油膜轴承故障机理与诊断

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1、油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承因其承载性能好，工作稳定可靠、工作寿命长等优点，在各种机械、各个行业 中都得到了广泛的应用，对油膜轴承故障机理的研究工作也比较广泛和深入。一、油膜轴承的工作原理油膜轴承按其工作原理可分为静压轴承与动压轴承两类。静压轴承是依靠润滑油在转子轴颈周围形成的静压力差与外载荷相平衡的原理进行工 作的。不论轴是否旋转，轴颈始终浮在压力油中，工作时可以保证轴颈与轴承之间处于纯液 体摩擦状态。因此，这类轴承具有旋转精度高、摩擦阻力小、承载能力强的特点，并且对转 速的适应性和抗振性非常好。但是，静压轴承的制造工艺要求较高，还需要一套复杂的供油 装置，因此，除了在一些高精度机床上应

2、用外，其他场合使用尚少。动压轴承油膜压力是靠轴本身旋转产生的，因此供油系统简单，设计良好的动压轴承具 有很长的使用寿命，因此，很多旋转机器（例如膨胀机、压缩机、泵、电动机、发电机等） 均广泛采用各类动压轴承。在旋转机械上使用的液体动压轴承有承受径向力的径向轴承和承受轴向力的止推轴承 两类，本节主要讨论径向轴承的故障机理与诊断。在动压轴承中，轴颈与轴承孔之间有一定的间隙（一般为轴颈直径的千分之几），间隙 内充满润滑油。轴颈静止时，沉在轴承的底部，如图1-1 （a ）所示。当转轴开始旋转时，轴 颈依靠摩擦力的作用，沿轴承内表面往上爬行，达到一定位置后，摩擦力不能支持转子重量 就开始打滑，此时为半液

3、体摩擦，如图1-1（b）所示。随着转速的继续升高，轴颈把具有黏 性的润滑油带入与轴承之间的楔形间隙（油楔）中，因为楔形间隙是收敛形的，它的入口断 面大于出口断面，因此在油楔中会产生一定油压，轴颈被油的压力挤向另外一侧，如图1-1 （c）所示。如果带入楔形间隙内的润滑油流量是连续的，这样油液中的油压就会升高，使 入口处的平均流速减小，而出口处的平均流速增大。由于油液在楔形间隙内升高的压力就是 流体动压力，所以称这种轴承为动压轴承。在间隙内积聚的油层称为油膜，油膜压力可以把 转子轴颈抬起，如图1-1（d）所示。当油膜压力与外载荷平衡时，轴颈就在与轴承内表面不 发生接触的情况下稳定地运转，此时的轴心

4、位置略有偏移，这就是流体动压轴承的工作原理。融心位置(bi I； *= a间 AB图1-1动压轴承工作状态轴颈在轴承内旋转时的油膜压力分布情况如图1-2所示。轴承参数如下:图1-2轴承内油膜压力分布e偏位角；e偏心距；c一平均间隙，3一相对间隙，： 一相对偏心率， | *小血一最小油膜厚度，轴承的承载能力与多种参数有关，对于圆柱轴承可用式（1 1）表示:(1-1)式中P一轴承载荷；Wp一轴承承载能力系数；P一润滑油动力黏度系数；l一轴承宽度； d一轴颈直径；3一轴颈旋转角速度。当Wp1时，称为低速重载转子；当Wp1时，称为高速轻载转子。Wp是偏心率和 轴承宽径比l/d的函数，偏心率越大或轴承宽

5、径比越大，贝Wp也越大，轴承承载能力也 大，但偏心率过大时最小油膜厚度过薄，有可能出现轴颈与轴承内表面干摩擦的危险。二、油膜轴承的不稳定工作机理在石油、化工、电力、钢铁和航空工业部门中使用的高性能旋转机械，多数属于高速轻 载转子，即Wp1。高速轻载轴承由于设计不良或使用中多种因素的影响，易发生油膜不稳 定。转子轴承系统在某种工作状态下，还会发生高速滑动轴承的一种特有故障一油膜涡动和 油膜振荡问题，转子轴颈在油膜中的剧烈振动将会直接导致机器零部件的损坏。因此，必须 了解产生油膜不稳定工作的原因、故障机理和特征，采取措施防止转子在工作时失稳。1 .轴颈在油膜中的涡动与稳定性转子轴颈在轴承中以角速度

