導(dǎo)語(yǔ)

油膜軸承因其承載性能好，工作穩(wěn)定可靠、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)油膜軸承故障機(jī)理的研究工作也比較廣泛和深入。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上使用的液體動(dòng)壓軸承有承受徑向力的徑向軸承和承受軸向力的止推軸承兩類。由于油膜振蕩故障危害極大，因此，必須了解產(chǎn)生油膜不穩(wěn)定工作的原因、故障機(jī)理和特征，采取措施防止轉(zhuǎn)子在工作時(shí)失穩(wěn)。

油膜渦動(dòng)與油膜振蕩具有以下特征：

起始失穩(wěn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的相對(duì)偏心率有關(guān)，輕載轉(zhuǎn)子在第一臨界轉(zhuǎn)速之前就可能發(fā)生不穩(wěn)定的半速渦動(dòng)，但不產(chǎn)生大幅度的振動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子由于共振而有較大的振幅；越過(guò)第一臨界轉(zhuǎn)速后振幅再次減少，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振幅增大并且不隨轉(zhuǎn)速的增加而改變，即發(fā)生了油膜振蕩。

       對(duì)于重載轉(zhuǎn)子，因?yàn)檩S頸在軸承中相對(duì)偏心率較大，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性好，低轉(zhuǎn)速時(shí)并不存在半速渦動(dòng)現(xiàn)象，甚至轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍的第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，也不會(huì)立即發(fā)生很大的振動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍的第一臨界轉(zhuǎn)速之后的某一轉(zhuǎn)速時(shí)，才突然發(fā)生油膜振蕩。

       中載轉(zhuǎn)子在過(guò)了一階臨界轉(zhuǎn)速后會(huì)出現(xiàn)半速渦動(dòng)，而油膜振蕩則在二倍的第一臨界轉(zhuǎn)速之后出現(xiàn)。

油膜振蕩還具有以下特征：

(1) 油膜振蕩在一階臨界轉(zhuǎn)速的二倍以上時(shí)發(fā)生。一旦發(fā)生振蕩，振幅急劇加大，即使再提高轉(zhuǎn)速，振幅也不會(huì)下降。

(2) 油膜振蕩時(shí)，軸頸中心的渦動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子一階固有頻率。

(3) 油膜振蕩具有慣性效應(yīng)，升速時(shí)產(chǎn)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速和降速時(shí)油膜振蕩消失時(shí)的轉(zhuǎn)速不同。

(4)油膜振蕩為正進(jìn)動(dòng)，即軸心渦動(dòng)的方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同。

油膜渦動(dòng)與油膜振蕩的防治措施

1. 設(shè)計(jì)上盡量避開油膜共振區(qū)

       首先，在設(shè)計(jì)機(jī)組時(shí)就要避免轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在二倍的第一階臨界轉(zhuǎn)速以上運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@樣容易由軸承油膜不穩(wěn)定引起渦動(dòng)與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)自振頻率相重合而引發(fā)油膜振蕩。從這個(gè)方面來(lái)看，轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在二倍的第一臨界轉(zhuǎn)速以下，可以提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。對(duì)于一些高轉(zhuǎn)速的離心式機(jī)器，由于結(jié)構(gòu)上的原因，可能超過(guò)二倍第一臨界轉(zhuǎn)速，這類轉(zhuǎn)子容易引起油膜失穩(wěn)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性計(jì)算，并采用抗振性較好的軸承。

2. 增加軸承比壓

       軸承比壓是指軸瓦工作面上單位面積所承受的載荷，即

   （1）

       式中P—單個(gè)軸承載荷；d—軸頸直徑；l—軸承長(zhǎng)度。

       從式(1)可以看出，在軸承載荷尸不變的情況下，增加軸承比壓的手段主要有減小軸徑d或縮短軸承長(zhǎng)度l。這將導(dǎo)致軸承承載能力系數(shù)Ψp提高，轉(zhuǎn)子趨于低速重載形式。一般軸承比壓取0.1～1. 5MPa，對(duì)離心式壓縮機(jī)組等一些高速輕載軸承，軸承比壓一般較低，為0.3～1.0MPa。

       增加比壓值等于增大軸頸的偏心率，提高油膜的穩(wěn)定性。重載轉(zhuǎn)子之所以比輕載轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，就是因?yàn)橹剌d轉(zhuǎn)子偏心率大，質(zhì)心低，比較穩(wěn)定。因此，對(duì)一些已經(jīng)引起油膜失穩(wěn)的轉(zhuǎn)子，常用的方法是把軸瓦的長(zhǎng)度減?。捎密囅鞣椒ǎ?，以增大軸承比壓，提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

3. 減小軸承間隙

       試驗(yàn)表明，如果把軸承間隙減小，則可提高發(fā)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速。其實(shí)減小的間隙c，就相對(duì)增大了軸承的偏心率ε，ε=e/c。

