中国一流的离心机生产企业
专注生物医疗、实验室离心机

机械振动故障中的油膜涡动及振荡

  转子轴颈在滑动轴承内作高速旋转运动的同时,随着运动楔入轴颈与轴承之间的油膜压力若发生周期性变化,迫使转子轴心绕某个平衡点作椭圆轨迹的公转运动,这个现象称为涡动。当涡动的激励力仅为油膜力时,涡动是稳定的,其涡动角速度是转动角速度的0.43〜0.48。所以又称为半速涡动。当油膜涡动的频率接近转子轴系中某个自振频率时,引发大幅度的共振现象,称为油膜振荡。

  油膜涡动仅发生在完全液体润滑的滑动轴承中,低速及重载的转子建立不起完全液体润滑条件,因而不发生油膜涡动。所以消除油膜涡动的方法之一,就是减少接触角,使油膜压力小于载荷比压。此外,降低油的黏度也能减少油膜力,消除油膜涡动或油膜振荡。

  油膜振荡仅在髙速柔性转子以接近某个振频率的2倍转速条件下运转时发生。在发生前的低速状态时,油膜涡动会先期发生,再随着转速的升高发展到油膜振荡。


【实例一】某化肥厂的二氧化碳压缩机组,在检修后,运行了 140多天,高压缸振动突然升到报警值而被迫停车。

  在机组运行过程中及故障发生前后,在线监测系统均作了数据记录。高压缸转子的径向振动频谱图见图3-11,图3-ll(a)是故障前的振动频谱,振动信号只有转频的幅值。图3-ll(b)是故障发生时的振动频谱,振动信号除转频外,还有约为1/2转频的振幅,这是典型的油膜涡动特征。据此判定高压缸转子轴承发生油膜涡动。

 

故障前与故障后的频谱图.png

 

【实例二】某公司国产30万吨合成氨装置,其中一台ALS-16000离心式氨压缩机组,在试车中曾遇到轴承油膜振荡。

该机由ll000kW的汽轮机拖动,压缩机由高压缸和低压缸两部分组成,中间为速比是56:42的增速器。低压缸工作转速为6700r/min,高压缸工作转速为8933r/min。轴承形式为四油楔。轴承间隙=1.6‰D。在试车中,高压缸转子在7800r/min以后振幅迅速增大,至8760r/min时,振幅达到150um左右,从不平衡响应图上可以确定高压缸第一临界转速为3000〜3300r/min。

高压缸油膜振荡初期及发展的振动频谱比较.jpg

  图3-12(a)表示高压缸轴振动刚出现油膜振荡时的频谱。从图中可见,140.5Hz(8430/min)是轴的转速频率f,由轴的不平衡振动引起。55Hz为油膜振荡频率Ω。当转速升至8760r/min(146Hz)时,油膜振荡频率Ω的幅值己超过转速频率f的幅值,见图3-12(b),这是一幅典型的油膜振荡频谱图,从图3-12(b)中可见,频率成分除了f(146Hz)和Ω(56.5Hz)之外,还存在其他频率成分,这些成分是主轴振动频率f和油膜振荡频率Ω的一系列和差组合频率。 例如:

1450141955888090.png

 

【实例三】某公司一台空气压缩机,由高压缸和低压缸组成。低压缸在一次大修后,转子两端轴振动持续上升,振幅达50〜55um,大大超过允许值33μm,但低压缸前端的增速箱和后端的高压缸振动较小。低压缸前、后轴承上的振动测点信号频谱图如图3-13(a)、(b)所示,图中主要振动频率为91.2Hz,其幅值为工频(190Hz)振幅的3倍多,另外还有2倍频和4倍频成分,值得注意的是,图中除了非常突出的低频91.2Hz之外,4倍频成分也非常明显。对该机组振动信号的分析认为:

① 低频成分突出,它与工频成分的比值为0.48,可认为是轴承油膜不稳定的半速涡动;

② 油膜不稳定的起因可能是低压缸两端联轴器的对中不良,改变了轴承上的负荷大小和方向。

低压缸前、后轴承上的振动测点信号频谱比较.png

 

 

停机检查,发现如下问题:

① 轴承间隙超过允许值(设计最大允许间隙为0.18mm,实测为0.21mm)。

② 5块可倾瓦厚度不均匀,同一瓦块最薄与最厚处相差0.03mm,超过设计允许值。瓦块内表面的预负荷处于负值状态(PR值原设计为0.027,现降为-0.135),降低了轴承工作稳定性。

③ 两端联轴器对中不符合要求,平行对中量超差,角度对中的张口方向相反,使机器在运转时产生附加的不对中力。

  对上述发现的问题分別作了修正,机器投运后恢复正常,低压缸两端轴承的总振值下降到20μm,检修前原频谱图上反映轴承油膜不稳定的91.2Hz低频成分和反映对中不良的4倍频成分均己消失[图3-13(c)、(d)]。


【实例四】1997年11月,某钢铁公司空压站的一台髙速空压机开机不久,发生阵发性强烈吼叫声,最大振值达17mm/s (正常运行时不大于2mm/s),严重威胁机组的正常运行。

  对振动的信号作频谱分析。正常时,机组振动以转频为主。阵发性强烈吼叫时,振动频谱图中出现很大振幅的0.5×转频成分,转频振幅增加不大。基于这个分析,判定机组的振动超标是轴承油膜涡动所引起,并导致了动静件的摩擦触碰。

  现场工程技术人员根据这个结论,调整润滑油的油温,使供油油溫从30℃提到38℃后,机组的强烈振动消失,恢复正常运行。

  事后,为进一步验证这个措施的有效性。还多次调整油温,考察机组的振动变化,证实油温在30〜38℃左右时,可显著降低机组的振动。