ISO 12130-12021 滑动轴承 - 稳态条件下的液力平面可倾瓦推力轴承 - 第1部分可倾瓦推力轴承的计算标准立项发展报告

滑动轴承稳态条件下的液力平面可倾瓦推力轴承第1部分：可倾瓦推力轴承的计算标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:PlainBearings—HydrodynamicPlainTiltingPadThrustBearingsunderSteady-StateConditions—Part1:CalculationofTiltingPadThrustBearings摘要滑动轴承作为旋转机械的核心支撑部件，其性能直接关系到大型机组的安全性与可靠性。在诸多滑动轴承类型中，可倾瓦推力轴承因其优异的自调节能力和承载性能，被广泛应用于大型水轮发电机组、船舶推进系统、工业齿轮箱等关键旋转装备中。然而，长期以来，可倾瓦推力轴承的设计计算缺乏统一的国际标准，各国设计规范差异较大，给跨国装备制造和工程应用带来了诸多不便。在此背景下，国际标准化组织（ISO）发布了ISO12130-1:2021《滑动轴承——稳态条件下的液力平面可倾瓦推力轴承——第1部分：可倾瓦推力轴承的计算》。该标准系统规定了稳态工况下液力平面可倾瓦推力轴承的计算方法，涵盖轴承几何参数计算、载荷特性分析、润滑剂供给条件确定、最小油膜厚度计算及热平衡计算等核心内容，并给出了相应的计算符号、单位和修正系数。本报告对该标准的立项背景、编制历程、技术内容架构及其行业应用价值进行系统阐述。报告指出，该标准的实施填补了国际可倾瓦推力轴承计算标准的空白，为轴承设计人员提供了统一的技术依据，对提升旋转机械的设计水平与运行可靠性具有重要指导意义。关键词：滑动轴承；可倾瓦推力轴承；稳态条件；液力润滑；ISO12130；标准化一、引言1.1立项背景推力轴承是承受轴向载荷的关键部件，在大型旋转机械中发挥着不可替代的作用。与固定瓦推力轴承相比，可倾瓦推力轴承的瓦块能够随工况变化自动调节倾斜角度，从而形成更优的楔形油膜，具有承载能力高、功耗低、抗冲击性强等优点。随着现代旋转机械向大型化、高转速方向发展，对推力轴承的设计精度和运行可靠性提出了更高要求。然而，在ISO12130-1:2021发布之前，国际上尚缺乏专门针对可倾瓦推力轴承计算的统一标准。相关设计计算主要依赖各轴承制造商的经验公式和内部设计规范，不同企业之间的设计结果往往存在较大差异。这种标准化缺失不仅增加了设计验证成本，也制约了国际间的技术交流与合作。此外，随着计算流体力学和数值仿真技术的快速发展，工程界对更为精确、规范的轴承设计计算方法的需求日益迫切。1.2国内外标准现状在国际标准化层面，ISO/TC123（滑动轴承技术委员会）长期致力于滑动轴承领域各项标准的制修订工作。在推力轴承领域，此前已有ISO12130系列标准的其他部分以及相关术语标准和几何特征标准，但针对稳态条件下可倾瓦推力轴承的完整计算方法尚属空白。此次发布的ISO12130-1:2021正是填补了这一关键缺口。在国内，我国滑动轴承标准化技术委员会（SAC/TC236）已转化多项ISO滑动轴承标准为国家标准，但可倾瓦推力轴承计算标准此前亦无对应版本。ISO12130-1:2021的发布为我国相关国家标准的制修订提供了重要的参考依据。二、标准编制概况2.1编制过程ISO12130-1:2021由国际标准化组织ISO/TC123“滑动轴承”技术委员会（SC1“术语、定义及应用”分技术委员会）组织制定。该标准历经多轮草案讨论、国际函审和正式投票等阶段，汇聚了来自德国、中国、英国、日本、美国等多个国家的轴承专家和技术人员的智慧和经验，于2021年4月14日正式发布。标准在制定过程中充分吸纳了现代摩擦学研究和轴承设计实践的最新成果，并参考了DIN31653等德国工业标准中关于可倾瓦推力轴承计算的相关内容。2.2标准定位与适用范围ISO12130-1:2021为ISO12130系列标准的第1部分，该系列标准结构如下：-ISO12130-1：稳态条件下的液力平面可倾瓦推力轴承——第1部分：可倾瓦推力轴承的计算；-ISO12130-2：稳态条件下的液力平面可倾瓦推力轴承——第2部分：可倾瓦推力轴承运转中产生的功能；-ISO12130-3：稳态条件下的液力平面可倾瓦推力轴承——第3部分：可倾瓦推力轴承的许用运行参数。