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表1-2? 油膜渦動(dòng)與油膜振蕩振動(dòng)敏感參數(shù)
???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 續(xù)表
?????? 五、油膜渦動(dòng)與油膜振蕩的故障原因及治理措施
???? ? 根據(jù)油膜軸承的工作原理，油膜渦動(dòng)與油膜振蕩的故障原因及治理措施如表1-3所示。
表1-3? 油膜渦動(dòng)與油膜振蕩故障原因及治理措施
????? 六、診斷實(shí)例
???? ??例1：圓筒瓦油膜振蕩故障的診斷
某氣體壓縮機(jī)運(yùn)行期間，狀態(tài)一直不穩(wěn)定，大部分時(shí)間振值較小，但蒸汽透平時(shí)常有短時(shí)強(qiáng)振發(fā)生，有時(shí)透平前后兩端測點(diǎn)在一周內(nèi)發(fā)生了20余次振動(dòng)報(bào)警現(xiàn)象，時(shí)間長者達(dá)半小時(shí)，短者僅1min左右。圖1-7是透平1＃軸承的頻譜趨勢(shì)，圖1-8、圖1-9分別是該測點(diǎn)振值較小時(shí)和強(qiáng)振時(shí)的時(shí)域波形和頻譜圖。經(jīng)現(xiàn)場測試、數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)透平振動(dòng)具有如下特點(diǎn)。
圖1-7 1*軸承的測點(diǎn)頻譜變化趨勢(shì)
圖1-8? 測點(diǎn)振值較小時(shí)的波形與頻譜
??????????????????????????????????????? 圖1-9? 測點(diǎn)強(qiáng)振時(shí)的波形和頻譜
(1)正常時(shí)，機(jī)組各測點(diǎn)振動(dòng)均以工頻成分(143.3Hz）幅值最大，同時(shí)存在著豐富的低次諧波成分，并有幅值較小但不穩(wěn)定的69.8Hz（相當(dāng)于0.49×）成分存在，時(shí)域波形存在單邊削頂現(xiàn)象，呈現(xiàn)動(dòng)靜件碰磨的特征。
(2)振動(dòng)異常時(shí)，工頻及其他低次諧波的幅值基本保持不變，但透平前后兩端測點(diǎn)出現(xiàn)很大的0.49×成分，其幅度大大超過了工頻幅值，其能量占到通頻能量的75%左右。
(3)分頻成分隨轉(zhuǎn)速的改變而改變，與轉(zhuǎn)速頻率保持0.49×左右的比例關(guān)系。
(4)將同一軸承兩個(gè)方向的振動(dòng)進(jìn)行合成，得到提純軸心軌跡。正常時(shí)，軸心軌跡穩(wěn)定，強(qiáng)振時(shí)，軸心軌跡的重復(fù)性明顯變差，說明機(jī)組在某些隨機(jī)干擾因素的激勵(lì)下，運(yùn)行開始失穩(wěn)。
(5)隨著強(qiáng)振的發(fā)生，機(jī)組聲響明顯異常，有時(shí)油溫也明顯升高。
?診斷意見：根據(jù)現(xiàn)場了解到，壓縮機(jī)第一臨界轉(zhuǎn)速為3362r/min，透平的第一臨界轉(zhuǎn)速為8243r/min，根據(jù)上述振動(dòng)特點(diǎn)，判斷故障原因?yàn)橛湍u動(dòng)。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況，建議降低負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，在加強(qiáng)監(jiān)測的情況下，維持運(yùn)行等待檢修機(jī)會(huì)處理。
生產(chǎn)驗(yàn)證：機(jī)組一直平穩(wěn)運(yùn)行至當(dāng)年大檢修。檢修中將軸瓦形式由原先的圓筒瓦更改為橢圓瓦后，以后運(yùn)行一直正常。
?例2：催化氣壓機(jī)油膜振蕩
某壓縮機(jī)組配置為汽輪機(jī)十齒輪箱＋壓縮機(jī)，壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：
工作轉(zhuǎn)速：7500r/min???????????? 出口壓力：1.OMPa
軸功率：1700kW????????????????? 進(jìn)口流量：220m3 /min
進(jìn)口壓力：0.115MPa????????????? 轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速：2960r/min
1986年7月，氣壓機(jī)在運(yùn)行過程中軸振動(dòng)突然報(bào)警，Bently 7200系列指示儀表打滿量程，軸振動(dòng)值和軸承座振動(dòng)值明顯增大，為確保安全，決定停機(jī)檢查。
揭蓋檢查，零部件無明顯損壞，測量轉(zhuǎn)子對(duì)中數(shù)據(jù)、前后軸承的間隙、瓦背緊力和轉(zhuǎn)子彎曲度，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均符合要求。對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速動(dòng)平衡后重新安裝投用，振動(dòng)狀況不但沒有得到改善，反而比停機(jī)前更差。氣壓機(jī)前端軸振動(dòng)值達(dá)到185μm，其中47Hz幅值為181μm, 125Hz幅值為42μm，如圖1-10（a）所示。氣壓機(jī)后端軸振動(dòng)值為115μm，其中47Hz幅值為84μm，125Hz幅值為18μm，如圖1-10（b）所示。軸心軌跡為畸形橢圓。氣壓機(jī)前后軸承座水平方向振動(dòng)劇烈，分別達(dá)到39μm、29μm。
