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表1-2? 油膜渦動與油膜振蕩振動敏感參數(shù)
???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 續(xù)表
?????? 五、油膜渦動與油膜振蕩的故障原因及治理措施
???? ? 根據(jù)油膜軸承的工作原理，油膜渦動與油膜振蕩的故障原因及治理措施如表1-3所示。
表1-3? 油膜渦動與油膜振蕩故障原因及治理措施
????? 六、診斷實例
???? ??例1：圓筒瓦油膜振蕩故障的診斷
某氣體壓縮機運行期間，狀態(tài)一直不穩(wěn)定，大部分時間振值較小，但蒸汽透平時常有短時強振發(fā)生，有時透平前后兩端測點在一周內(nèi)發(fā)生了20余次振動報警現(xiàn)象，時間長者達半小時，短者僅1min左右。圖1-7是透平1＃軸承的頻譜趨勢，圖1-8、圖1-9分別是該測點振值較小時和強振時的時域波形和頻譜圖。經(jīng)現(xiàn)場測試、數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)透平振動具有如下特點。
圖1-7 1*軸承的測點頻譜變化趨勢
圖1-8? 測點振值較小時的波形與頻譜
??????????????????????????????????????? 圖1-9? 測點強振時的波形和頻譜
(1)正常時，機組各測點振動均以工頻成分(143.3Hz）幅值最大，同時存在著豐富的低次諧波成分，并有幅值較小但不穩(wěn)定的69.8Hz（相當于0.49×）成分存在，時域波形存在單邊削頂現(xiàn)象，呈現(xiàn)動靜件碰磨的特征。
(2)振動異常時，工頻及其他低次諧波的幅值基本保持不變，但透平前后兩端測點出現(xiàn)很大的0.49×成分，其幅度大大超過了工頻幅值，其能量占到通頻能量的75%左右。
(3)分頻成分隨轉(zhuǎn)速的改變而改變，與轉(zhuǎn)速頻率保持0.49×左右的比例關(guān)系。
(4)將同一軸承兩個方向的振動進行合成，得到提純軸心軌跡。正常時，軸心軌跡穩(wěn)定，強振時，軸心軌跡的重復性明顯變差，說明機組在某些隨機干擾因素的激勵下，運行開始失穩(wěn)。
(5)隨著強振的發(fā)生，機組聲響明顯異常，有時油溫也明顯升高。
?診斷意見：根據(jù)現(xiàn)場了解到，壓縮機第一臨界轉(zhuǎn)速為3362r/min，透平的第一臨界轉(zhuǎn)速為8243r/min，根據(jù)上述振動特點，判斷故障原因為油膜渦動。根據(jù)機組運行情況，建議降低負荷和轉(zhuǎn)速，在加強監(jiān)測的情況下，維持運行等待檢修機會處理。
生產(chǎn)驗證：機組一直平穩(wěn)運行至當年大檢修。檢修中將軸瓦形式由原先的圓筒瓦更改為橢圓瓦后，以后運行一直正常。
?例2：催化氣壓機油膜振蕩
某壓縮機組配置為汽輪機十齒輪箱＋壓縮機，壓縮機技術(shù)參數(shù)如下：
工作轉(zhuǎn)速：7500r/min???????????? 出口壓力：1.OMPa
軸功率：1700kW????????????????? 進口流量：220m3 /min
進口壓力：0.115MPa????????????? 轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速：2960r/min
1986年7月，氣壓機在運行過程中軸振動突然報警，Bently 7200系列指示儀表打滿量程，軸振動值和軸承座振動值明顯增大，為確保安全，決定停機檢查。
揭蓋檢查，零部件無明顯損壞，測量轉(zhuǎn)子對中數(shù)據(jù)、前后軸承的間隙、瓦背緊力和轉(zhuǎn)子彎曲度，各項數(shù)據(jù)均符合要求。對轉(zhuǎn)子進行低速動平衡后重新安裝投用，振動狀況不但沒有得到改善，反而比停機前更差。氣壓機前端軸振動值達到185μm，其中47Hz幅值為181μm, 125Hz幅值為42μm，如圖1-10（a）所示。氣壓機后端軸振動值為115μm，其中47Hz幅值為84μm，125Hz幅值為18μm，如圖1-10（b）所示。軸心軌跡為畸形橢圓。氣壓機前后軸承座水平方向振動劇烈，分別達到39μm、29μm。
????????????????????????????????????? 圖1-10? 氣壓機軸承振動頻譜
為進行故障識別，又一次進行升速試驗，記錄振動與轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，氣壓機升速過程三維譜圖，如圖1-11所示。
前后軸承振動頻譜圖均發(fā)現(xiàn)有47Hz低頻峰值存在，觀察三維譜圖可發(fā)現(xiàn)，當升速至4260r/min時出現(xiàn)半速渦動，隨著轉(zhuǎn)速的上升，渦動頻率和振幅不斷增加，當渦動頻率達到47Hz時不再隨轉(zhuǎn)速而上升，轉(zhuǎn)速提高到7500r/min工作轉(zhuǎn)速時，振動頻率仍為47Hz，但振幅非常大，低頻分量為179μm，而工頻分量只有40μm。
