旋转机械转子轴承系统的稳定性

旋转机械转子轴承系统的稳定性

一、转子轴承系统的稳定性

转子轴承系统的稳定性是指转子在受到某种扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态的能力，也就是说扰动响应能否随时间增加而消失。如果响应随时间增加而消失，则转子系统是稳定的，若响应随时间增加不消失，则转子系统就失稳了。

造成机组失稳的情况很多，如动压轴承失稳、密封失稳、动静摩擦失稳等，而失稳又具有突发性，往往带来严重危害。因此，设备故障诊断人员应对所诊断的机组的稳定性能做到心中有数，一旦发现失稳症兆，应及时采取措施防止其发展。

图1-9 衰减自由振动

比较典型的失稳是油膜涡动。在瓦隙较大的情况下，转子常会因不平衡等原因而偏离其转动中心，致使油膜合力与载荷不能平衡，引起油膜涡动。机组的稳定性在很大程度上决定于滑动轴承的刚度和阻尼。当具有正阻尼时系统具有抑制作用，涡动逐步减弱；反之当具有负阻尼时，系统本身具有激振作用，油膜涡动就会发展为油膜振荡；在系统具有的阻尼为零时，则处于稳定临界状态。

在工程实践中，常常采用对数衰减率来判断系统的稳定性。对数衰减值是转子做衰减自由振动时，相邻振幅之比的对数值，如图1-9所示：

（1-19）

式中，； c为阻尼系数；m为系统质量；ωd为衰减自由振动的频率。

δ大的系统，对于激励的响应会较快地使之衰减，系统稳定，如δ＜0，说明系统有负

阻尼，系统会自激。

二、多盘转子

图1-10 多盘转子常见振型

实际应用中，转子上可能装配有多个叶轮，这就与前面介绍的单盘转子有所不同，称为多盘转子。在此仅介绍多盘转子的振型问题。一个弹性体可以看成是由无数多个质点组成的，各质点之间采用弹性连接，只要满足连续性条件，各质点的微小位移都是可能的，因此一个弹性体有无限多个自由度，而每个质点都有可能产生共振形成共振峰。就转子而言，转子结构的每个共振峰均伴随着一个振动模态形式，称之为振型。当激振频率与模态之一吻合时，结构的振动形式会形成驻波。激振频率不同驻波形式也不同，如图1-10所示分别为一阶、二阶、三阶驻波，其中振值为零的部位称为节点。

了解振型对设备故障诊断具有实际意义：

(1)由振型可见，即使所考虑的测点彼此相距很近，但各点之间所测得的实际振动可能有很大的差别；

(2)轴承部位不一定就是振动最大的部位。

因此，在进行设备诊断时，首先应正确选择好测点，避免设置在节点上；其次，应考虑到在测点测得的振值不一定就是振动最强烈的数值，在其他部位可能会有更大的振值。

三、扭转振动

分析旋转机械振动故障时，一般都是指平行振动，即振动质量仅沿着直线方向往返运动，包括转轴轴线垂直方向的径向振动和沿轴线方向的轴向振动两种形式。除此之外，有时还会遇到绕着轴线进行的扭转振动。扭振的力学模型如图1-11所示。

据此可得到扭转系统的运动方程（1-20）

图1-11 多盘转子常见振型

(a)自由振动；(b)强迫振动

式中，I为质量绕旋转轴的惯性矩；φ为运动转角；c′为阻尼常数；k′为转动刚度；M为外加扭矩。

由式(1-20)可见，描述扭转运动的方程与描述平行振动运动的方程具有完全类似的形式，区别在于振动质量M改成了惯性矩I，位移x改成了转角φ，这就表明，上述讨论平动振动时得到的各种规律完全适用于扭转振动。不过，从监测方法和故障机理上看，两者则有很大的不同。

产生扭转振动的根本原因是旋转机械的主动力矩与负荷反力矩之间失去平衡，致使合成扭矩的方向来回变化。扭振故障多见于电力系统的汽轮发电机组，石化行业广为使用的烟机也时有发生。扭振具有极大的破坏性，轻者使作用在轴上的扭应力发生变化，增加轴的疲劳损伤，降低使用寿命，严重扭振会导致机组轴系损坏或断裂，影响机组安全可靠运行。扭振故障有多种形式，一般按频率特征将轴系扭振分成次同步共振、超同步共振和振荡扭振扭动三种基本形式。