????????????????????????????????????? 圖1-10? 氣壓機(jī)軸承振動(dòng)頻譜
為進(jìn)行故障識(shí)別，又一次進(jìn)行升速試驗(yàn)，記錄振動(dòng)與轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，氣壓機(jī)升速過程三維譜圖，如圖1-11所示。
前后軸承振動(dòng)頻譜圖均發(fā)現(xiàn)有47Hz低頻峰值存在，觀察三維譜圖可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)升速至4260r/min時(shí)出現(xiàn)半速渦動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，渦動(dòng)頻率和振幅不斷增加，當(dāng)渦動(dòng)頻率達(dá)到47Hz時(shí)不再隨轉(zhuǎn)速而上升，轉(zhuǎn)速提高到7500r/min工作轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)頻率仍為47Hz，但振幅非常大，低頻分量為179μm，而工頻分量只有40μm。
診斷意見：對(duì)轉(zhuǎn)子一支承系統(tǒng)進(jìn)行核算，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速為：2820r/min（47Hz）。
據(jù)此進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，其振動(dòng)特征及變化規(guī)律與典型的高速輕載轉(zhuǎn)子的油膜振蕩故障現(xiàn)象完全吻合。因此可以判定其故障原因?yàn)橛湍ふ駝?dòng)。
由于油膜振蕩故障危害極大，可能在短時(shí)間內(nèi)造成機(jī)組損壞，所以必須立即停機(jī)檢修處理。
?生產(chǎn)驗(yàn)證：停機(jī)后解體檢查發(fā)現(xiàn)，軸瓦巴氏合金表面發(fā)黑，上瓦有磨損并伴有大量小氣孔，前軸承巴氏合金有部分脫落。更換新的可傾瓦軸承后，再次啟動(dòng)機(jī)組，47Hz的低頻分量不再出現(xiàn)，油膜振蕩故障消失。
圖1-11? 前軸承升速過程振動(dòng)瀑布圖
七、油膜振蕩的防治措施
????? ?由于油膜振蕩故障危害極大，極有可能在瞬間造成機(jī)毀人亡的重大事故，故在此對(duì)其防治措施做一重點(diǎn)介紹。
1．設(shè)計(jì)上盡量避開油膜共振區(qū)
首先，在設(shè)計(jì)機(jī)組時(shí)就要避免轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在二倍的第一階臨界轉(zhuǎn)速以上運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)檫@樣容易由軸承油膜不穩(wěn)定引起渦動(dòng)與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)自振頻率相重合而引發(fā)油膜振蕩。從這個(gè)方面來看，轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在二倍的第一臨界轉(zhuǎn)速以下，可以提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。對(duì)于一些高轉(zhuǎn)速的離心式機(jī)器，由于結(jié)構(gòu)上的原因，可能超過二倍第一臨界轉(zhuǎn)速，這類轉(zhuǎn)子容易引起油膜失穩(wěn)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性計(jì)算，并采用抗振性較好的軸承。
2．增加軸承比壓
軸承比壓是指軸瓦工作面上單位面積所承受的載荷，即??????????????? (1-6)
???? ? 式中P—單個(gè)軸承載荷；d—軸頸直徑；l—軸承長度。
從式(1-6)可以看出，在軸承載荷尸不變的情況下，增加軸承比壓的手段主要有減小軸徑d或縮短軸承長度l。這將導(dǎo)致軸承承載能力系數(shù)Ψp提高，轉(zhuǎn)子趨于低速重載形式。一般軸承比壓取0.1～1. 5MPa，對(duì)離心式壓縮機(jī)組等一些高速輕載軸承，軸承比壓一般較低，為0.3～1.0MPa。
增加比壓值等于增大軸頸的偏心率，提高油膜的穩(wěn)定性。重載轉(zhuǎn)子之所以比輕載轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，就是因?yàn)橹剌d轉(zhuǎn)子偏心率大，質(zhì)心低，比較穩(wěn)定。因此，對(duì)一些已經(jīng)引起油膜失穩(wěn)的轉(zhuǎn)子，常用的方法是把軸瓦的長度減小（可用車削方法），以增大軸承比壓，提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。
3.減小軸承間隙
