油膜振荡的特征及判别方法

油膜振荡的特征及判别方法

作者：山东工程学院 曲庆文 马浩 柴山

摘要：油膜振荡是大型机电设备

出现故障较多的原因之一，本文主要对机电设备中出现油膜振荡的特征及判别方法加以总结论述，以便尽可能地避免油膜振荡的产生，提高机电设备的利用率和生产效率，减少设备的维修时间。

关键词：油膜振荡；设备故障；故障检测

1 涡动

转轴的涡动通常有惯性涡动、液力涡动和气隙涡动等［1］。对于轴颈轴承受到动载荷时，轴颈会随着载荷的变化而移动位置。移动产生惯性力，此时，惯性力也成为载荷，且为动载荷，取决于轴颈本身的移动。轴颈轴承在外载荷作用下，轴颈中心相对于轴承中心偏移一定的位置而运转。当施加一扰动力，轴颈中心将偏离原平衡位置。若这样的扰动最终能回到原来的位置或在一个新的平衡点保持不变，即此轴承是稳定的；反之，是不稳定的。后者的状态为轴颈中心绕着平衡位置运动，称为“涡动”。涡动可能持续下去，也可能很快地导致轴颈和轴承套的接触，稳定性是轴颈轴承的重要性能之一，是由于惯性作用的主要例证。

惯性涡动是由于转子系统的不平衡重量引起的惯性离心力P 强迫引起的涡动。图1所示，矢量P 与瞬时轴的动态挠度oH 的夹角ψ表示惯性涡动的不同位置，夹角ψ随轴的转速nW 变化。对于小的nW 值，ψ接近于零，当轴的转速小于临界转速时，ψ由零增加至90°，此时力P 可以分解成作用在挠度方向oH 上的力Pr 和垂直于OH 的力Pt 。Pr 与轴的弹性变形后生成的弹性力相平衡；而Pt 则没有与之平衡的固定力，于是被迫形成“同步涡动”。当轴的转速达到临界转速nk 时，涡动达到极值；若转速继续增加，超过临界转速nk 后，涡动减小。此时， Pr 与挠度方向相反，产生自动对中现象，这是柔性轴的特征。

图1惯性涡动

由此可知，涡动振幅oH与力P、角度ψ及接触介质有关。

液力涡动又称流体涡动，它是由于轴颈与轴瓦之间润滑油层中液动力所强迫造成的涡动。图2是一经过理想动平衡(S=H)轴的径向轴颈，且有旋转速度nW。若使该轴无任何横向力作用，那么轴颈位于轴承的中心位置即(H=o)。当由于某种原因，轴颈中心作以半径为oH 的圆旋转时，润滑层内产生不对称的压力场，它的合力在图中由RQ表示，同时，在轴颈上作用有与oH方向相同的离心力P。此两个力合成为力Q，力Q可分解为与轴的弹性挠曲力平衡的力Qr和不平衡力Qt，此力将引起流体涡动。

图2液力涡动原理

对于流体涡动只能发生在流体润滑状态，且为弹性转子系统的不稳定时刻。对于柔性轴工作的稳定性条件已由Hori推导出［1］，他区分了两种流体涡动，即小的油膜振荡和大的油膜振荡。

对于最简单的涡动速度分析，设轴颈中心的涡动转速为Ω，润滑剂为常密度，若不考虑压力梯度的影响，根据流量平衡条件，由图3c可得，进入控制空间单位轴承宽度的体积流量和离开控制空间的体积流量分别为(Rωj-eΩ)(c+e)/2和(Rωj+eΩ)(c-e)/2,此二者之差应该等于轴颈移动造成的控制空间的容积增长率，即2ReΩ，则得

图3轴颈的涡动倾向

式中，R为轴承半径；e为偏心距；c为半径间隙。从而解得

Ω=ωj/(2+c/R)≈ωj/2(2)

由此，当轴颈偏离平衡位置，单从流量来考虑，涡动转速为自转转速的一半或稍小。偏心率(偏心距与半径间隙之比)越小，上式越精确。在偏心率大时，压力梯度的影响越来越显著，上式就不能用了。由于偏心率增大有利于轴承的稳定性，所以上式在一般计算中是不能完全反映问题的。

2油膜振荡机理研究的发展

油膜振荡是由于滑动轴承中的油膜作用而引起的旋转轴的自激振荡，可产生与转轴达到临界转速时同等的振幅或更加激烈。油膜振荡不仅会导致高速旋转机械的故障，有时也是造成轴承或整台机组破坏的原因。在日本和中国都有过由于油膜振荡而出现机组破坏的实例。

油膜振荡从1925年由Newkirk B L和Taylor H D首先提出以来［2］，经过了从认识到深化理解的长期发展过程，到目前已经基本成熟，能较深刻地揭示油膜振荡的本质。1925年Newkirk和Taylor发现了由用滑动轴承支持的旋转轴，当转速达到转轴的临界转速的两倍以上时，基于某种边界条件，引起转轴的激烈甩动。停止给油，转子甩动即停止，恢复给油，甩动即恢复。从而发现甩动的原因来自于油膜。且论述如下：

(1) 油膜振荡发生于转轴两倍临界转速以上，其甩动方向与转轴旋转方向一致；

(2) 油膜振荡的甩转角速度与转轴旋转角速度无关，约等于转轴临界转速时的角速度；

(3) 油膜振荡与转轴在临界转速下产生的振动不同，一旦发生，转速增加也不会停止；

(4) 缩短轴承宽度则不易发生油膜振荡；

(5) 轴承的支承若做成自动调心式，在安装轴的两端轴承时使其有少量的不同心度，对于防止油膜振荡也有一定的作用。

1956年Newkirk B L和Lewis J F发表论文称，在工作转速达5倍临界转速时尚未产生油膜振荡。同年，Pinkus O提到，在大量实验里证实了油膜振荡的“惯性效应”，即当没有油膜振荡时，即使提高转轴的转速也可维持原状；而当产生油膜振荡时，虽然降低转速，油膜振荡仍有继续下去的倾向。同时，有人提出，当转轴工作转速低于不稳定转速时，若加以冲击也可能会出现激烈的油膜振荡现象。

在发生油膜振荡后对振幅的变化，Newkirk和Taylor则指出，油膜振荡一旦发生，伴随转轴转速的上升将愈为激烈，以后似乎没有稳定区；但也有人说，提高转速后振幅会减小。日本油膜振荡学者堀幸夫在实验中也有类似的发现。同时人们还提到在某些情况下转轴的稳定与不稳定状态被一段短暂的振荡所分开。

润滑油的粘度系数(或油温)对油膜振荡的影响也成为争论的问题。多数学者认为油温愈高也即粘性愈小愈不容易引起油膜振荡，但也有相反意见。Pinkus还特别提出温热的油和冷油对油膜振荡都具有稳定作用。

姚福生院士在东方汽轮机厂工作期间，处理汽轮机油膜振荡问题及在大量实验的基础上也观察到上述结果，对这些油膜振荡稍加处理就会立即消失，采用了提高轴承进油温度、改变轴承垂直和水平间隙、改变轴承宽度、改变轴承形式等手段。

总之，油膜振荡的产生与多种因素有关，概括起来如下［3～8］：