刘姜敏
同煤大唐塔山第二发电有限责任公司 山西省 大同市 037003
摘要： 滑动轴承油膜涡动是转子中心绕着轴承中心转动的一种亚同步现象。油膜涡动也称为油膜自激振 荡, 对于高速轻载滑动轴承运转机械, 易出现油膜涡动现象。由于轴瓦在运行中出现裂痕、修瓦不当或磨损致使轴瓦间隙过大等原因, 会导致滑动轴承发生油膜涡动或油膜振荡,使设备运转失衡。因此,掌握滑动轴承故障的机理,对油膜振荡予以及时准确的诊断,是设备正常运行的技术保证。掌握滑动轴承产生油膜涡动和油膜振荡的机理,有助于解决采用滑动轴承来支持转子系统的大型机组,在运行中滑动轴承产生振动的故障,对保证设备平稳运行非常重要。
关键词：滑动轴承；油膜涡动；油膜振荡
高转速、大功率的大型机组支承系统多采用滑动轴承，而油膜涡动和油膜振荡是滑动轴承常见的故障，油膜涡动和油膜振荡的发生会导致转子系统不能稳定运行。掌握油膜涡动和油膜振荡的产生机理和故障特性对预防和排除油膜涡动和油膜振荡具有重要意义。当油膜涡动和油膜振荡发生时，转子系统的振动会出现异常，对异常振动信号的时频分析已成为油膜涡动和油膜振荡故障特性分析的主要手段。
一、滑动轴承振动机理
离心式压缩机是旋转式压缩机，当转子存在不平衡时将产生振动。由于受原材料、加工工艺等因素的限制，转子存在原始不平衡;在机组运转过程中发生物料的不均匀结垢或者叶轮不均匀磨损、腐蚀,会产生渐发性不平衡;零部件损伤脱落或进入异物会带来突发性不平衡。轴承与轴颈中心线之间的距离构成偏心距, 中心线与负荷向量的夹角构成姿态角, 偏心距与姿态角是衡量轴承稳定性的重要因素。滑动轴承支撑的转子系统, 其动压轴承的工作机理是:基于油楔的承载机理,由于润滑油具有一定的粘度, 在修瓦时刮出的几何浅痕中, 转子旋转时将润滑油连续带入轴和轴瓦表面,形成封闭的油楔,润滑油受到挤压作用,使油膜产生对轴的支撑力,形成油膜润滑。如动压失稳,油膜润滑无法形成或润滑状态呈劣化趋势,必将产生油膜涡动或油膜振荡。
1、油膜涡动机理。油膜涡动是转子围绕轴心线与轴承中心线旋转时轴心线与轴承中心线不重合而产生的一种运动形式。是由油膜力产生的,轴心绕轴承中心线转动的亚同步现象,其回转频率约为转子回转频率的一半, 通常油膜本身以略低于50%轴表面速度的平均速度环绕轴转动, 润滑和冷却轴承,轴浮在油膜之上,并略偏离垂直线,高于轴承给定的姿态角和偏心距处。当转子轴在动压轴承中稳定运转时, 油膜压力的合力和承载力是相互平衡的,轴的中心处在一定的位置上, 该位置为静平衡点。静平衡点随着轴的转速及载荷而变化,其移动轨迹形成轴中心线的静平衡曲线。转子在运转中受到干扰力作用,使轴心线偏离其平衡位置,该干扰力改变了轴承载荷,并相应地改变了油膜力。由于润滑油受压后产生的反力方向是油楔和轴形成的容腔壁的各个方向,油膜压力与干扰力之间的关系也是非线性的,因此轴线的偏离并不沿着载荷的方向, 油膜力便不再与载荷处 于同一直线上,大小也不再相等。两者的合力分解为径向分量和切向分量,径向分量有将轴线恢复到平衡位置的趋势,是一种弹性力;而切向分量和位移方向垂直,有使轴线绕原平衡点旋转的趋势,引起转子的涡动。
2、油膜振荡机理。涡动是一种自激振动, 当半速涡动的频率小于转子的 1 阶固有频率时,由于油膜具有非线性特性,转子轴心轨迹为一稳定的封闭图形,转子仍能平稳地工作。但当转子在2倍第一临界转速附近工作时, 由于涡动速度和第一临界转速相重合,转子系统会发生共振,此时,轴心轨迹变成扩散的不规则曲线, 频谱中的半频谐波振幅接近或超过基频振幅,轴与轴承表面接触、撞击、油膜破裂,产生油膜振荡。油膜振荡时,转子的涡动频率始终等于转子的固有频率。
二、滑动轴承故障诊断
1、频谱特征。涡动的主要特征是频谱中40% -48%倍轴转速频率处有峰值, 轴心轨迹为由基频和该频率成分叠加而成的较为稳定的双椭圆。油膜振荡的主要特征为频谱中转子第一临界频率成分为主峰值,存在非线性振动成分,轴心轨迹扩散、不规则,波型幅度不稳定,相位突变。
2、振动方向。涡动和油膜振动均发生在滑动轴承径向, 一般情况下轴承座水平径向振动最为敏感。
3、振动特点。油膜振荡是一种自激振动, 维持振动的能量是由转轴旋转产生的,不受外界激励力的影响,油膜振荡具有惯性效应,一旦发生油膜振荡就在较宽的转速范围内存在，转速变化量小时油膜振荡不会消失。
