油膜振荡

油膜振荡

Oil whip,油膜振荡

油膜振荡发生在油润滑滑动轴承的旋转设备中，在转子正常工作时，轴颈中心和轴承中心并不重合，而是存在一个偏心距e，当载荷不变、油膜稳定时，偏心距e保持不变，机组运行稳定，轴颈上的载荷Ｗ与油膜压力保持平衡，若外界给轴颈一扰动力，使轴心O1位置产生一位移△e而达到新位置，这时油膜压力由p变为p′，因而不再与此时的载荷W′(W′-W)平衡，两者的合力为F，其分力F1将推动轴颈回到起初的平衡位置O1，而在分力F2的作用下，轴颈除了以角速度?棕作自转外，还将绕O 1涡动(涡动方向与转动方向相同)，其涡动速度约为角速度的一半，称为油膜涡动(半速涡动)。油膜涡动产生后就不消失，随着工作转速的升高，其涡动频率也不断增强，振幅也不断增大。如果转子的转速继续升高到第一临界转速的2倍时，其涡动频率与一阶临界转速相同，产生共振，振幅突然骤增，振动非常剧烈，轴心轨迹突然变成扩散的不规则曲线，半频谐波振幅值就增加到接近或超过基频振幅，若继续提高转速，则转子的涡动频率保持不变，始终等于转子的一阶临界转速，这种现象称为油膜振荡。

发生油膜振荡时，其主要特征是：

a.发生强烈振动时，振幅突然增加，声音异常。

b.振动频率为组合频率，次谐波非常丰富，并且与转子的一阶临界转速相等的频率的振幅接近或超过基频振幅；

c.工作转速高于第一临界转速的2倍时才发生强烈振动，振荡频率等于转子的第一临界转速，并且不随工作转速的变化而变化，只有工作转速低于2倍第一临界转速后，剧烈振动才消失；

d.轴心轨迹为发散的不规则形状，进动方向为正进动；

e.轴承润滑油温度变化对振动有明显的影响，降低润滑油温度可以有效地抑制振动。

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