自激振动

自激振动

自激振动又称为负阻尼振动，也就是说由振动本身运动所产生的阻尼力非但不阻止运动，反而将进一步加剧这种振动，因此一旦有一个初始振动，不需要外界向振动系统输送能量，振动即能保持下去。所以，这种振动与外界激励无关，完全是自己激励自己，故称为自激振动。

根据激发自激振动的外界扰动力的性质不同，又表现为不同的自激振动形式。

一．轴瓦自激振动

所谓轴瓦自激振动，即轴颈和轴瓦润滑油膜之间发生的自激振动。滑动轴承的润滑油膜自激振动是如何产生和得以保持的呢？首先分析一下油膜对轴颈的作用。以圆筒瓦为例，当一个不承受荷载完全平衡的转子高速转动时，其轴颈中心应位于轴承的中心。假设由于外界扰动使得轴颈中心偏离轴承中心产生一个小的位移，如图（笔记本中“轴瓦油膜自激振动示意图”）所示，偏离轴承中心的轴颈必然受到油膜的弹性恢复力的作用，这个弹性恢复力有迫使轴颈返回原位的趋势。由于轴颈的偏移，油流产生的压力分布发生了变化：在小间隙的上游侧，油流从大间隙进入小间隙，故形成高压；下游侧，油流从小间隙流向大间隙，故压力较低。这个压差的作用方向垂直于径向偏移线的切线方向，迫使转轴沿着垂直于径向偏移线方向（即切线方向）进行同向涡动，涡动方向和转动方向是一致的。一旦发生涡动以后，转轴围绕平衡位置涡旋而产生的离心力又将进一步加大轴颈在轴承内的偏移量，从而进一步减小这个间隙，使小间隙上游和下游的压差更大，使转轴涡动的切向力更大。如此周而复始，愈演愈烈，因而形成自激。

由于汽轮发电机轴承总是有载荷的，转轴也不可能绝对平衡，所以转轴中心不能和轴承中心重合，转轴中心也不可能静止地停留在一点上。但油膜具有产生垂直于切向失稳力的本质并没有改变，同样会驱动转子作涡动运动。当阻尼力大于切向失稳分力时，涡动是收敛的，轴颈中心会很快回复到原有的平衡位置；当切向分力大于阻尼力，涡动是扩散的，所以是不稳定的。当切向分力和阻尼力相等时，介于以上两种情况之间，涡动轨迹为一封闭曲线。

常见的轴瓦自激振动主要有以下两种：

A半速涡动

当转子第一临界转速高于1/2工作转速时所发生的轴瓦自激振动，其振动频率约等于工作转速相应频率之半，故称为半速涡动。涡动是旋转的一种特殊形式，即转轴不但围绕其轴线旋转，而且轴线本身还在轴瓦中进行回转。这种现象又称为“进动”或“弓状回旋”。半速涡动产生的原因，可作如下解释：

设有一个没有载荷的轴颈在充满润滑油的圆筒轴承中以固定的角速度ω旋转，假设油在轴承的两端没有泄漏，如图（半速涡动产生示意图a）所示。此时轴颈中心J的稳定位置应当和轴承中心O重合。因为没有压力对间隙内油的流动发生影响，所以在间隙通道各截面上油的流速是按直线分布的。紧靠轴颈油的流速等于轴颈的转动速度rω（r是轴颈半径），附着在轴瓦上的油的流速等于零，间隙内各个截面上油流量都是相等的，且都等于rωc/2（C是轴承的半径间隙）。如果受外界干扰，使轴颈中心偏到如图（半速涡动产生示意图b）的位置，则间隙通道就不再是等截面的，此时流经轴承间隙最小截面和最大截面的流量分别为：rω（c - e）/2和rω（c + e）/2（其中e是轴颈在轴承内的偏心距）。显然，这时流量是不平衡的，为了容纳这个差额，油量增多的一侧，就要推动轴颈向油量减少的一侧移动。移动的方向是垂直于偏心距的，从而迫使轴颈中心J绕着平衡位置O涡动。设涡动的角速度为Ω，由于轴颈涡动让出的空间体积（对单位长度而言），就等于实线和虚线中间的月牙形面积，因此只有当这个空间体积等于上述流量差额的时候，才能保持平衡，即

