布为触地轴承的设计优化、新材料应用和智能监测技术的研发提供了基准框架，有利于激发行业技术创新活力。3标准主要内容ISO14839-5:2022在ISO14839系列标准的整体框架下，针对触地轴承的特殊性进行了系统规定。标准的核心内容涵盖了以下几个主要方面：3.1触地轴承的功能定位与设计要求标准开篇明确了触地轴承在主动磁性轴承系统中的功能定位——作为主动磁性轴承失效或过载情况下的最终保护装置，触地轴承应具备以下几项基本功能：-在主动磁性轴承正常工作时，触地轴承与转子之间保持规定的保护间隙，不参与承载且不产生接触；-当转子发生跌落时，触地轴承在尽可能短的时间内平稳承接转子，限制转子的径向位移，避免转子与定子发生直接碰撞；-承接转子后，触地轴承能支撑转子完成安全停机过程，在停机过程中保持足够的承载能力和结构完整性；-在多次跌落事件中，触地轴承应保持可接受的工作性能和寿命。在设计要求方面，标准对触地轴承的结构形式选择、材料选用、保护间隙设计、承载能力计算、润滑/干运转条件等提出了原则性要求，强调触地轴承设计必须与主动磁性轴承控制系统的跌落检测与保护策略协同匹配，确保跌落过程中转子动能的有效耗散。3.2振动测试方法与评定准则振动测试是评定触地轴承性能的关键手段。ISO14839-5:2022对触地轴承的振动测试提出了系统的规范：在测试方法上，标准规定了触地轴承振动测试的试验台配置、测试工况和测量参数。测试过程中应模拟主动磁性轴承失效后转子的跌落过程，测量触地轴承在承接过程中的振动响应，包括振动位移、振动速度和振动加速度等关键参数。标准还明确了传感器的安装位置、测量频率范围和信号处理方法等技术细节。在评定准则方面，标准引入了分区评定的方法框架，将触地轴承的振动水平划分为不同的区域，包括良好运行区、允许运行区、报警区和危险区等。不同区域的振动限值根据轴承型式、转子质量、转速和保护间隙等因素综合确定。这一评定框架为触地轴承振动性能的诊断和验收提供了清晰的技术依据。3.3评估循环与耐久性要求考虑到触地轴承在跌落事件中经历的是强冲击、高载荷、短时运转等极端工况，标准对触地轴承的评估循环和耐久性提出了要求。标准规定了触地轴承在型式试验中应承受的跌落次数和每次跌落试验后的性能检查要求，以确保触地轴承在实际使用中具备足够的可靠性和重复使用能力。3.4标准的适用范围与使用场景ISO14839-5:2022适用于装有主动磁性轴承的各种旋转机械中使用的触地轴承，包括但不限于透平压缩机、透平膨胀机、泵、电机、飞轮储能系统等。标准适用于新制造的触地轴承的型式试验和出厂检验，也适用于在役触地轴承的状态评估和故障分析，为设备的全生命周期管理提供了支撑。3.5与其他标准的协调关系ISO14839-5:2022与ISO14839系列的其他部分保持协调一致，在术语定义、测量方法和评定框架上遵循统一的逻辑。同时，该标准还与ISO10817（旋转机械轴振动测量）、ISO10816（机械振动评价）等通用振动标准保持衔接，形成了一套从支撑系统到保护装置的完整振动评定体系。4主要参与单位介绍4.1标准研制的主导力量——施耐德电气工业公司在ISO14839-5:2022的研制过程中，施耐德电气工业公司（SchneiderElectricIndustrialSAS）充分发挥了技术引领和统筹协调的重要作用，是标准制定的核心贡献单位之一。施耐德电气工业公司是施耐德电气集团旗下的重要业务单元。施耐德电气作为全球能源管理与自动化领域数字化转型的领先企业，在工业控制、能源管理、关键电源及自动化解决方案方面拥有深厚的技术积淀和全球化布局。施耐德电气隶属于法国，业务遍及全球100多个国家和地区，在能源管理（中低压、关键电源）、工业自动化、楼宇自动化和数据中心等领域拥有举足轻重的市场地位，致力于以创新技术推动产业绿色低碳转型和数字化升级。在主动磁性轴承技术领域，施耐德电气工业公司长期致力于高速旋转机械的主动磁悬浮技术和保护轴承技术的研发与工程应用。公司的研究团队在主动磁性轴承系统设计、高速电机集成、转子动力学分析、跌落保护和触地轴承试验验证等方面积累了丰富的工程经验和核心技术。其产品广泛应用于石油化工、天然气输送、制冷空调、储能和发电等领域的透平机械和高速电机设备中。在ISO14839-5:2022的编制过程中，施耐德电气工业公司的技术专家深度参与了标准框架的构建、技术指标的论证和试验方法的验证，承担了关键技术内容的起草工作。公司利用其在高转速、大功率旋转机械主动磁性轴承系统中积累的大量跌落试验数据和工程案例，为标准中振动评定分区、试验工况设定和耐久性要求等核心条款的科学制定提供了重要支撑。施耐德电气工业公司还积极协调欧洲及全球范围的行业资源，广泛征集各利益相关方的意见，推动标准在技术可行性和行业普适性之间实现良好平衡，为标准的顺利发布作出了突出贡献。4.2标准制定的国际协作机制ISO14839-5:2022的制定过程充分体现了国际标准化工作开放、透明、协商一致的基本原则。在ISO/TC108/SC2的组织框架下，来自中国、德国、日本、美国、法国、英国、韩国等国家的标准化专家共同参与了标准的讨论和评审。各参与方在触地轴承的试验工况设置、振动评定指标选择、术语定义等方面进行了多轮深入的技术研讨，最终在充分协商的基础上达成一致。中国作为主动磁性轴承技术的重要应用市场和研究力量，在标准制定过程中积极贡献了来自透平机械和飞轮储能等领域的工程经验和研究成果，为提升标准对新兴应用场景的适用性发挥了积极作用。5结论与展望5.1标准价值总结ISO14839-5:2022《机械振动装有主动磁性轴承的旋转机械的振动第5部分：触地轴承》作为ISO14839系列标准的重要组成部分，填补了主动磁性轴承保护装置领域国际标准的长期空白。该标准的发布具有多方面的深远意义：在技术层面，标准为触地轴承的设计、试验和评定提供了系统、科学的技术框架，有助于统一行业认识，推动触地轴承技术的规范化发展。通过明确触地轴承振动测试方法和评定准则，标准为产品性能的客观比较和质量控制提供了权威依据。在产业层面，标准的实施将促进主动磁性轴承技术在更广泛工业领域的推广应用。统一的技术规范有利于降低用户的技术门槛和选型风险，增强市场对主动磁性轴承系统的信心，推动高速旋转机械向更高效、更可靠、更智能的方向发展。在安全层面，标准对触地轴承性能和可靠性的规范要求，将有效提升主动磁