作者：曲慶文　馬　浩　柴　山
（山東工程學院）

　　摘　要：油膜振蕩是大型機電設備出現(xiàn)故障較多的原因之一，本文主要對機電設備中出現(xiàn)油膜振蕩的特征及判別方法加以總結論述，以便盡可能地避免油膜振蕩的產(chǎn)生，提高機電設備的利用率和生產(chǎn)效率，減少設備的維修時間。
　　關鍵詞：油膜振蕩；設備故障；故障檢測
　　1　渦動
　　轉軸的渦動通常有慣性渦動、液力渦動和氣隙渦動等。對于軸頸軸承受到動載荷時，軸頸會隨著載荷的變化而移動位置。移動產(chǎn)生慣性力，此時，慣性力也成為載荷，且為動載荷，取決于軸頸本身的移動。軸頸軸承在外載荷作用下，軸頸中心相對于軸承中心偏移一定的位置而運轉。當施加一擾動力，軸頸中心將偏離原平衡位置。若這樣的擾動Z終能回到原來的位置或在一個新的平衡點保持不變，即此軸承是穩(wěn)定的；反之，是不穩(wěn)定的。后者的狀態(tài)為軸頸中心繞著平衡位置運動，稱為“渦動”。渦動可能持續(xù)下去，也可能很快地導致軸頸和軸承套的接觸，穩(wěn)定性是軸頸軸承的重要性能之一，是由于慣性作用的主要例證。
　　慣性渦動是由于轉子系統(tǒng)的不平衡重量引起的慣性離心力P強迫引起的渦動。圖1所示，矢量P與瞬時軸的動態(tài)撓度oH的夾角ψ表示慣性渦動的不同位置，夾角ψ隨軸的轉速nW變化。對于小的nW值，ψ接近于零，當軸的轉速小于臨界轉速時，ψ由零增加至90°，此時力P可以分解成作用在撓度方向oH上的力Pr和垂直于OH的力Pt。Pr與軸的彈性變形后生成的彈性力相平衡；而Pt則沒有與之平衡的固定力，于是被迫形成“同步渦動”。當軸的轉速達到臨界轉速nk時，渦動達到極值；若轉速繼續(xù)增加，超過臨界轉速nk后，渦動減小。此時，Pr與撓度方向相反，產(chǎn)生自動對中現(xiàn)象，這是柔性軸的特征。

圖1　慣性渦動

　　由此可知，渦動振幅oH與力P、角度ψ及接觸介質有關。
　　液力渦動又稱流體渦動，它是由于軸頸與軸瓦之間潤滑油層中液動力所強迫造成的渦動。圖2是一經(jīng)過理想動平衡(S=H)軸的徑向軸頸，且有旋轉速度nW。若使該軸無任何橫向力作用，那么軸頸位于軸承的中心位置即(H=o)。當由于某種原因，軸頸中心作以半徑為oH的圓旋轉時，潤滑層內產(chǎn)生不對稱的壓力場，它的合力在圖中由RQ表示，同時，在軸頸上作用有與oH方向相同的離心力P。此兩個力合成為力Q，力Q可分解為與軸的彈性撓曲力平衡的力Qr和不平衡力Qt，此力將引起流體渦動。

圖2　液力渦動原理

　　對于流體渦動只能發(fā)生在流體潤滑狀態(tài)，且為彈性轉子系統(tǒng)的不穩(wěn)定時刻。對于柔性軸工作的穩(wěn)定性條件已由Hori推導出，他區(qū)分了兩種流體渦動，即小的油膜振蕩和大的油膜振蕩。
　　對于Z簡單的渦動速度分析，設軸頸中心的渦動轉速為Ω，潤滑劑為常密度，若不考慮壓力梯度的影響，根據(jù)流量平衡條件，由圖3c可得，進入控制空間單位軸承寬度的體積流量和離開控制空間的體積流量分別為（Rω₁-eΩ）（c+e）/2和（Rω₁+eΩ）（c-e）/2，此二者之差應該等于軸頸移動造成的控制空間的容積增長率，即2ReΩ，則得