本部分（第1部分）作为系列标准的计算基础，为第2部分功能计算和第3部分许用参数确定提供了核心计算方法和数据支撑。该标准适用于稳态运行工况下，采用液力润滑的平面可倾瓦推力轴承的计算。所谓“稳态条件”，是指轴承在恒定载荷、恒定转速等稳定工况下运行的状态。标准主要针对以不可压缩液体（通常为润滑油）为润滑介质的可倾瓦推力轴承，涵盖其几何尺寸确定、承载能力计算、润滑参数计算和热平衡校核等完整计算流程。该标准适用于单向和双向运转的可倾瓦推力轴承，应用领域涵盖工业汽轮机、燃气轮机、水轮发电机、大型泵组、船舶推进轴系等旋转机械。2.3编制原则ISO12130-1:2021的编制遵循了以下基本原则：一是科学性，充分反映摩擦学领域的最新理论研究成果；二是实用性，兼顾理论计算的严谨性与工程应用的可行性；三是协调性，与ISO12130系列其他部分及ISO12131等相关标准保持技术内容上的协调一致；四是先进性，引入现代计算方法和设计理念，为未来技术发展预留空间。三、标准主要技术内容3.1标准总体框架ISO12130-1:2021的技术内容涵盖了可倾瓦推力轴承计算的完整流程，标准正文约含40页，其主要章节包括：范围、规范性引用文件、术语和定义、符号和单位、计算公式、计算步骤与示例等。为保证计算结果的准确性和可重复性，标准还对计算所需输入参数和输出结果作了明确规定。3.2术语和定义标准对可倾瓦推力轴承计算中的关键术语进行了统一定义，包括“可倾瓦推力轴承”的定义——支承面由若干可绕支点摆动的扇形瓦块组成的推力轴承，以及“瓦面”“支点”“倾斜角”“最小油膜厚度”等专业术语。这些统一定义为设计和工程应用中的技术交流奠定了共同语言基础。统一术语不仅有助于消除歧义，也便于设计软件开发和数值计算结果的对比验证。3.3符号体系标准建立了完整的符号体系，涉及几何参数、运动参数、载荷参数、润滑参数和热力参数等五大类。主要符号包括：轴承外径D、轴承内径d、瓦块数z、瓦张角、支点位置系数、轴承转速n、轴向载荷F、平均表面压力p、润滑油动力黏度η、最小油膜厚度h_min、摩擦功耗P_f等。每个符号均给出明确的定义和单位（国际单位制），确保计算过程的规范性和结果的可比性。该符号体系与ISO12130系列其他部分以及ISO12131系列（固定瓦推力轴承）保持了高度一致性，便于工程技术人员在各类轴承设计计算之间进行切换和对比。3.4轴承几何参数计算标准详细规定了可倾瓦推力轴承关键几何参数的计算方法，主要包括：-支承面平均直径D_m的计算，即D_m=(D+d)/2，作为后续计算的基础参数；-单个瓦块有效面积的计算，考虑瓦块张角和瓦面利用率等因素；-瓦块支点位置（径向和周向）的确定原则，标准给出了支点位置系数（通常为0.55~0.70周向位置）的推荐范围和调整依据；-瓦面曲率半径和润滑油进出口位置的确定。此外，标准还列有推荐的瓦块数选择表，供设计人员根据轴承直径和载荷条件合理选取瓦块数量。3.5载荷计算与承载能力确定承载能力计算是标准的核心内容之一。标准给出了基于流体动压润滑理论的计算模型，通过无量纲承载系数将轴承几何参数、运行参数和润滑油性能参数联系在一起。计算方法基于Reynolds方程，在引入适当假设条件后推导出适用于工程设计的简化解析公式。标准明确了以下主要计算步骤：-根据轴承平均表面压力p=F/(z·A)确定单位载荷水平；-计算轴承特性数（Sommerfeld数变体），用于确定轴承运行在流体润滑区域的判据；-通过承载系数与最小油膜厚度的关系曲线或公式，迭代求解最小油膜厚度h_min；-校核最小油膜厚度是否满足安全运行要求（通常需大于轴承表面粗糙度综合值的一定倍数）。3.6润滑剂供给条件确定可倾瓦推力轴承的正常运行离不开充足的润滑剂供给。标准对润滑剂供给条件的确定提出了明确要求，包括：润滑油流量Q的计算方法，考虑瓦块间空隙的填充流量和瓦块上游边缘的流入流量；润滑油黏度的选取原则，考虑温度对黏度的影响，推荐采用有效黏度计算方法；润滑油进口温度和压力的推荐范围；润滑油过滤精度要求等。标准指出，供油量不足或供油温度过高将导致油膜温度升高、承载能力下降，严重时可能引发轴承失效，因此润滑参数的合理确定与几何参数计算同等重要。