導(dǎo)語

油膜軸承因其承載性能好，工作穩(wěn)定可靠、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，對油膜軸承故障機(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)子在工作時失穩(wěn)。

油膜渦動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，但不產(chǎn)生大幅度的振動；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子由于共振而有較大的振幅；越過第一臨界轉(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，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。

       對于重載轉(zhuǎn)子，因?yàn)檩S頸在軸承中相對偏心率較大，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性好，低轉(zhuǎn)速時并不存在半速渦動現(xiàn)象，甚至轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍的第一臨界轉(zhuǎn)速時，也不會立即發(fā)生很大的振動，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，才突然發(fā)生油膜振蕩。

       中載轉(zhuǎn)子在過了一階臨界轉(zhuǎn)速后會出現(xiàn)半速渦動，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，振幅也不會下降。

(2) 油膜振蕩時，軸頸中心的渦動頻率為轉(zhuǎn)子一階固有頻率。

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

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

油膜渦動與油膜振蕩的防治措施

1. 設(shè)計上盡量避開油膜共振區(qū)

       首先，在設(shè)計機(jī)組時就要避免轉(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。從這個方面來看，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—單個軸承載荷；d—軸頸直徑；l—軸承長度。

       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，因而軸頸相對于軸瓦內(nèi)表面來說，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。幾個瓦塊在周向上的聯(lián)合作用，穩(wěn)住了軸頸的渦動，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容易發(fā)生油膜振蕩。橢圓形軸承的軸瓦是由上下兩個圓弧組成的，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。對于多油楔軸承，多個油楔產(chǎn)生的預(yù)負(fù)荷作用把軸頸緊緊地約束在轉(zhuǎn)動中心，可以較好地減弱轉(zhuǎn)子的渦動。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的油膜力。從軸頸渦動與穩(wěn)定性的討論中已經(jīng)知道，造成轉(zhuǎn)子渦動的不穩(wěn)定力是一個與轉(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)是軸瓦由多個活動塊組成（以5塊瓦居多），每塊瓦均有一個使瓦塊可以自由擺動的支點(diǎn)，瓦塊按載荷方向自動調(diào)整，使瓦上的油膜反力通過軸頸中心。由于這個特殊功能，當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界激勵因素干擾，軸頸暫時偏離原來位置時，各瓦塊可按軸頸偏移后的載荷方向自動調(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)子渦動的切向油膜力。其次，軸承由幾個獨(dú)立的瓦塊組成，油膜不連續(xù)，因此，大幅度渦動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，對于一個已經(jīng)不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子，降低油溫，增加油膜對轉(zhuǎn)子渦動的阻尼作用，有時對降低轉(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減少油膜渦動的影響，與軸承間隙大小有關(guān)。如果振動隨油溫升高而增大，多數(shù)原因是由于軸承間隙過大；如果振動隨油溫升高而減小，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

       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)摩擦等原因也會使軸承油膜失穩(wěn)。此外，聯(lián)軸器不對中、軸承與軸頸不對中、工作流體對轉(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，并針對具體原因采取相應(yīng)對策。