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油膜振荡的特征及判别方法

油膜振荡的特征及判别方法 2011： 摘要：油膜振荡是大型机电设备出现故障较多的原因之一，本文主要对机电设备中出现油膜振荡的特征及判别方法加以总结论述，以便尽可能地避免油膜振荡的产生，提高机电设备的利用率和生产效率，减少设备的维修时间。关键词：油膜振荡；设备故障；故障检测1　涡动转轴的涡动通常有惯性涡动、液力涡动和气隙涡动等［1］。对于轴颈轴承受到动载荷时，轴颈会随着载荷的变化而移动位置。移动产生惯性力，此时，惯性力也成为载荷，且为动载荷，取决于轴颈本身的移动。轴颈轴承在外载荷作用下，轴颈中心相对于轴承中心偏移一定的位置而运转。当施加一扰动力，轴颈中心将偏离原平衡位置。若这样的扰动最终能回到原来的位置或在一个新的平衡点保持不变，即此轴承是稳定的；反之，是不稳定的。后者的状态为轴颈中心绕着平衡位置运动，称为“涡动”。涡动可能持续下去，也可能很快地导致轴颈和轴承套的接触，稳定性是轴颈轴承的重要性能之一，是由于惯性作用的主要例证。惯性涡动是由于转子系统的不平衡重量引起的惯性离心力P强迫引起的涡动。图1所示，矢量P与瞬时轴的动态挠度oH的夹角ψ表示惯性涡动的不同位置，夹角ψ随轴的转速nW变化。对于小的nW值，ψ接近于零，当轴的转速小于临界转速时，ψ由零增加至90°，此时力P可以分解成作用在挠度方向oH上的力Pr和垂直于OH的力Pt。Pr与轴的弹性变形后生成的弹性力相平衡；而Pt则没有与之平衡的固定力，于是被迫形成“同步涡动”。当轴的转速达到临界转速nk时，涡动达到极值；若转速继续增加，超过临界转速nk后，涡动减小。此时， Pr与挠度方向相反，产生自动对中现象，这是柔性轴的特征。

图1　惯性涡动

由此可知，涡动振幅oH与力P、角度ψ及接触介质有关。液力涡动又称流体涡动，它是由于轴颈与轴瓦之间润滑油层中液动力所强迫造成的涡动。图2是一经过理想动平衡(S=H)轴的径向轴颈，且有旋转速度nW。若使该轴无任何横向力作用，那么轴颈位于轴承的中心位置即(H=o)。当由于某种原因，轴颈中心作以半径为oH的圆旋转时，润滑层内产生不对称的压力场，它的合力在图中由RQ表示，同时，在轴颈上作用有与oH方向相同的离心力P。此两个力合成为力Q，力Q可分解为与轴的弹性挠曲力平衡的力Qr和不平衡力Qt，此力将引起流体涡动。

图2　液力涡动原理

对于流体涡动只能发生在流体润滑状态，且为弹性转子系统的不稳定时刻。对于柔性轴工作的稳定性条件已由Hori推导出［1］，他区分了两种流体涡动，即小的油膜振荡和大的油膜振荡。对于最简单的涡动速度分析，设轴颈中心的涡动转速为Ω，润滑剂为常密度，若不考虑压力梯度的影响，根据流量平衡条件，由图3c可得，进入控制空间单位轴承宽度的体积流量和离开控制空间的体积流量分别为(Rωj-eΩ)(c+e)/2和(Rωj+eΩ)(c-e)/2,此二者之差应该等于轴颈移动造成的控制空间的容积增长率，即2ReΩ，则得

