轴瓦自激振动分析

概述

轴瓦自激振动是现场较常见的一种自激振动，它常常发生在机组启动升速过程中，特别是在超速时。当转子转速升到某一值时，转子突然发生涡动使轴瓦振动增大，而且很快波及轴系各个轴瓦，使轴瓦失去稳定性，这个转速不失稳转速。

轴瓦失稳除与转速直接有关外，还与其他许多因素有关，因此轴瓦自激振动有时会在机组带负荷过程中发生中。下面将详细讨论其振动机理、轴瓦自激振动故障原因、诊断方法和消除措

第一节半速涡动和油膜振荡

轴瓦自激振动一般分为半速涡动和油膜振荡两个过程。转子工作转速在两倍转子第一临界转速以下所发生的轴瓦自激振动，称为半速涡动，因为这时自激振动频率近似为转子工作频率的一半。这种振动由于没有与转子临界转速发生共振，因而振幅一般不大，现场大量机组实结果多为40－100μm。转子工作转速高于两倍第一临界转速时所发生的轴瓦自激振动，称为油膜振荡，这时振动频率与转子第一临界转速接近，从而发生共振，所以转子表现为强烈的振荡。这时转轴和轴承的振幅要比半速涡动大得多，目前已检测到的轴承最大振幅可达600－700μm。

这时要指出，油膜振荡是涡动转速接近转子第一临界转速而引起的共振，而不是与转子当时的转速发生共振，因此采用提高转速的办法是不能避开共振的。

进一步研究表明，轴瓦在不同载茶下的失稳转速有较大的差别。图所示是轻载轴瓦，轴瓦失稳（半速涡动）在转子第一临界转速之前就发生，而且当转子转速达到两倍第一临界转速，就发生了油膜振荡。图所示是中载轴瓦，轴瓦失稳（半速涡动）在第一临界转速之后才发生，在高于两倍第一临界转速的某一转速下才发生油膜振荡。图所示是重载轴瓦，在油膜振荡之前没有发生半速劝，直到高于两倍第一临界转速较多时才发生油膜振荡，而且升速时发生油膜振荡的转速总比降速时油膜振荡消失的转速高，这种现象称为油膜振荡惯性效应。

第二节轴瓦自激振动的机理

要了解轴瓦内油膜如何能维持轴瓦自激振动，就行分析油膜力对轴颈的作用。为了简化起见，现以圆筒形轴瓦为例加以说明。

考虑一根没有受任何载荷，完全平衡的理想转轴。在高速转动时，其轴颈中心应位于轴承中心一个小位移，则转轴在轴承中的位置在正中心，这时偏离轴承中心的轴颈必然要受油膜弹性恢复力的作用，这个弹性恢复力又有迫使轴颈返回原位置的趋势。但是，由于轴颈的编移，油流所产生的压力分布发生了变化。在小间隙的上游侧，被轴颈带动而高速流动的润滑油，从大间隙流往大间隙，压力降低，即油膜压对轴颈的径向偏移线是不对称的，上游侧的压力比下洲侧的压力高。这个压差垂直于径向偏移线方向，它有迫使转轴沿着垂直于径向偏移线方向（切线方向）进行同向涡动的倾向。当这个切向力超过各种阻尼力时，转轴就会脱离平

衡位置而产生涡动，涡动方向与转动方向一致。一旦发生涡动，整个转轴就围绕平衡位置涡旋，转轴将受到离心力作用。这个因涡动而产生的离心力将加大轴颈在轴瓦内的偏移量，从而进一步减少这个小间隙，使得上游和下游之间的压差更大，造成切向力增大。这又进一步推动轴颈涡动，周而复始，愈演愈烈形成自激。很明显，轴承内的油膜和一般的机械弹簧不一样，当油膜在外界一个偶然的扰动下变形时，它除了产生一个沿着变形方向的弹性恢复力外，还将产生一个垂直变形方向的切向分力。这个切向分力就是破坏轴颈在轴承内的稳定性，引起涡动的根源，一般称这个切向分力为失稳分力。

上述分析的是绝对平衡的无载荷轴的理想情况。对于实际的汽轮发电机组的轴承来讲，总是有载荷的，因而轴颈不会处在轴承中心，转子也不会绝对平衡，所以轴颈中心不可能静止地停留在一点上，但是，油膜具有产生一垂直于变形方向的切向失稳分力的本质没有变。所以，对于轴颈在外界偶然扰动下所发生的任一偏移，轴承油膜除了产生沿偏移方向的弹性恢复力保持和外界载荷平衡外，仍然要产生一个垂直于偏移方向的

第三节轴瓦自激振动的原因

在早先的振动原因诊断中，当做出振动原因是轴瓦自激振动诊断之后，诊断就此结束。消除振动措施几乎都是从增加轴瓦稳定性着手。这样做一般都是有效的，但是对于有些机组，特别是在同型机组中，有些有效，有些则无效，这就引起了人们的注意，从而着手研究轴与自激振动的原因。

进一步研究发现，增加轴瓦稳定性未能消除轴瓦自激振动的主要原因是由于轴颈在轴瓦内存在着较大的扰动。这与普通强迫振动中轴承座动刚度和扰动力的关系一样，当扰动力较大时，只采取增加轴承座动刚度措施，效果不会显著。所以轴瓦自激振动总的来有轴颈扰动过大和轴瓦稳定性差两个原因。

