滑动轴承是一种在众多机械和应用中被广泛使用的机械元件,其设计能够适应各种多样化的工况。例如,在小型机器中(如汽车交流发电机)可以见到薄壁轴套;在承受变化负载和高温条件下的场合(如内燃机的连杆和曲轴)也广泛使用;在极高载荷的场合(如铁路轴承)中同样适用,甚至在对可靠性要求接近 100% 的涡轮机械中(如蒸汽涡轮)也有广泛应用。
除了带有滑动轴承的机器可能出现的不平衡、对中不良、轴弯曲、偏心、共振等机械问题外,滑动轴承还存在一些典型的自身问题或缺陷,如间隙过大、油膜涡动( oil whirl )以及润滑不足等问题。
间隙过大
为了让松动问题显现出来,必须存在来自不平衡、对中不良等引发该问题的激励力,从而引起较高的振动水平。过载的轴承更难吸收由机械问题带来的力,因此会在 1 倍、2 倍转速( RPM )及更高的谐波频率上产生高振动。还可能出现分数谐波(如 1.5 倍、2.5 倍、3.5 倍转速)和亚谐波(如 0.5 倍转速)。轴承的松动会影响轴心在轴承中的位置,因此间隙过大会导致轴的位置偏差,进而出现对中不良的现象,引发相应的振动及特有频率。
油膜涡动( Oil whirl )
油膜涡动是滑动轴承的典型问题。这种现象主要发生在配有高压润滑系统、且运行转速较高的机器中,通常发生在转子运行速度超过其临界转速的情况下。油膜涡动引起的典型振动为亚同步振动,其频率通常在 0.43 到 0.48 倍转速之间。在转子转速正好是某一临界转速的两倍时,会激发转子的固有频率,可能导致灾难性故障。这种现象称为 oil whip(油鞭)。
下面我们将更详细地描述滑动轴承中的油膜涡动现象。在正常工作条件下,转子在轴承中处于油膜上的偏心位置。轴的旋转运动推动润滑油,形成一个高压楔形油膜来支撑轴的载荷。在流体下游的压力比上游低,这种压力差会在转子上形成一个切向力,沿旋转方向作用,这正是转子振动的根源。该振动的特征频率取决于油膜的拖曳速度。实际上,与所有运动中的黏性流体一样,接触转子的油分子层以转子的速度运动,周围油层则受到剪切力的带动,速度逐渐递减,直到靠近轴承壁的一层速度为零。通常,这种现象产生的力远小于作用在轴承上的静态或动态载荷。然而,在某些情况下,这种油膜旋涡力成为主要作用力,因此具有潜在危险。
加之这一缺陷本身具有不稳定性,因此必须特别重视,分析其出现的所有潜在根本原因。
油膜涡动现象通常与轴承设计不当有关。例如,如果轴在轴承中的静载荷太小,那么油膜旋转产生的力就可能成为主导力,此时机器就非常容易发生油膜涡动。轴承严重磨损也是导致油膜涡动的问题之一。机器发生油膜涡动的倾向取决于轴在轴承中的偏心程度。而当轴承磨损严重时,轴的偏心度会越来越大,加剧轴承磨损,从而进一步加剧油膜涡动的发生概率。油压或油品黏度的升高也可能增加油膜涡动发生的几率。
当发现油膜涡动问题时,可以采取一些临时措施进行纠正,例如:提高油温以降低油的黏度,或者通过引入微小的不平衡或对中不良来增加轴承负载。目前已有一些专门设计的轴承用以降低油膜涡动出现的可能性。
下图展示了一个典型油膜涡动问题的频谱图。该频谱是通过连接核电站冷却立式泵连续监测系统面板的缓冲输出所获取的,观测到在 0.47×RPM 处有一个主峰。在数据采集过程中发现,该主峰的幅值变化非常明显,这正是该现象不稳定性的表现。
润滑不足
当润滑系统失效或所使用的油品不合适时,转子可能与轴承壁直接接触,产生摩擦,并引起与上文类似的切向振动,但其机理有所不同,且出现的振动频率通常较高,与机器的转速无关。
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