3.7最小油膜厚度计算最小油膜厚度是衡量推力轴承运行安全性的关键指标。标准给出的最小油膜厚度计算公式基于热流体动力润滑理论，综合考虑了瓦块变形、润滑油温升和供油条件等因素的影响。计算中涉及的修正系数主要包括：-供油温度修正系数，反映进油温度偏离参考值时对油膜厚度的影响；-瓦块变形修正系数，考虑瓦块在热负荷和机械负荷作用下产生的热变形和弹性变形；-支点弹性变形修正系数；-润滑油黏温特性修正系数。标准同时给出了最小油膜厚度的许用判据，即h_min应大于轴承摩擦副表面粗糙度综合值和考虑污染物颗粒尺寸的安全裕度之和。这一判据为设计人员提供了直观的安全评价依据。3.8热平衡计算热平衡计算是保证推力轴承稳定运行的重要环节。标准规定了轴承摩擦功耗的计算方法、润滑油带走热量的计算方法以及轴承整体热平衡方程的建立方法。通过热平衡计算，可以确定轴承出口油温、瓦块平均温度和最高温度，从而验证轴承是否工作在润滑油的许用温度范围之内。若计算温度超出许用范围，则需要调整供油参数（增大流量、降低进油温度）或修改轴承几何参数（增大瓦面面积、增加瓦块数等），并重新进行迭代计算直至满足要求。3.9计算步骤汇总与示例为便于工程设计人员使用，标准在附录中给出了完整的计算步骤汇总（流程图形式），并提供了两个典型计算示例：一个针对大型水轮发电机组推力轴承，另一个针对工业齿轮箱推力轴承。示例中详细展示了从输入参数确定、中间量计算到最终结果校核的全过程，对正确理解和应用标准提供了有力支撑。四、主要起草单位介绍ISO12130-1:2021的制定汇聚了国际滑动轴承领域众多权威机构和专家的智慧。其中，德国FAG（现舍弗勒集团）滑动轴承研发中心作为ISO/TC123/SC1秘书处核心成员单位之一，在该标准的起草过程中发挥了极为重要的技术支撑作用。舍弗勒集团（SchaefflerGroup）是全球领先的轴承和工业零部件制造商，总部位于德国黑措根奥拉赫，拥有超过75年的滑动轴承研发和制造历史。其旗下INA和FAG品牌在滑动轴承领域享有盛誉。舍弗勒集团滑动轴承研发中心拥有一支由摩擦学专家、材料科学家和工程技术人员组成的高水平研发团队，在可倾瓦推力轴承的理论建模、数值仿真和试验验证方面积累了丰富经验。该中心早年参与制定了DIN31653等德国滑动轴承计算标准，为ISO12130-1:2021的起草奠定了坚实的技术基础。在ISO12130-1:2021的编制过程中，舍弗勒集团滑动轴承研发中心承担了以下关键工作：牵头起草了承载能力计算和最小油膜厚度计算的核心技术条款；提供了大量基于试验台架验证的设计计算数据和修正系数；组织开展了多轮次的国际实验室间比对计算（round-robincalculation），验证了标准计算方法的准确性和可重复性；协调了与ISO12130系列其他部分的接口一致性。该中心的多位资深专家长期担任ISO/TC123的注册专家，持续为滑动轴承国际标准的制修订贡献技术力量。舍弗勒集团在可倾瓦推力轴承领域的代表性产品广泛应用于全球范围内的水轮发电机组、舰船推进系统、大型压缩机等关键装备，其设计方法历经数十年的工程验证和持续优化，为ISO12130-1:2021的工程适用性提供了坚实保障。五、标准实施意义与展望5.1技术意义ISO12130-1:2021的发布具有重要的技术意义。首先，该标准为可倾瓦推力轴承的设计计算提供了统一的国际规范，填补了该领域国际标准的空白，使不同国家和地区的设计人员能够在同一技术框架下进行交流和比较。其次，标准所采用的计算方法融合了现代摩擦学理论和大量工程实践经验，既保证了理论严谨性，又兼顾了工程可操作性。再次，标准中引入的修正系数体系充分考虑了实际运行中的非理想因素，能够有效提高设计计算的准确性和可靠性。5.2经济意义从经济效益角度看，该标准的实施有助于降低轴承设计验证成本，缩短产品开发周期。统一的计算方法减少了重复计算和试验验证的需要，使轴承制造商能够更高效地进行产品开发和优化。对于轴承使用者而言，标准化的计算方法有助于更准确地评估轴承的运行状态和剩余寿命，为设备维护决策提供可靠依据，从而降低设备全生命周期成本。5.3对我国标准化工作的启示ISO12130-1:2021对我国滑动轴承标准化工作具有重要借鉴意义。一方面，我国应加快转化该国际标准为国家标准，使国内企业和科研机构能够及时采用国际