4. 控制適當(dāng)?shù)妮S瓦預(yù)負(fù)荷

       軸承預(yù)負(fù)荷定義為：

   （2）

       式中c—軸承平均半徑間隙；Rp —軸承內(nèi)表面曲率半徑；Rs—軸頸半徑。

圖1  軸瓦的預(yù)負(fù)荷

       圖1表示軸瓦對(duì)軸頸的預(yù)負(fù)荷作用。

       預(yù)負(fù)荷為正值，表示軸瓦內(nèi)表面上的曲率半徑大于軸頸半徑，因而軸頸相對(duì)于軸瓦內(nèi)表面來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于起到增大偏心距的作用，在每塊瓦塊上油楔的收斂程度更大，迫使油進(jìn)入收斂形間隙中，增加油楔力。幾個(gè)瓦塊在周向上的聯(lián)合作用，穩(wěn)住了軸頸的渦動(dòng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，這就是軸瓦的預(yù)負(fù)荷作用。對(duì)于圓柱軸承，因?yàn)閏=Rp-RS,預(yù)負(fù)荷值Pk=0,所以這種軸承就相對(duì)容易發(fā)生油膜振蕩。橢圓形軸承的軸瓦是由上下兩個(gè)圓弧組成的，其曲率半徑大于圓柱瓦，軸頸始終處于瓦的偏心狀態(tài)下工作，預(yù)負(fù)荷值較大。在油楔力作用下，軸頸的垂直方向上受到一定約束力，因而其穩(wěn)定性比圓柱瓦高。對(duì)于多油楔軸承，多個(gè)油楔產(chǎn)生的預(yù)負(fù)荷作用把軸頸緊緊地約束在轉(zhuǎn)動(dòng)中心，可以較好地減弱轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)。幾種多油楔軸承的示意圖如圖13所示。其中五油楔可傾瓦軸承是目前大型高速離心壓縮機(jī)組、蒸汽透平最常用的軸承型式。

圖2  多油楔軸承示意圖

      了解軸瓦上的預(yù)負(fù)荷作用，在修刮軸瓦時(shí)就要注意不要把軸瓦刮成預(yù)負(fù)荷值為負(fù)數(shù)（瓦面曲率半徑小于軸承內(nèi)圓半徑），否則將會(huì)增加油膜的不穩(wěn)定性。

5. 選用抗振性好的軸承

       從軸承結(jié)構(gòu)形式上分析，圓柱軸承雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便的優(yōu)點(diǎn)，但其抗振性能最差，因?yàn)檫@種軸承缺少抑制軸頸渦動(dòng)的油膜力。從軸頸渦動(dòng)與穩(wěn)定性的討論中已經(jīng)知道，造成轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的不穩(wěn)定力是一個(gè)與轉(zhuǎn)子位移方向相垂直的切向力，此力在圓柱軸承中受到的阻尼最小，轉(zhuǎn)子一旦失穩(wěn)，就比較難控制。多油楔軸承因?yàn)檩S頸受到周圍幾個(gè)油膜力的約束，就像周向上分布的幾只彈簧壓住軸頸，由此可知，橢圓軸承的穩(wěn)定性優(yōu)于圓柱軸承，多油楔軸承的穩(wěn)定性優(yōu)于橢圓軸承。

       膨脹機(jī)、蒸汽透平輪機(jī)和離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子多屬高速輕載轉(zhuǎn)子，容易引起油膜失穩(wěn)，因而多數(shù)采用抗振性更為優(yōu)良的可傾瓦軸承。這種軸承的特點(diǎn)是軸瓦由多個(gè)活動(dòng)塊組成（以5塊瓦居多），每塊瓦均有一個(gè)使瓦塊可以自由擺動(dòng)的支點(diǎn)，瓦塊按載荷方向自動(dòng)調(diào)整，使瓦上的油膜反力通過(guò)軸頸中心。由于這個(gè)特殊功能，當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界激勵(lì)因素干擾，軸頸暫時(shí)偏離原來(lái)位置時(shí)，各瓦塊可按軸頸偏移后的載荷方向自動(dòng)調(diào)整位置，使油膜合力與外載荷相平衡，這樣就不存在加劇轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的切向油膜力。其次，軸承由幾個(gè)獨(dú)立的瓦塊組成，油膜不連續(xù)，因此，大幅度渦動(dòng)的可能性也就比較小。

圖3  可傾瓦軸承

6. 調(diào)整油溫

       適當(dāng)?shù)厣哂蜏?，減小油的黏度，可以增加軸頸在軸承中的偏心率，有利于軸頸穩(wěn)定。另一方面，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子，降低油溫，增加油膜對(duì)轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的阻尼作用，有時(shí)對(duì)降低轉(zhuǎn)子振幅有利。

       由此可見，采取升高油溫還是降低油溫的措施來(lái)減少油膜渦動(dòng)的影響，與軸承間隙大小有關(guān)。如果振動(dòng)隨油溫升高而增大，多數(shù)原因是由于軸承間隙過(guò)大；如果振動(dòng)隨油溫升高而減小，則可能是軸承間隙太小所造成。

       改善軸承油膜穩(wěn)定性除了上述幾種措施之外，還有改變轉(zhuǎn)子剛度與軸承座剛度（相當(dāng)于提高一階臨界轉(zhuǎn)速）、提高供油壓力采用擠壓油膜軸承。軸承采用多路供油以及軸承內(nèi)表面開油槽、上瓦筑油壩等辦法。

結(jié)語(yǔ)

       必須指出，高速轉(zhuǎn)子的軸承油膜失穩(wěn)，除了軸承本身固有特性會(huì)引起油膜振蕩之外，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中工作流體的激振、密封中流體的激振、軸材料內(nèi)摩擦等原因也會(huì)使軸承油膜失穩(wěn)。此外，聯(lián)軸器不對(duì)中、軸承與軸頸不對(duì)中、工作流體對(duì)轉(zhuǎn)子周向作用力不平衡等，都有可能改變各軸承的載荷分配，使本來(lái)可以穩(wěn)定工作的軸承油膜變得不穩(wěn)定，因此，需要從多方面尋找引起油膜失穩(wěn)的原因，并針對(duì)具體原因采取相應(yīng)對(duì)策。