試驗(yàn)表明，如果把軸承間隙減小，則可提高發(fā)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速。其實(shí)減小的間隙c，
就相對(duì)增大了軸承的偏心率ε，各類軸承的直徑相對(duì)間隙推薦值見表1-4。
表1-4??? 各類軸承的直徑相對(duì)間隙范圍
?????? 4.控制適當(dāng)?shù)妮S瓦預(yù)負(fù)荷軸承預(yù)負(fù)荷定義為：????????????? (1-7)
????? 式中c—軸承平均半徑間隙；Rp —軸承內(nèi)表面曲率半徑；Rs—軸頸半徑。
圖1-12? 軸瓦的預(yù)負(fù)荷
????? ?圖1-12表示軸瓦對(duì)軸頸的預(yù)負(fù)荷作用。
預(yù)負(fù)荷為正值，表示軸瓦內(nèi)表面上的曲率半徑大于軸頸半徑，因而軸頸相對(duì)于軸瓦內(nèi)表面來說，相當(dāng)于起到增大偏心距的作用，在每塊瓦塊上油楔的收斂程度更大，迫使油進(jìn)入收斂形間隙中，增加油楔力。幾個(gè)瓦塊在周向上的聯(lián)合作用，穩(wěn)住了軸頸的渦動(dòng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，這就是軸瓦的預(yù)負(fù)荷作用。對(duì)于圓柱軸承，因?yàn)閏=Rp-RS,預(yù)負(fù)荷值Pk=0,所以這種軸承就相對(duì)容易發(fā)生油膜振蕩。橢圓形軸承的軸瓦是由上下兩個(gè)圓弧組成的，其曲率半徑大于圓柱瓦，軸頸始終處于瓦的偏心狀態(tài)下工作，預(yù)負(fù)荷值較大。在油楔力作用下，軸頸的垂直方向上受到一定約束力，因而其穩(wěn)定性比圓柱瓦高。對(duì)于多油楔軸承，多個(gè)油楔產(chǎn)生的預(yù)負(fù)荷作用把軸頸緊緊地約束在轉(zhuǎn)動(dòng)中心，可以較好地減弱轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)。幾種多油楔軸承的示意圖如圖1-13所示。其中五油楔可傾瓦軸承是目前大型高速離心壓縮機(jī)組、蒸汽透平最常用的軸承型式。
?????????????????????????????????????????????? 圖1-13? 多油楔軸承示意圖
了解軸瓦上的預(yù)負(fù)荷作用，在修刮軸瓦時(shí)就要注意不要把軸瓦刮成預(yù)負(fù)荷值為負(fù)數(shù)（瓦面曲率半徑小于軸承內(nèi)圓半徑），否則將會(huì)增加油膜的不穩(wěn)定性。
5.選用抗振性好的軸承
從軸承結(jié)構(gòu)形式上分析，圓柱軸承雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的優(yōu)點(diǎn)，但其抗振性能最差，因?yàn)檫@種軸承缺少抑制軸頸渦動(dòng)的油膜力。從軸頸渦動(dòng)與穩(wěn)定性的討論中已經(jīng)知道，造成轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的不穩(wěn)定力是一個(gè)與轉(zhuǎn)子位移方向相垂直的切向力，此力在圓柱軸承中受到的阻尼最小，轉(zhuǎn)子一旦失穩(wěn)，就比較難控制。多油楔軸承因?yàn)檩S頸受到周圍幾個(gè)油膜力的約束，就像周向上分布的幾只彈簧壓住軸頸，由此可知，橢圓軸承的穩(wěn)定性優(yōu)于圓柱軸承，多油楔軸承的穩(wěn)定性優(yōu)于橢圓軸承。
膨脹機(jī)、蒸汽透平輪機(jī)和離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子多屬高速輕載轉(zhuǎn)子，容易引起油膜失穩(wěn)，因而多數(shù)采用抗振性更為優(yōu)良的可傾瓦軸承。這種軸承的特點(diǎn)是軸瓦由多個(gè)活動(dòng)塊組成（以5塊瓦居多），每塊瓦均有一個(gè)使瓦塊可以自由擺動(dòng)的支點(diǎn)，瓦塊按載荷方向自動(dòng)調(diào)整，使瓦上的油膜反力通過軸頸中心。由于這個(gè)特殊功能，當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界激勵(lì)因素干擾，軸頸暫時(shí)偏離原來位置時(shí)，各瓦塊可按軸頸偏移后的載荷方向自動(dòng)調(diào)整位置，使油膜合力與外載荷相平衡，這樣就不存在加劇轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的切向油膜力。其次，軸承由幾個(gè)獨(dú)立的瓦塊組成，油膜不連續(xù)，因此，大幅度渦動(dòng)的可能性也就比較小。
6．調(diào)整油溫
適當(dāng)?shù)厣哂蜏兀瑴p小油的黏度，可以增加軸頸在軸承中的偏心率，有利于軸頸穩(wěn)定。另一方面，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子，降低油溫，增加油膜對(duì)轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的阻尼作用，有時(shí)對(duì)降低轉(zhuǎn)子振幅有利。
由此可見，采取升高油溫還是降低油溫的措施來減少油膜渦動(dòng)的影響，與軸承間隙大小有關(guān)。如果振動(dòng)隨油溫升高而增大，多數(shù)原因是由于軸承間隙過大；如果振動(dòng)隨油溫
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