圖3　軸頸的渦動傾向

　　式中，R為軸承半徑；e為偏心距；c為半徑間隙。從而解得

　　由此，當軸頸偏離平衡位置，單從流量來考慮，渦動轉速為自轉轉速的一半或稍小。偏心率（偏心距與半徑間隙之比）越小，上式越精確。在偏心率大時，壓力梯度的影響越來越顯著，上式就不能用了。由于偏心率增大有利于軸承的穩(wěn)定性，所以上式在一般計算中是不能完全反映問題的。
　　2　油膜振蕩機理研究的發(fā)展
　　油膜振蕩是由于滑動軸承中的油膜作用而引起的旋轉軸的自激振蕩，可產(chǎn)生與轉軸達到臨界轉速時同等的振幅或更加激烈。油膜振蕩不僅會導致高速旋轉機械的故障，有時也是造成軸承或整臺機組破壞的原因。在日本和中國都有過由于油膜振蕩而出現(xiàn)機組破壞的實例。
　　油膜振蕩從1925年由Newkirk B L和Taylor H D首先提出以來，經(jīng)過了從認識到深化理解的長期發(fā)展過程，到目前已經(jīng)基本成熟，能較深刻地揭示油膜振蕩的本質。1925年Newkirk和Taylor發(fā)現(xiàn)了由用滑動軸承支持的旋轉軸，當轉速達到轉軸的臨界轉速的兩倍以上時，基于某種邊界條件，引起轉軸的激烈甩動。停止給油，轉子甩動即停止，恢復給油，甩動即恢復。從而發(fā)現(xiàn)甩動的原因來自于油膜。且論述如下：
　　(1) 油膜振蕩發(fā)生于轉軸兩倍臨界轉速以上，其甩動方向與轉軸旋轉方向一致；
　　(2) 油膜振蕩的甩轉角速度與轉軸旋轉角速度無關，約等于轉軸臨界轉速時的角速度；
　　(3) 油膜振蕩與轉軸在臨界轉速下產(chǎn)生的振動不同，一旦發(fā)生，轉速增加也不會停止；
　　(4) 縮短軸承寬度則不易發(fā)生油膜振蕩；
　　(5) 軸承的支承若做成自動調心式，在安裝軸的兩端軸承時使其有少量的不同心度，對于防止油膜振蕩也有一定的作用。
　　1956年Newkirk B L和Lewis J F發(fā)表論文稱，在工作轉速達5倍臨界轉速時尚未產(chǎn)生油膜振蕩。同年，Pinkus O提到，在大量實驗里證實了油膜振蕩的“慣性效應”，即當沒有油膜振蕩時，即使提高轉軸的轉速也可維持原狀；而當產(chǎn)生油膜振蕩時，雖然降低轉速，油膜振蕩仍有繼續(xù)下去的傾向。同時，有人提出，當轉軸工作轉速低于不穩(wěn)定轉速時，若加以沖擊也可能會出現(xiàn)激烈的油膜振蕩現(xiàn)象。
　　在發(fā)生油膜振蕩后對振幅的變化，Newkirk和Taylor則指出，油膜振蕩一旦發(fā)生，伴隨轉軸轉速的上升將愈為激烈，以后似乎沒有穩(wěn)定區(qū)；但也有人說，提高轉速后振幅會減小。日本油膜振蕩學者堀幸夫在實驗中也有類似的發(fā)現(xiàn)。同時人們還提到在某些情況下轉軸的穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)被一段短暫的振蕩所分開。
　　潤滑油的粘度系數(shù)（或油溫）對油膜振蕩的影響也成為爭論的問題。多數(shù)學者認為油溫愈高也即粘性愈小愈不容易引起油膜振蕩，但也有相反意見。Pinkus還特別提出溫熱的油和冷油對油膜振蕩都具有穩(wěn)定作用。
　　姚福生院士在東方汽輪機廠工作期間，處理汽輪機油膜振蕩問題及在大量實驗的基礎上也觀察到上述結果，對這些油膜振蕩稍加處理就會立即消失，采用了提高軸承進油溫度、改變軸承垂直和水平間隙、改變軸承寬度、改變軸承形式等手段。
　　總之，油膜振蕩的產(chǎn)生與多種因素有關，概括起來如下：
　　(1) 軸系結構設計　它影響轉軸的剛度，也即影響臨界轉速；同時也影響轉軸的載荷分布及軸的撓曲程度；轉軸在工作過程中偏心率的大小將影響其臨界轉速，同時也影響軸承的工作條件，即軸承的工作性能。
　　(2) 軸承負載　大型汽輪發(fā)電機組軸系安裝時，是在轉子不旋轉的狀態(tài)下，按制造廠家提供的撓度曲線和規(guī)范，調整軸承中心位置找正的。但在運行過程中，由于機組的熱變形，轉子在油膜中浮起，以及真空度、地基不均勻下沉等因素的影響，軸系對中情況將發(fā)生變化，即標高產(chǎn)生起伏。因此，在熱態(tài)下，機組軸承的負荷將重新分配，有可能使個別軸承過載，出現(xiàn)溫升過高和燒瓦，個別軸承的負荷偏低，產(chǎn)生油膜振蕩或其它異常振動。
　　(3) 軸承進油溫度　油溫對油膜振蕩有很大的影響，當其它條件不變時，油溫高則油的粘度低，Z小油膜厚度變小，軸承的工作點、油膜剛度和阻尼系數(shù)都將發(fā)生變化。一般情況下，油溫高，Z小油膜厚度小，偏心率大，軸承不易產(chǎn)生油膜振蕩，即穩(wěn)定轉速提高的緣故。
　　(4) 軸瓦間隙　軸瓦間隙影響軸承的穩(wěn)定性，主要是由于影響軸承運行的Z小間隙，Z小間隙是穩(wěn)定工作的重要依據(jù)。Z小間隙越小，軸承工作越穩(wěn)定。
　　(5) 其它因素　根據(jù)國內外文獻及實驗說明，軸承緊力、支承座、基礎的剛度等對軸系穩(wěn)定性也有影響。定性地說，支承剛度、阻尼增大穩(wěn)定性提高，特別是增大阻尼對提高穩(wěn)定性有明顯的作用，但目前還缺乏實驗數(shù)據(jù)的支持。
　　3　油膜振蕩的判別
　　油膜振蕩的性質與不平衡振動有本質的區(qū)別，油膜振蕩現(xiàn)象有以下特征：
　　(1) 油膜振蕩在轉子一階臨界轉速的兩倍以上轉速時發(fā)生，一旦發(fā)生振蕩，振幅急劇加大，即使再提高轉速，振幅也不會下降，如圖4所示。強烈振動有時會導致燒瓦和軸系的破壞。