[rω（c + e）/2]-[rω（c - e）/2]=eΩ×2r

这样就得到：Ω=ω/2

实际上由于轴承两端存在漏流以及油流速度分布如图（半速涡动产生示意图c）所示，使得轴颈的偏移迫使原来的直线分布变为曲线分布，减小了最大和最小间隙截面流量的差额，故要求轴颈涡动让出的空间也随之减小。这样涡动速度就有所降低，所以在发生半速涡动时涡动频率实际上总是略低于当时的转速之半的。这种涡动旋转方式，在汽轮发电机中是比较常见的。

当转子的临界转速高于1/2转速时，在升速过程中，这种半速涡动不可能与转子的第一临界转速发生共振，因此涡动的振幅始终是不大的。这时半速涡动对机组安全一般不会造成严重威胁。

B油膜振荡

当汽轮发电机转速高于两倍转子第一临界转速时发生的轴瓦自激振动，通常称为油膜振荡。只有转子第一临界转速低于1/2工作转速时，才会发生油膜振荡现象。

当转速升高到某一转速后，转轴会突然发生涡动运动。转轴开始产生涡动的转速称为失稳转速。在失稳转速以前，转动是平稳的，一旦达到失稳转速，随即发生半速涡动。以后继续升速，涡动速度也随之增加并总是保持着约等于转速之半的比例关系。当继续升速达到第一临界转速时，半速涡动会被更剧烈的临界转速的共振所掩盖，越过第一临界转速后又重表现为半速涡动。如图（荷载对油膜振荡的影响），当转速升高到两倍于第一临界转速以上时，由于半速涡动的涡动速度正好与转子的第一临界转速相重合，此时的半速涡动将被共振放大，从而表现为剧烈的振动，这就是油膜振荡。最典型的油膜振荡现象发生在汽轮发电机组起动升速过程中。转轴的第一临界转速越低，其支持轴承在工作转速范围内发生的油膜振荡的可能性就越大。油膜振荡的振幅比半速涡动要大得多，转轴跳动非常剧烈，而且往往不仅仅是一个轴承或相邻的轴承，而是整个机组的所有轴承都出现激烈的振动，在机组附近还可以听到“咚咚”的撞击声。油膜振荡的危害性是很大的。

油膜振荡一旦发生以后，就始终保持着等于临界转速的涡动速度，而不再随转速的升高而升高，这一现象称为油膜振荡的惯性效应。所以遇到油膜振荡发生时，不能像过临界转速那样借提高转速冲过去的办法来消除。

转轴失稳转速（即产生半速涡动时的转速）的大小决定于该转子和支持轴承的特性与工作条件。只要这些因素不变，失稳转速就是一个定值。轴颈的载荷不同时，失稳转速是不同的。如图（载荷对油膜振荡的影响a）表示轻载情况，此时失稳转速在第一临界转速之前；图（载荷对油膜振荡的影响b）是中载情况，此时失稳转速在第一临界转速之后；图（载荷对油膜振荡的影响c）是重载情况，在稍高于二倍临界转速时，转速还没有失稳，所以就没有油膜振荡。直到比二倍临界转速高出较多时，转轴才失稳并直接表现为油漠振荡而不经过半速涡动。油膜振荡的另一个特性是升速时发生油膜振荡的转速要比降速时油膜振荡消失的转速高些。

二．摩擦自激振动

由动静部分所产生的自激振动有两种表现形式，一是摩擦涡动，另一种是摩擦抖动。干摩擦抖动只在很低的摩擦转速时发生，对机组危害一般不大。

当动静摩擦只是接触到叶轮、叶片（包括围带、铆钉头等）等转子的外围部件而没有接触到大轴本身时，不会使转子造成热弯曲从而形成强迫振动，但却会造成自激振动。这种摩擦自激振荡又称为摩擦涡动。

如图（摩擦自激振动示意图）所示，一旦转动部件和静止部件发生了接触，转子上就要受到接触摩擦力的作用。摩擦力的大小主要取决于接触压力，其方向与接触点的切向速度相反。如果把这个作用于转轴边缘的接触摩擦力，用一个通过转轴中心且大小相等的平行力