6、3稳定运转时，轴颈上的载荷与油膜力相平衡，即作用在 轴颈中心上的力大小相等、方向相反。如图1-3所示，假如轴颈中心在O1位置上，轴颈载 荷W和油膜力P大小相等，方向相反，O1点就是轴颈旋转的平衡位置，这个平衡位置由轴 颈的偏心率和偏位角e来确定的。假如转子受到外界瞬时干扰力的作用，轴颈中心移到O, 位置时，如果能够回复到原来的位置，则认为系统是稳定的，否则认为是不稳定的。当轴心 移到O位置时，该处的油膜反力为P，与W不再衡，两合力为F。把F分解为一个切向分 量F2和一个径向分量Fl,力F1与轴径的位移方向相反，试图把轴颈推回到原处，这是一种 弹性恢复力；而力F2与轴颈位移方向垂直，它有推动轴颈

7、中心涡动的趋势，故F2称为涡动 力。如果涡动力等于或小于油膜阻尼力，轴颈的涡动将是稳定的；如果涡动力超过阻尼力， 则轴心轨迹继续扩大，这时轴心是不稳定的。图1-3轴颈的受力分析2.半速涡动与油膜振荡涡动是转子轴颈在作高速旋转的同时，还环绕轴颈某一平衡中心作公转运动。按照激 励因素不同，涡动可以是正向的（与轴旋转方向相同），也可以是反向的（与轴旋转方向相 反）；涡动角速度与转速可以是同步的，也可以是异步的。如果转子轴颈主要是由于油膜力 的激励作用而引起涡动，则轴颈的涡动角速度将接近转速的一半，故有时也称之为，半速涡 动”。其运动的机理如下。轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成一个进口断面大于出口断面的

8、油楔，如果进口处的油 液流速并不马上下降（例如，对于高速轻载转子，轴颈表面线速度很高而载荷又很小，油楔 力大于轴颈载荷，此时油楔压力的升高不足以把收敛形油楔中的流油速度降得较低），则轴 颈从油楔间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量，由于液体的不可压缩 性，多余的油就要把轴颈推向前进，形成了与转子旋转方向相同的涡动运动，涡动速度就是 油楔本身的前进速度。轴颈涡动速度可以定量分析如下：当转子旋转角速度为时，因润滑油具有黏性，所以 轴颈表面的油流速度与轴颈线速度相同，均为rs而在轴瓦表面处的润滑油流速为零。为 分析方便，假定间隙中的油流速呈直线分布，如图1-4所示。在油楔力的推动下转子

9、发生涡 动运动，涡动角速度为Q，假定dt时间内轴颈中心从01点涡动到O点，轴颈上某一直径AB 扫过的面积为(1-2)山=2r/2?di图1-4轴颈半速涡动分析此面积等于轴颈掠过面积(图中有阴影线部分的月牙形面积)，这部分面积也就是油流 在AA，断面间隙与BB断面间隙中的流量差。假如轴承宽度为1，轴承两端的泄油量为dQ， 根据流体连续性条件，则可得到(1-3)琅广；弋(1e = rW /山+况企山1 dQ(1-4)当轴承两端泄漏量!时，可(1-5)实际上，由于以下原因的影响，涡动频率通常略低于转速频率的1/2：(1) 在收敛区入口的油流速度由于受到不断增大的油压作用而逐渐减慢，而在收敛区出 口的

10、油流速度在油楔压力作用下会有所增大。这两者的作用与轴颈旋转时引起的直线速度分 布相叠加，就使得图1-4中AA，断面上的速度分布线向内凹进，BB，断面上的速度分布线向 外凸出，这种速度分布上的差别使轴颈的涡动速度下降。(2) 注入轴承中的压力油不仅被轴颈带着作圆周运动，还有部分润滑油从轴承两侧泄漏，rt t 宇尹0一 、口 队工,十心 +、人t此时，因而，这是造成涡动速度低于转速之半的另一个原因，式(1-5)变为：山-实际上，半速涡动的频率约为Q=(0.380.48)3。涡动频率在转子一阶自振频率以下时，半速涡动是一种比较平静的转子涡动运动，由于 油膜具有非线性特性(即轴颈涡动幅度增加时，油膜的