圖4　油膜振蕩

　　(2) 油膜振蕩時，軸心渦動頻率通常為轉子一階固有頻率，振型為一階振型。
　　(3) 油膜振蕩時，軸心渦動方向和轉子旋轉方向相同，為正向渦動。而干摩擦引起的自激為反向渦動。
　　(4) 轉速在一階臨界轉速的兩倍以下時可能產(chǎn)生半速渦動，渦動頻率為轉速的一半。半速渦動的振幅較小，若再提高轉速則會發(fā)展成為油膜振蕩，如圖5所示。半速渦動通常在高速輕載軸承情況下發(fā)生。

圖5　半速渦動油膜振蕩

　　(5) 油膜振蕩具有慣性效應，升速時產(chǎn)生油膜振蕩的轉速與降速時油膜振蕩消失的轉速不相同，如圖6所示。

圖6　油膜振蕩的慣性效應

　　6) 油膜振蕩開始發(fā)生但還未發(fā)展為劇烈的自激振動時，軸心軌跡圖形呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)，在一般情況下，正常工作時，軸心也是按一定的軌跡運動，其軌跡在小范圍內變化。當油膜振蕩發(fā)生時，振動逐步劇烈，軌跡的變化范圍劇烈增大，且呈紊亂狀態(tài)。
　　(7) 油膜振蕩時轉軸將承受較大的交變應力，由油膜振蕩產(chǎn)生的交變應力的頻率是轉軸旋轉頻率與軸心渦動頻率的差。
　　油膜振蕩可根據(jù)上述特征進行判斷。在實際中，以計算臨界頻率為依據(jù)，測量轉軸的轉速及振動或軸心軌跡，也可以測量軸上的作用力的變化，判斷振動和軸心軌跡，預防油膜振蕩發(fā)生，保證機器的正常運轉。由此可知，防止油膜振蕩的措施可從以下幾方面著手，即①增大軸承載荷；②降低潤滑油粘度；③改變軸承間隙；④改變軸承的結構形式等。
　　4　結論
　　以上對油膜渦動與油膜振蕩的區(qū)別，在概念上的異同及它們的發(fā)展過程等作了論述。由上可知，油膜振蕩對機電設備的危害極大，是滑動軸承實際應用中必須考慮的問題，同時，油膜振蕩的影響因素又很多，在機械的運轉過程中，根據(jù)油膜振蕩產(chǎn)生的現(xiàn)象，應通過測量振動和軸心軌跡來預測油膜振蕩產(chǎn)生的可能性，以保證機器的正常運行。

來源：《機械科學與技術》