4、故障识别。温度变化是滑动轴承发生涡动及油膜振荡的最为明显的表征,当滑动轴承轴承座水平径向振动超标时,可能存在的原因有转子不平衡、不对中、油膜涡动及油膜振荡等,在对 600 kW 以上通风机的检测中发现,滑动轴承发生油膜涡动及油膜振荡时, 轴瓦温度上升到 120℃左右, 润滑油碳化严重。而转子不平衡、不对中故障时,振幅已严重超标,但滑动轴承轴瓦温度却在 80℃左右,这一点对识别滑动轴承油膜涡动及油膜振荡非常重要。间隙过大且摩擦的滑动轴承,可使轴在轴承内的位置发生改变,可能导致不对中，常常产生2倍转速频率的振动, 有时间隙过大使轴与轴承相摩擦, 或与密封件摩擦,由干扰力引起轴的不稳定状态,产生自激振动。间隙过大的滑动轴承可能使小的不平衡、不对中或其它相关力产生类似于机械松动的振动频率,但轴承不是故障源, 当轴承间隙符合要求时,其它故障源导致的振动幅值不会增大。由油膜涡动及油膜振荡产生的机理可知,轴心轨迹图是识别滑动轴承故障的另一个重要方法。目前使用的TN8000 在线监测系统,都能对滑动轴承振动数据予以采集,并通过 PC显示轴心轨迹图, 为准确识别滑动轴承振动故障提高可靠保证。从频率特点看,油膜涡动通常发生在 40% -48% 倍轴转速频率处,并且纯的油膜振动出现在 43% 轴转频处,而不稳定可能出现在第一阶临界转速频率。油膜振荡出现在转子 2 倍第一临界转速附近工作时。
油膜涡动和油膜振荡的故障特征是判别油膜涡动和油膜振荡的主要依据。从油膜涡动和油膜振荡发生过程的分析结果来看，转子转速达到某一较高值时才会产生油膜涡动，转速升至高于一阶临界转速的二倍时出现油膜振荡。对典型油膜涡动和油膜振荡信号的时频分析结果揭示出油膜涡动和油膜振荡的故障。总之，防止油膜涡动和油膜振荡的措施可以从几方面着手：提高轴的临界转速，使轴的转速不超过两倍临界转速；减小轴承长度，增大了偏心率，不易产生涡动；增大轴承间隙，增大了偏心率，不易产生涡动；提高润滑油的温度，润滑油粘度降低，增大了偏心率，不易产生涡动；做好轴动平衡，提高制造安装质量。
案例分析：
某发电厂 2 台 660 MW 机组各配备 2 台50%容量的汽动给水泵， 其汽轮机均选用杭州汽轮机厂生产的NKS63/71 型单缸、 纯冷凝、 双分流、反动式汽轮机， 额定进汽参数为 0.874MPa ,354 ℃,额定转速 5456 r/min ， 额定工况点轴功率为 10116 KW 。 给水泵为上海 KSB 生产的 CHTD6/6 型卧式泵， 出口压力30.59 MPa ， 额定流量 1306 t/h ， 汽轮机及给水泵分别由 2 个滑动轴承支撑， 轴系示意图见图 1 。 汽轮机前后轴承、 给水泵前后轴承分别为 1号、 2 号、 3 号、 4 号轴承。
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2020年4月份#4机B给水泵大修完毕后，汽泵组转速在4900r/min-5200r/min变化时#3轴承处X向、Y向轴振由44 μm上升到70μm接近报警值 80 μm ，其他 3 个轴承振动值均在 20 μm 以下。
振动分析与处理过程：
查阅TN8000在线监测系统所采集的4B汽泵驱动端振动异常的时域波形、频谱、相位参数对比结果
1、转速在4740rpm时，频谱主导频率为1X频，振动数值较小。
2、转速在4980rpm时，频谱主导频率为1X、0.65X、0.59X,振动通频值增加至60μm左右，威胁机组安全运行。
3、转速在5065rpm时，频谱主导频率为1X频振动通频数值较小。
4、转速在5050rpm时，频谱主导频率为1X、0.65X轴振通频值增加至55μm左右威胁机组安全运行。
5、查看波德图、极坐标图未发现转速变化时，振动相位有180°反相。
6、查看瀑布图在不同转速下，轴振在正常情况下未出现明显的0.56X左右的亚同步频，只是1X频占主导，当轴振值迅速增加时，不同转速下出现明显的0.56X左右的亚同步频率，1X频也随之增加，但增加幅度与转速不成正比。
通过上述分析性得出以下结论：
根据轴振频谱，在振动幅值迅速增加时，在垂自和水平方向均出现0.56X左右的亚同步频率，并且在频谱中的占比较大，而引起0.56X频的振动一般是有油膜窝动和水流激振等所致。将润滑油温由39℃提高至41℃两端轴瓦润滑油进油门适当调小，润滑油压由0.27MPa升至0.29MPa后振动明显改善。
参考文献：
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