图3　轴颈的涡动倾向

式中，R为轴承半径；e为偏心距；c为半径间隙。从而解得Ω=ωj/(2+c/R)≈ωj/2　　(2)由此，当轴颈偏离平衡位置，单从流量来考虑，涡动转速为自转转速的一半或稍小。偏心率(偏心距与半径间隙之比)越小，上式越精确。在偏心率大时，压力梯度的影响越来越显著，上式就不能用了。由于偏心率增大有利于轴承的稳定性，所以上式在一般计算中是不能完全反映问题的。 2　油膜振荡机理研究的发展油膜振荡是由于滑动轴承中的油膜作用而引起的旋转轴的自激振荡，可产生与转轴达到临界转速时同等的振幅或更加激烈。油膜振荡不仅会导致高速旋转机械的故障，有时也是造成轴承或整台机组破坏的原因。在日本和中国都有过由于油膜振荡而出现机组破坏的实例。油膜振荡从1925年由Newkirk B L和Taylor H D首先提出以来［2］，经过了从认识到深化理解的长期发展过程，到目前已经基本成熟，能较深刻地揭示油膜振荡的本质。1925年Newkirk和Taylor发现了由用滑动轴承支持的旋转轴，当转速达到转轴的临界转速的两倍以上时，基于某种边界条件，引起转轴的激烈甩动。停止给油，转子甩动即停止，恢复给油，甩动即恢复。从而发现甩动的原因来自于油膜。且论述如下：(1) 油膜振荡发生于转轴两倍临界转速以上，其甩动方向与转轴旋转方向一致；(2) 油膜振荡的甩转角速度与转轴旋转角速度无关，约等于转轴临界转速时的角速度；(3) 油膜振荡与转轴在临界转速下产生的振动不同，一旦发生，转速增加也不会停止；(4) 缩短轴承宽度则不易发生油膜振荡；(5) 轴承的支承若做成自动调心式，在安装轴的两端轴承时使其有少量的不同心度，对于防止油膜振荡也有一定的作用。1956年Newkirk B L和Lewis J F发表论文称，在工作转速达5倍临界转速时尚未产生油膜振荡。同年，Pinkus O提到，在大量实验里证实了油膜振荡的“惯性效应”，即当没有油膜振荡时，即使提高转轴的转速也可维持原状；而当产生油膜振荡时，虽然降低转速，油膜振荡仍有继续下去的倾向。同时，有人提出，当转轴工作转速低于不稳定转速时，若加以冲击也可能会出现激烈的油膜振荡现象。在发生油膜振荡后对振幅的变化，Newkirk和Taylor则指出，油膜振荡一旦发生，伴随转轴转速的上升将愈为激烈，以后似乎没有稳定区；但也有人说，提高转速后振幅会减小。日本油膜振荡学者堀幸夫在实验中也有类似的发现。同时人们还提到在某些情况下转轴的稳定与不稳定状态被一段短暂的振荡所分开。润滑油的粘度系数(或油温)对油膜振荡的影响也成为争论的问题。多数学者认为油温愈高也即粘性愈小愈不容易引起油膜振荡，但也有相反意见。Pinkus还特别提出温热的油和冷油对油膜振荡都具有稳定作用。姚福生院士在东方汽轮机厂工作期间，处理汽轮机油膜振荡问题及在大量实验的基础上也观察到上述结果，对这些油膜振荡稍加处理就会立即消失，采用了提高轴承进油温度、改变轴承垂直和水平间隙、改变轴承宽度、改变轴承形式等手段。总之，油膜振荡的产生与多种因素有关，概括起来如下［3～8］：(1) 轴系结构设计　它影响转轴的刚度，也即影响临界转速；同时也影响转轴的载荷分布及轴的挠曲程度；转轴在工作过程中偏心率的大小将影响其临界转速，同时也影响轴承的工作条件，即轴承的工作性能。(2) 轴承负载　大型汽轮发电机组轴系安装时，是在转子不旋转的状态下，按制造厂家提供的挠度曲线和规范，调整轴承中心位置找正的。但在运行过程中，由于机组的热变形，转子在油膜中浮起，以及真空度、地基不均匀下沉等因素的影响，轴系对中情况将发生变化，即标高产生起伏。因此，在热态下，机组轴承的负荷将重新分配，有可能使个别轴承过载，出现温升过高和烧瓦，个别轴承的负荷偏低，产生油膜振荡或其它异常振动。(3) 轴承进油温度　油温对油膜振荡有很大的影响，当其它条件不变时，油温高则油的粘度低，最小油膜厚度变小，轴承的工作点、油膜刚度和阻尼系数都将发生变化。一般情况下，油温高，最小油膜厚度小，偏心率大，轴承不易产生油膜振荡，即稳定转速提高的缘故。(4) 轴瓦间隙　轴瓦间隙影响轴承的稳定性，主要是由于影响轴承运行的最小间隙，最小间隙是稳定工作的重要依据。最小间隙越小，轴承工作越稳定。(5) 其它因素　根据国内外文献及实验说明，轴承紧力、支承座、基础的刚度等对轴系稳定性也有影响。定性地说，支承刚度、阻尼增大稳定性提高，特别是增大阻尼对提高稳定性有明显的作用，但目前还缺乏实验数据的支持。3　油膜振荡的判别油膜振荡的性质与不平衡振动有本质的区别，油膜振荡现象有以下特征：(1) 油膜振荡在转子一阶临界转速的两倍以上转速时发生，一旦发生振荡，振幅急剧加大，即使再提高转速，振幅也不会下降，如图4所示。强烈振动有时会导致烧瓦和轴系的破坏。

图4　油膜振荡

(2) 油膜振荡时，轴心涡动频率通常为转子一阶固有频率，振型为一阶振型。(3) 油膜振荡时，轴心涡动方向和转子旋转方向相同，为正向涡动。而干摩擦引起的自激为反向涡动。(4) 转速在一阶临界转速的两倍以下时可能产生半速涡动，涡动频率为转速的一半。半速涡动的振幅较小，若再提高转速则会发展成为油膜振荡，如图5所示。半速涡动通常在高速轻载轴承情况下发生。

图5　半速涡动油膜振荡

(5) 油膜振荡具有惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速与降速时油膜振荡消失的转速不相同，如图6所示。

图6　油膜振荡的惯性效应

6) 油膜振荡开始发生但还未发展为剧烈的自激振动时，轴心轨迹图形呈现紊乱状态，在一般情况下，正常工作时，轴心也是按一定的轨迹运动，其轨迹在小范围内变化。当油膜振荡发生时，振动逐步剧烈，轨迹的变化范围剧烈增大，且呈紊乱状态。(7) 油膜振荡时转轴将承受较大的交变应力，由油膜振荡产生的交变应力的频率是转轴旋转频率与轴心涡动频率的差。油膜振荡可根据上述特征进行判断。在实际中，以计算临界频率为依据，测量转轴的转速及振动或轴心轨迹，也可以测量轴上的作用力的变化，判断振动和轴心轨迹，预防油膜振荡发生，保证机器的正常运转。由此可知，防止油膜振荡的措施可从以下几方面着手，即①增大轴承载荷；②降低润滑油粘度；③改变轴承间隙；④改变轴承的结构形式等。4　结论以上对油膜涡动与油膜振荡的区别，在概念上的异同及它们的发展过程等作了论述。由上可知，油膜振荡对机电设备的危害极大，是滑动轴承实际应用中必须考虑的问题，同时，油膜振荡的影响因素又很多，在机械的运转过程中，根据油膜振荡产生的现象，应通过测量振动和轴心轨迹来预测油膜振荡产生的可能性，以保证机器的正常运行。

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