油（氣）膜振蕩

(一)油膜振蕩現(xiàn)象

滑動(dòng)軸承工作時(shí)，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(lì)軸頸，使軸頸產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象即為油膜振蕩。

下面觀察一個(gè)轉(zhuǎn)子柔性大、載荷較輕的軸承，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從零逐漸增加時(shí)，軸頸中心的運(yùn)動(dòng)情況。

如圖4-63所示， A點(diǎn)對應(yīng)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(diǎn)至A2點(diǎn)間，軸頸中心發(fā)生頻率等于當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速一半的小振動(dòng)，稱為半速渦動(dòng);A2點(diǎn)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(dòng)，稱為油膜振蕩。當(dāng)油膜振蕩發(fā)生后，在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，渦動(dòng)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(yīng)，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(dá)到平衡狀態(tài)，如圖4-64所示。此時(shí)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(gè)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(fù)力Fr和垂直于油膜變形方向的切向分力Ft。彈性恢復(fù)力推動(dòng)軸頸返回平衡點(diǎn)O';而切向分力將推動(dòng)軸頸繞O'點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，引起軸頸中心在軸承內(nèi)渦動(dòng)，稱為失穩(wěn)分力。此時(shí)，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(diǎn)0'渦動(dòng)。若失穩(wěn)分力小于軸承阻尼力，則渦動(dòng)是收斂的，軸頸中心受到擾動(dòng)而偏移后將自動(dòng)回到平衡位置，此時(shí)軸承的工作是穩(wěn)定的。若失穩(wěn)分力大于阻尼力，則渦動(dòng)是發(fā)散的，軸頸中心的軌跡為螺線擴(kuò)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(dòng)，軸頸中心的軌跡為一橢圓形封閉曲線。理論和實(shí)踐證明，此時(shí)渦動(dòng)頻率接近當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速的一半，稱為半速渦動(dòng)。如果渦動(dòng)的角速度與轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速合拍，則渦動(dòng)被共振放大，軸頸發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，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(shí)軸頸振幅很大，會(huì)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(dòng)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(dǎo)致轉(zhuǎn)軸損壞。半速渦動(dòng)時(shí)振幅不大，雖然不會(huì)破壞油膜，但長期工作，會(huì)引起零件的松動(dòng)和疲勞損壞。因此半速渦動(dòng)和油膜振蕩都應(yīng)設(shè)法消除。

由前面的分析可知，只有當(dāng)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(shí)，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(dòng)而不會(huì)發(fā)生油膜振蕩。但對于大功率機(jī)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(shí)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(yùn)行不穩(wěn)定的根本原因是軸頸受到擾動(dòng)后產(chǎn)生了失穩(wěn)分力。擾動(dòng)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(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致油膜振蕩。在同一擾動(dòng)強(qiáng)度下，軸頸穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(diǎn)上才有意義，因此上述結(jié)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(dòng)和油膜振蕩，通常認(rèn)為K大于0.8時(shí)，軸頸在任何情況下都不會(huì)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(dòng)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(fù)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(shí)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(rèn)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(shí)加大軸瓦兩側(cè)間隙(相當(dāng)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(shè)計(jì)制造上應(yīng)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(jié)構(gòu)型式與參數(shù)。還應(yīng)盡量做好轉(zhuǎn)子的動(dòng)、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(shí)的振幅。