診斷意見：對轉(zhuǎn)子一支承系統(tǒng)進行核算，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速為：2820r/min（47Hz）。
據(jù)此進一步分析發(fā)現(xiàn)，其振動特征及變化規(guī)律與典型的高速輕載轉(zhuǎn)子的油膜振蕩故障現(xiàn)象完全吻合。因此可以判定其故障原因為油膜振動。
由于油膜振蕩故障危害極大，可能在短時間內(nèi)造成機組損壞，所以必須立即停機檢修處理。
?生產(chǎn)驗證：停機后解體檢查發(fā)現(xiàn)，軸瓦巴氏合金表面發(fā)黑，上瓦有磨損并伴有大量小氣孔，前軸承巴氏合金有部分脫落。更換新的可傾瓦軸承后，再次啟動機組，47Hz的低頻分量不再出現(xiàn)，油膜振蕩故障消失。
圖1-11? 前軸承升速過程振動瀑布圖
七、油膜振蕩的防治措施
????? ?由于油膜振蕩故障危害極大，極有可能在瞬間造成機毀人亡的重大事故，故在此對其防治措施做一重點介紹。
1．設(shè)計上盡量避開油膜共振區(qū)
首先，在設(shè)計機組時就要避免轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在二倍的第一階臨界轉(zhuǎn)速以上運轉(zhuǎn)，因為這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??????????????? (1-6)
???? ? 式中P—單個軸承載荷；d—軸頸直徑；l—軸承長度。
從式(1-6)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，就是因為重載轉(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?a href="http://plmmbath.com/tag/%e8%bd%a6%e5%89%8a/" title="查看與 車削 相關(guān)的文章" target="_blank">車削方法），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。其實減小的間隙c，
就相對增大了軸承的偏心率ε，各類軸承的直徑相對間隙推薦值見表1-4。
表1-4??? 各類軸承的直徑相對間隙范圍
?????? 4.控制適當?shù)妮S瓦預負荷軸承預負荷定義為：????????????? (1-7)
????? 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1-12? 軸瓦的預負荷
????? ?圖1-12表示軸瓦對軸頸的預負荷作用。
預負荷為正值，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，增強了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，這就是軸瓦的預負荷作用。對于圓柱軸承，因為c=Rp-RS,預負荷值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，預負荷值較大。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)生的預負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1-13所示。其中五油楔可傾瓦軸承是目前大型高速離心壓縮機組、蒸汽透平最常用的軸承型式。
?????????????????????????????????????????????? 圖1-13? 多油楔軸承示意圖
了解軸瓦上的預負荷作用，在修刮軸瓦時就要注意不要把軸瓦刮成預負荷值為負數(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，但其抗振性能最差，因為這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。多油楔軸承因為軸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、蒸汽透平輪機和離心壓縮機的轉(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，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。
6．調(diào)整油溫
適當?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
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