油（氣）膜振蕩

(一)油膜振蕩現(xiàn)象

滑動軸承工作時，軸頸支承在油膜上高速旋轉(zhuǎn)，在一定條件下，油膜反過來激勵軸頸，使軸頸產(chǎn)生強烈振動，這種現(xiàn)象即為油膜振蕩。

下面觀察一個轉(zhuǎn)子柔性大、載荷較輕的軸承，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從零逐漸增加時，軸頸中心的運動情況。

如圖4-63所示， A點對應的轉(zhuǎn)速稱為失穩(wěn)轉(zhuǎn)速(取決于轉(zhuǎn)子和支持軸承的工作條件);A點至A2點間，軸頸中心發(fā)生頻率等于當時轉(zhuǎn)速一半的小振動，稱為半速渦動;A2點以后，軸頸中心發(fā)生頻率等于轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速的大振動，稱為油膜振蕩。當油膜振蕩發(fā)生后，在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，渦動頻率將保持等于第一臨界轉(zhuǎn)速，振幅也始終保持在共振狀態(tài)下的大振幅，這種現(xiàn)象稱為油膜振蕩的慣性效應，因此，油膜振蕩不能用提高轉(zhuǎn)速的方法來消除。

(二)產(chǎn)生油膜振蕩的原因(了解)

由軸承的工作原理可知，在一定載荷和轉(zhuǎn)速下，軸頸中心處于某一偏心位置O'而達到平衡狀態(tài)，如圖4-64所示。此時油膜對軸頸的作用力pg與軸頸上的載荷p大小相等、方向相反且作用于同一直線上，它們的合力為零。如果軸頸受到一個干擾，中心從O'移到O"，油楔隨之發(fā)生改變，產(chǎn)生的油膜作用力的大小和方向也將發(fā)生變化，pg變?yōu)閜g'。pg'與p不平衡，它們的合力不再為零，而是力F。

F可分解為沿油膜變形方向的彈性恢復力Fr和垂直于油膜變形方向的切向分力Ft。彈性恢復力推動軸頸返回平衡點O';而切向分力將推動軸頸繞O'點轉(zhuǎn)動，引起軸頸中心在軸承內(nèi)渦動，稱為失穩(wěn)分力。此時，軸頸不僅圍繞其中心高速旋轉(zhuǎn)，而且軸頸中心還圍繞平衡點0'渦動。若失穩(wěn)分力小于軸承阻尼力，則渦動是收斂的，軸頸中心受到擾動而偏移后將自動回到平衡位置，此時軸承的工作是穩(wěn)定的。若失穩(wěn)分力大于阻尼力，則渦動是發(fā)散的，軸頸中心的軌跡為螺線擴散形，屬于不穩(wěn)定工作狀態(tài)。若失穩(wěn)分力等于阻尼力，軸頸則產(chǎn)生小振幅渦動，軸頸中心的軌跡為一橢圓形封閉曲線。理論和實踐證明，此時渦動頻率接近當時轉(zhuǎn)速的一半，稱為半速渦動。如果渦動的角速度與轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速合拍，則渦動被共振放大，軸頸發(fā)生強烈振動，即產(chǎn)生了油膜振蕩。

(三)油膜振蕩的防止和消除

危害:發(fā)生油膜振蕩時軸頸振幅很大，會引起軸承油膜破裂、軸頸與軸瓦碰撞甚至損壞。另外，因其振動頻率剛好等于轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速，成為轉(zhuǎn)子的共振激發(fā)力，使轉(zhuǎn)子發(fā)生共振，可能導致轉(zhuǎn)軸損壞。半速渦動時振幅不大，雖然不會破壞油膜，但長期工作，會引起零件的松動和疲勞損壞。因此半速渦動和油膜振蕩都應設法消除。

由前面的分析可知，只有當轉(zhuǎn)速高于失穩(wěn)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速的兩倍時，才有可能發(fā)生油膜振蕩。因此防止和消除油膜振蕩的基本方法是提高轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速和失穩(wěn)轉(zhuǎn)速。

剛性轉(zhuǎn)子和第一臨界轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速一半的撓性轉(zhuǎn)子，在其工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，只可能發(fā)生半速渦動而不會發(fā)生油膜振蕩。但對于大功率機組，轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速較低，可能低于額定轉(zhuǎn)速的一半，此時只能從提高失穩(wěn)轉(zhuǎn)速人手，將失穩(wěn)轉(zhuǎn)速提高到額定轉(zhuǎn)速之上，即可避免發(fā)生油膜振蕩。

提高轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速也就是提高軸頸工作的穩(wěn)定性。由油膜振蕩產(chǎn)生原因分析可知，軸頸在軸承中運行不穩(wěn)定的根本原因是軸頸受到擾動后產(chǎn)生了失穩(wěn)分力。擾動越大，軸頸偏離其平衡位置的距離越大，失穩(wěn)分力也越大，越容易引起渦動，進而導致油膜振蕩。在同一擾動強度下，軸頸穩(wěn)定運行時的偏心距越大，其相對偏移就越小，失穩(wěn)分力也越小，越不容易產(chǎn)生半速渦動和油膜振蕩。也就是說，軸頸在軸瓦中平衡位置的偏心距越大，轉(zhuǎn)子工作越穩(wěn)定，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速也就越高。而偏心距的大小總是在相對的觀點上才有意義，因此上述結論是對軸頸在軸瓦中的相對偏心率而言的。相對偏心率即軸頸與軸瓦的絕對偏心距00'與它們的半徑差R-r的比值，以K表示。即

K越大，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速越高，越不容易產(chǎn)生半速渦動和油膜振蕩，通常認為K大于0.8時，軸頸在任何情況下都不會發(fā)生油膜振蕩。反之，K越小，轉(zhuǎn)軸工作越不穩(wěn)定，越容易產(chǎn)生半速渦動和油膜振蕩。

因此，降低軸心位置以增大軸頸相對偏心率，可以防止和消除油膜振蕩。主要措施如下:

1. 增加軸承比壓

軸承載荷與軸瓦垂直投影面積(軸承長度×直徑)之比稱為比壓。比壓越大，軸頸越不容易浮起，相對偏心率越大，軸承穩(wěn)定性越好。

增大比壓的常用方法有:縮短軸瓦長度，以減小軸瓦的投影面積及增加軸瓦端的泄油量;調(diào)整軸瓦中心，以增加負荷過小軸承的載荷。

2. 降低潤滑油黏度

潤滑油黏度越大，軸頸旋轉(zhuǎn)時帶人油楔油量就越多，油膜越厚，軸頸在軸瓦中浮得越高，相對偏心率越小，軸頸就越容易失去穩(wěn)定而產(chǎn)生油膜振蕩。因此降低潤滑油黏度有利于軸承的穩(wěn)定工作。其方法是提高油溫或更換黏度較小的潤滑油。

3. 調(diào)整軸承間隙

一般認為，減小圓筒形或橢圓形軸承軸瓦頂部間隙，可以產(chǎn)生或加大向下的油膜作用力，使軸頸的位置降低，增大了相對偏心率，使軸頸在軸承中的穩(wěn)定性提高。同時加大軸瓦兩側(cè)間隙(相當于增大橢圓度，即增大了相對偏心率)效果更為顯著。

此外，要防止油膜振蕩，設計制造上應盡量提高轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速，選擇穩(wěn)定性好的軸承結構型式與參數(shù)。還應盡量做好轉(zhuǎn)子的動、靜平衡，減小其不平衡質(zhì)量，以降低轉(zhuǎn)子在第一臨界轉(zhuǎn)速下的共振放大能力，減小油膜振蕩時的振幅。