11、刚度和阻尼较线性关系增加得更快， 从而抑制了转子的涡动幅度)，轴心轨迹为一稳定的封闭图形，如图1-5 (a)所示。转子仍 能平稳地工作。图1-5油膜涡动与油膜振荡的频谱及轴心轨迹随着工作转速的升高，半速涡动频率也不断升高，频谱中半频谐波的振幅不断增大，使 转子振动加剧。如果转子的转速升高到第一临界转速的2倍以上时，半速涡动频率有可能达 到第一临界转速，此时会发生共振，造成振幅突然骤增，振动非常剧烈。同时轴心轨迹突然 变成扩散的不规则曲线，频谱图中的半频谐波振幅值增大到接近或超过基频振幅，频谱会呈 现组合频率的特征。若继续提高转速，则转子的涡动频率保持不变，始终等于转子的一阶临 界转速，即Q=3

12、c1，这种现象称为油膜振荡，如图1-5 (c)、(d)所示。 三、油膜涡 动与油膜振荡的特征由以上分析可知，油膜涡动与油膜振荡具有以下特征。起始失稳转速与转子的相对偏心率有关，轻载转子在第一临界转速之前就可能发生不稳定的 半速涡动，但不产生大幅度的振动；当转速达到两倍第一临界转速时，转子由于共振而有较 大的振幅；越过第一临界转速后振幅再次减少，当转速达到两倍第一临界转速时，振幅增大 并且不随转速的增加而改变，即发生了油膜振荡，如图1-6(a)。对于重载转子，因为轴颈在轴承中相对偏心率较大，转子的稳定性好，低转速时并不存 在半速涡动现象，甚至转速达到两倍的第一临界转速时，也不会立即发生很大的振动

13、，当转 速达到两倍的第一临界转速之后的某一转速时，才突然发生油膜振荡，如图1-6(c)。中载转子在过了一阶临界转速C1后会出现半速涡动，而油膜振荡则在二倍的第一临 界转速之后出现，如图1-6(b)。油膜振荡还具有以下特征。(1) 油膜振荡在一阶临界转速的二倍以上时发生。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。(2) 油膜振荡时，轴颈中心的涡动频率为转子一阶固有频率。(3) 油膜振荡具有惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速和降速时油膜振荡消失时的转速 不同，如图1-6(c)所示。图1-6不同载荷下的油膜振荡特点(4) 油膜振荡为正进动，即轴心涡动的方向和转子旋转方向相同。四、

14、油膜涡动与油膜振荡的诊断油膜涡动与油膜振荡的诊断依据见表1-1和表1-2.表1-1油膜涡动与油膜振荡振动特征IFF ur有仪翰直炯愤段段介珊雄2待肝犊*65-(U.42 -tf.4K) N3IX|SOf电技向6础典不g事惬显r需重）7S遇靖。田q毫化表1-2油膜涡动与油膜振荡振动敏感参数0雄套炊刘雄搏尊长重化怖况泊惧消动i由尚阳转蜜.瓷化抑却翼蛾眉丈臼，即使独理再升 耳.疑圈粗也不爽他23兼命划昴眺31度生北不变续表序号缺够冬敝糊聊E动油中55振或温扯度化不受&振动而员荷受化不明日7其他谨wr方mS些高润宿袖跳在鲜flk动有-割单改善.阵偿润撒袖魅.度暝动再由S改善五、油膜涡动与油膜振荡的故障

15、原因及治理措施根据油膜轴承的工作原理，油膜涡动与油膜振荡的故障原因及治理措施如表1-3所示。表1-3油膜涡动与油膜振荡故障原因及治理措施1J韵或字敝也甘不膏型按技术强京要甚#或，伸任何踪舒合我米要承炸禺再常承比压(切值St kF瓦甜去铮升永默透哭窝抽翠0里*恒措轴，释隹粗度氐)掠制袖活布细物知击居融腹共银转谣制晴摩因(D曲焉期盈不符皆技衣言盅痼版问BK不得背婆率料瓦眈不当4撞W运行 确皿魂压不当 斓描不尾5(D辑版磨很 瓶翁tfl革、罩悝、弋浊等六、诊断实例例1:圆筒瓦油膜振荡故障的诊断某气体压缩机运行期间，状态一直不稳定，大部分时间振值较小，但蒸汽透平时常有短 时强振发生，有时透平前后两端测点在一周内发生了 20余次振动报警现象，时间长者达半 小时，短者仅1min左右。图1-7是透