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油膜軸承因其承載性能好，工作穩(wěn)定可靠、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在各種機(jī)械、各個(gè)行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)油膜軸承故障機(jī)理的研究工作也比較廣泛和深入。
一、油膜軸承的工作原理
??? ? ?油膜軸承按其工作原理可分為靜壓軸承與動(dòng)壓軸承兩類。
靜壓軸承是依靠潤(rùn)滑油在轉(zhuǎn)子軸頸周圍形成的靜壓力差與外載荷相平衡的原理進(jìn)行工作的。不論軸是否旋轉(zhuǎn)，軸頸始終浮在壓力油中，工作時(shí)可以保證軸頸與軸承之間處于純液體摩擦狀態(tài)。因此，這類軸承具有旋轉(zhuǎn)精度高、摩擦阻力小、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并且對(duì)轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性和抗振性非常好。但是，靜壓軸承的制造工藝要求較高，還需要一套復(fù)雜的供油裝置，因此，除了在一些高精度機(jī)床上應(yīng)用外，其他場(chǎng)合使用尚少。
動(dòng)壓軸承油膜壓力是靠軸本身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，因此供油系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)良好的動(dòng)壓軸承具有很長(zhǎng)的使用壽命，因此，很多旋轉(zhuǎn)機(jī)器（例如膨脹機(jī)、壓縮機(jī)、泵、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等）均廣泛采用各類動(dòng)壓軸承。
在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上使用的液體動(dòng)壓軸承有承受徑向力的徑向軸承和承受軸向力的止推軸承兩類，本節(jié)主要討論徑向軸承的故障機(jī)理與診斷。
在動(dòng)壓軸承中，軸頸與軸承孔之間有一定的間隙（一般為軸頸直徑的千分之幾），間隙內(nèi)充滿潤(rùn)滑油。軸頸靜止時(shí)，沉在軸承的底部，如圖1-1 (a )所示。當(dāng)轉(zhuǎn)軸開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸依靠摩擦力的作用，沿軸承內(nèi)表面往上爬行，達(dá)到一定位置后，摩擦力不能支持轉(zhuǎn)子重量就開始打滑，此時(shí)為半液體摩擦，如圖1-1（b)所示。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，軸頸把具有黏性的潤(rùn)滑油帶入與軸承之間的楔形間隙（油楔）中，因?yàn)樾ㄐ伍g隙是收斂形的，它的入口斷面大于出口斷面，因此在油楔中會(huì)產(chǎn)生一定油壓，軸頸被油的壓力擠向另外一側(cè)，如圖1-1（c）所示。如果帶入楔形間隙內(nèi)的潤(rùn)滑油流量是連續(xù)的，這樣油液中的油壓就會(huì)升高，使入口處的平均流速減小，而出口處的平均流速增大。由于油液在楔形間隙內(nèi)升高的壓力就是流體動(dòng)壓力，所以稱這種軸承為動(dòng)壓軸承。在間隙內(nèi)積聚的油層稱為油膜，油膜壓力可以把轉(zhuǎn)子軸頸抬起，如圖1-1（d)所示。當(dāng)油膜壓力與外載荷平衡時(shí)，軸頸就在與軸承內(nèi)表面不發(fā)生接觸的情況下穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)的軸心位置略有偏移，這就是流體動(dòng)壓軸承的工作原理。
圖1-1 動(dòng)壓軸承工作狀態(tài)
? ???? 軸頸在軸承內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)的油膜壓力分布情況如圖1-2所示。軸承參數(shù)如下：
圖1-2 軸承內(nèi)油膜壓力分布
?? ?????—偏位角；??????e—偏心距；
? ?? ? c—平均間隙，?