3.1 轴颈扰动过大

这时所说的轴颈扰动过大，不是指转子暂态瞬间产生的扰动，而是指稳定的扰动，进一步说是指轴颈与轴瓦之间的相对振动。简称转轴振动。

从许多机组观察到，转轴振动过大确实是引起轴瓦自激振动的重要原因之一。一些机组实测结果表明，在一般圆筒形、椭圆形和三油楔轴瓦上，当转轴振动超过轴瓦正常顶隙的1/2时，很容易引起轴瓦自激振动。引起转轴振动过大的原因有：1.转子热弯曲

运行的汽轮机、发电机转子产生热弯曲是较为常见的一种振动故障。当机组有功负荷时，突然发生轴瓦自激振动，而且与机组有功负荷或励磁电流有着一定的对应关系（再现性不好），这种现象大部分是由于转子发生热弯曲所致。

转子在运行状态下会因种种原因发生热弯曲，当转子热弯曲轴向对称时，在工作转速下对轴承振动的影响很小。当然，实际转子的热弯曲大部分不是完全轴向对称的，因此在工作转速下测量轴承振动与有功负荷或励磁电流的关系，也能发现转子是否存在热弯曲。不论是轴向对称还是不对称的转子热弯曲，都会使转轴振动明显增大，在这种情况下，若不降低转轴振动，而只从增加轴瓦稳定性着手消除轴瓦自激振动，虽然短时间内会有效，但运行一段时间（几周或1－2个月）之后，会引起轴瓦乌金碾轧或龟裂，所以有些机组的轴瓦虽经多次修理，但轴瓦自激振动却一直不能获得根治。

这种故障只要通过测量转轴振动即能查明；若无条件测量转轴振动，则通过对振动与有功负荷、励磁电流关系的分析，也能诊断出转子是否热弯曲，具体诊断方法见本章第八节。

2.转子永久弯曲

转子永久弯曲与热弯曲一样，除了产生质量不平衡外，还会引起转轴过大轴仍然存在较大振动。弯曲转子质量不平衡引起过大振动，通过转子平衡可以获得改善，但是转轴仍然存在较大振动。

这种故障通过在静态下测量转子弯曲值，或在盘车转速下采用大轴弯曲指示器测量转轴晃摆值即能查明。

3.轴承座动刚度过大

从减少轴瓦振动角度来看，希望承座动刚度愈大愈好，但是这会引起转轴相对振动的增大，对轴瓦稳定运行不利。因此对于一些转子质量较小的汽轮机高压转子来说，其轴承座动刚度往往显得过高，在较大的不平衡力作用下，轴承动虽然不大，但转轴存在因过大的振动而激起轴瓦自激振动的趋势，例如国内运行的苏制BIIT－50－2高压转子，近几年先后发生了多起轴瓦半速涡动，原因是转轴振动过大(300-600μm)。在未发生轴瓦半速涡动时，轴承振动一般小于30μm。消除这种半速涡动，开始只采取增加轴瓦稳定性的措施，当时虽然奏效，但运行1－2个月后，上瓦发生了损坏（龟裂）。后来通过调整转子平衡减少了转轴振动，在不更动轴瓦的情况下，半速涡动获得了消除，经4－5a连续运行，轴瓦工作一直正常。

4.转子对中不好

这时所说的转子对中不好是指采用固定式联轴器连接的转子同心度和平直度偏差，这种故障引起转轴振动过大的道理和转子永久弯曲及热弯曲的道理一样，它是引起轴颈扰动过大的常见故障之一。

3.2 轴瓦稳定性差

影响轴瓦稳定性因素较多，它涉及轴瓦设计、制造、检修和运行等方面。下面要只是针对轴瓦在现场使用中可能出现的影响轴瓦稳定性的故障原因。

1.轴瓦顶隙过大

在轴瓦稳定性计算中，不论是圆筒瓦、椭圆瓦还是三油楔瓦，随着轴瓦半径间隙的增大，稳定性将增高。但根据运行经验来看却并非如此，这三种轴瓦过大的顶隙都会显著降低轴瓦稳定性，特别是转轴振动较时，更容易引起轴瓦失稳。

过大的轴瓦顶隙使轴瓦稳定性降低的机理比较复杂，但有一点可以肯定，这三种轴瓦过大的顶隙会显著减少上瓦的油膜力，即降低了轴瓦的预载荷，使轴瓦偏心降低，稳定性下降。

2.轴瓦形式

目前现场使用的有圆筒瓦、椭圆瓦、三油楔瓦和可倾瓦，前两作轴瓦在现场使用已有较长的历史，而且积累了较丰富的使用经验。从稳定性来说，椭圆瓦好，因此在现场发生轴瓦自激振动时，首先是将圆筒形改成椭圆瓦。实践证明，效果良好。

目前国内可倾瓦只是局限在进口和引进型的机组上使用。三油楔轴瓦近十年开始在国内使用，但早期这些轴瓦在发电机转子早使用后，几乎所有的机组都发生了油膜振荡，通过多次减少长径比（L/D）后，轴瓦稳定性虽有改善，但其稳定性余度仍不能满足机组运行的要求，因此就200MW机组来说，最近仍有约20%的机组在现场发生了油膜振荡。