φ—相對(duì)間隙，
?????? ε—相對(duì)偏心率，
hmin——最小油膜厚度，
?????? 軸承的承載能力與多種參數(shù)有關(guān)，對(duì)于圓柱軸承可用式（1－1）表示：
??????????????????????????????????? (1-1)
?????? 式中P—軸承載荷；Ψp—軸承承載能力系數(shù)；μ—潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度系數(shù)；l—軸承寬度；
d—軸頸直徑；ω—軸頸旋轉(zhuǎn)角速度。
當(dāng)Ψp>1時(shí)，稱為低速重載轉(zhuǎn)子；當(dāng)Ψp＜1時(shí)，稱為高速輕載轉(zhuǎn)子。Ψp是偏心率ε和軸承寬徑比l／d的函數(shù)，偏心率越大或軸承寬徑比越大，貝Ψp 也越大，軸承承載能力也大，但偏心率過大時(shí)最小油膜厚度過薄，有可能出現(xiàn)軸頸與軸承內(nèi)表面干摩擦的危險(xiǎn)。
二、油膜軸承的不穩(wěn)定工作機(jī)理
? ???? 在石油、化工、電力、鋼鐵和航空工業(yè)部門中使用的高性能旋轉(zhuǎn)機(jī)械，多數(shù)屬于高速輕載轉(zhuǎn)子，即Ψp＜1。高速輕載軸承由于設(shè)計(jì)不良或使用中多種因素的影響，易發(fā)生油膜不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)在某種工作狀態(tài)下，還會(huì)發(fā)生高速滑動(dòng)軸承的一種特有故障—油膜渦動(dòng)和油膜振蕩問題，（密封無憂網(wǎng)www.sdmoju.cn）轉(zhuǎn)子軸頸在油膜中的劇烈振動(dòng)將會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)器零部件的損壞。因此，必須了解產(chǎn)生油膜不穩(wěn)定工作的原因、故障機(jī)理和特征，采取措施防止轉(zhuǎn)子在工作時(shí)失穩(wěn)。
1．軸頸在油膜中的渦動(dòng)與穩(wěn)定性
轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中以角速度ω穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸上的載荷與油膜力相平衡，即作用在軸頸中心上的力大小相等、方向相反。如圖1-3所示，假如軸頸中心在O1位置上，軸頸載荷W和油膜力P大小相等，方向相反，O1點(diǎn)就是軸頸旋轉(zhuǎn)的平衡位置，這個(gè)平衡位置由軸頸的偏心率ε和偏位角?來確定的。假如轉(zhuǎn)子受到外界瞬時(shí)干擾力的作用，軸頸中心移到O′位置時(shí)，如果能夠回復(fù)到原來的位置，則認(rèn)為系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則認(rèn)為是不穩(wěn)定的。當(dāng)軸心移到O′位置時(shí)，該處的油膜反力為P′，與W不再衡，兩合力為F。把F分解為一個(gè)切向分量F2和一個(gè)徑向分量Fl,力F1與軸徑的位移方向相反，試圖把軸頸推回到原處，這是一種彈性恢復(fù)力；而力F2與軸頸位移方向垂直，它有推動(dòng)軸頸中心渦動(dòng)的趨勢(shì)，故F2稱為渦動(dòng)力。如果渦動(dòng)力等于或小于油膜阻尼力，軸頸的渦動(dòng)將是穩(wěn)定的；如果渦動(dòng)力超過阻尼力，則軸心軌跡繼續(xù)擴(kuò)大，這時(shí)軸心是不穩(wěn)定的。
???????????????????????????????????????????????? 圖1-3? 軸頸的受力分析
2.半速渦動(dòng)與油膜振蕩
渦動(dòng)是轉(zhuǎn)子軸頸在作高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，還環(huán)繞軸頸某一平衡中心作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。按照激勵(lì)因素不同，渦動(dòng)可以是正向的（與軸旋轉(zhuǎn)方向相同），也可以是反向的（與軸旋轉(zhuǎn)方向相反）；渦動(dòng)角速度與轉(zhuǎn)速可以是同步的，也可以是異步的。如果轉(zhuǎn)子軸頸主要是由于油膜力的激勵(lì)作用而引起渦動(dòng)，則軸頸的渦動(dòng)角速度將接近轉(zhuǎn)速的一半，故有時(shí)也稱之為“半速渦動(dòng)”。其運(yùn)動(dòng)的機(jī)理如下。
軸頸在軸承中作偏心旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成一個(gè)進(jìn)口斷面大于出口斷面的油楔，如果進(jìn)口處的油液流速并不馬上下降（例如，對(duì)于高速輕載轉(zhuǎn)子，軸頸表面線速度很高而載荷又很小，油楔力大于軸頸載荷，此時(shí)油楔壓力的升高不足以把收斂形油楔中的流油速度降得較低），則軸頸從油楔間隙大的地方帶入的油量大于從間隙小的地方帶出的油量，由于液體的不可壓縮性，多余的油就要把軸頸推向前進(jìn)，形成了與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)，渦動(dòng)速度就是油楔本身的前進(jìn)速度。
軸頸渦動(dòng)速度可以定量分析如下：當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度為ω時(shí)，因潤(rùn)滑油具有黏性，所以軸頸表面的油流速度與軸頸線速度相同，均為rω，而在軸瓦表面處的潤(rùn)滑油流速為零。為分析方便，假定間隙中的油流速呈直線分布，如圖1-4所示。在油楔力的推動(dòng)下轉(zhuǎn)子發(fā)生渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)，渦動(dòng)角速度為Ω，假定dt時(shí)間內(nèi)軸頸中心從O1點(diǎn)渦動(dòng)到O′點(diǎn)，軸頸上某一直徑A′B′掃過的面積為
???????????????????????? (1-2)
圖1-4? 軸頸半速渦動(dòng)分析
???????此面積等于軸頸掠過面積（圖中有陰影線部分的月牙形面積），這部分面積也就是油流在AA′斷面間隙與BB′斷面間隙中的流量差。假如軸承寬度為1，軸承兩端的泄油量為dQ，根據(jù)流體連續(xù)性條件，則可得到
????????????????????? (1-3)
??? ? ? 解得???????????????????????????????????????? (1-4)
? ? ?? 當(dāng)軸承兩端泄漏量
時(shí)，可得：??? (1-5)
???????實(shí)際上，由于以下原因的影響，渦動(dòng)頻率通常略低于轉(zhuǎn)速頻率的1/2：
(1)在收斂區(qū)入口的油流速度由于受到不斷增大的油壓作用而逐漸減慢，而在收斂區(qū)出口的油流速度在油楔壓力作用下會(huì)有所增大。這兩者的作用與軸頸旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的直線速度分布相疊加，就使得圖1-4中AA′斷面上的速度分布線向內(nèi)凹進(jìn)，BB′斷面上的速度分布線向外凸出，這種速度分布上的差別使軸頸的渦動(dòng)速度下降。
(2)注入軸承中的壓力油不僅被軸頸帶著作圓周運(yùn)動(dòng)，還有部分潤(rùn)滑油從軸承兩側(cè)泄漏，此時(shí)，
因而，這是造成渦動(dòng)速度低于轉(zhuǎn)速之半的另一個(gè)原因，式（1-5)變?yōu)椋?img decoding="async" data-original="http://www.sdmoju.cn/wp-content/uploads/2020/04/20061029213709168.gif" src="http://www.sdmoju.cn/wp-content/themes/begin/img/blank.gif" alt="油膜軸承的故障機(jī)理與診斷" align="baseline" border="0" hspace="0" />實(shí)際上，半速渦動(dòng)的頻率約為Ω＝(0.38～0.48)ω。
渦動(dòng)頻率在轉(zhuǎn)子一階自振頻率以下時(shí)，半速渦動(dòng)是一種比較平靜的轉(zhuǎn)子渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由于油膜具有非線性特性（即軸頸渦動(dòng)幅度增加時(shí)，油膜的剛度和阻尼較線性關(guān)系增加得更快，從而抑制了轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)幅度），軸心軌跡為一穩(wěn)定的封閉圖形，如圖1-5（a)所示。轉(zhuǎn)子仍能平穩(wěn)地工作。
???????????????????????????? 圖1-5? 油膜渦動(dòng)與油膜振蕩的頻譜及軸心軌跡
隨著工作轉(zhuǎn)速的升高，半速渦動(dòng)頻率也不斷升高，頻譜中半頻諧波的振幅不斷增大，使轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速升高到第一臨界轉(zhuǎn)速的2倍以上時(shí)，半速渦動(dòng)頻率有可能達(dá)到第一臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)會(huì)發(fā)生共振，造成振幅突然驟增，振動(dòng)非常劇烈。同時(shí)軸心軌跡突然變成擴(kuò)散的不規(guī)則曲線，頻譜圖中的半頻諧波振幅值增大到接近或超過基頻振幅，頻譜會(huì)呈現(xiàn)組合頻率的特征。若繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)頻率保持不變，始終等于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即Ω＝ωc1 ，這種現(xiàn)象稱為油膜振蕩，如圖1-5（c）、（d）所示。???? 三、油膜渦動(dòng)與油膜振蕩的特征
???? ? 由以上分析可知，油膜渦動(dòng)與油膜振蕩具有以下特征。
起始失穩(wěn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的相對(duì)偏心率有關(guān)，輕載轉(zhuǎn)子在第一臨界轉(zhuǎn)速之前就可能發(fā)生不穩(wěn)定的半速渦動(dòng)，但不產(chǎn)生大幅度的振動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子由于共振而有較大的振幅；越過第一臨界轉(zhuǎn)速后振幅再次減少，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振幅增大并且不隨轉(zhuǎn)速的增加而改變，即發(fā)生了油膜振蕩，如圖1-6（a)。
對(duì)于重載轉(zhuǎn)子，因?yàn)檩S頸在軸承中相對(duì)偏心率較大，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性好，低轉(zhuǎn)速時(shí)并不存在半速渦動(dòng)現(xiàn)象，甚至轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍的第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，也不會(huì)立即發(fā)生很大的振動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到兩倍的第一臨界轉(zhuǎn)速之后的某一轉(zhuǎn)速時(shí)，才突然發(fā)生油膜振蕩，如圖1-6（c）。
中載轉(zhuǎn)子在過了一階臨界轉(zhuǎn)速ωC1后會(huì)出現(xiàn)半速渦動(dòng)，而油膜振蕩則在二倍的第一臨界轉(zhuǎn)速之后出現(xiàn)，如圖1-6（b）。
油膜振蕩還具有以下特征。
(1)油膜振蕩在一階臨界轉(zhuǎn)速的二倍以上時(shí)發(fā)生。一旦發(fā)生振蕩，振幅急劇加大，即使再提高轉(zhuǎn)速，振幅也不會(huì)下降。
(2)油膜振蕩時(shí)，軸頸中心的渦動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子一階固有頻率。
(3)油膜振蕩具有慣性效應(yīng)，升速時(shí)產(chǎn)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速和降速時(shí)油膜振蕩消失時(shí)的轉(zhuǎn)速不同，如圖1-6（c）所示。
?????????????????????????????????? ?圖1-6? 不同載荷下的油膜振蕩特點(diǎn)
(4)油膜振蕩為正進(jìn)動(dòng)，即軸心渦動(dòng)的方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同。
?四、油膜渦動(dòng)與油膜振蕩的診斷
???? ? 油膜渦動(dòng)與油膜振蕩的診斷依據(jù)見表1-1和表1-2.
表1-1? 油膜渦動(dòng)與油膜振蕩振動(dòng)特征
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