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滑動(dòng)軸承油膜渦動(dòng)與油膜振蕩

發(fā)布時(shí)間：2025-06-24

在滑動(dòng)軸承的運(yùn)行過程中，油膜的動(dòng)態(tài)行為直接影響軸承的穩(wěn)定性。油膜渦動(dòng)與油膜振蕩是兩種常見的非穩(wěn)定現(xiàn)象，但其物理機(jī)制、表現(xiàn)形式及影響存在顯著差異。

油膜渦動(dòng)（Oil Whirl）

油膜渦動(dòng)是潤滑油在軸承間隙內(nèi)因離心效應(yīng)形成的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，油膜受離心力作用產(chǎn)生周向流動(dòng)，形成類似渦流的運(yùn)動(dòng)模式。這種流動(dòng)通常為亞同步（頻率低于軸的旋轉(zhuǎn)頻率），且幅值較小，屬于流體動(dòng)力學(xué)主導(dǎo)的局部不穩(wěn)定性。

油膜振蕩（Oil Whip）

油膜振蕩是油膜渦動(dòng)發(fā)展到臨界狀態(tài)時(shí)引發(fā)的“自激振動(dòng)”。當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速接近系統(tǒng)固有頻率的“兩倍”（或更高倍數(shù)）時(shí)，油膜失去阻尼能力，導(dǎo)致軸頸與軸承之間發(fā)生劇烈的同步振動(dòng)（頻率接近軸的旋轉(zhuǎn)頻率）。此時(shí)振動(dòng)幅值顯著增大，可能引發(fā)機(jī)械共振。

油膜渦動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)由油膜壓力分布不均和離心力主導(dǎo)。通常在轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值的30%~50%時(shí)開始出現(xiàn)。若系統(tǒng)阻尼足夠，渦動(dòng)可能被抑制。

油膜振蕩由系統(tǒng)共振觸發(fā)，當(dāng)渦動(dòng)頻率與軸的固有頻率耦合時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。通常發(fā)生在轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值的“兩倍”（稱為“半速渦動(dòng)”）。油膜剛度與阻尼的非線性特性導(dǎo)致能量積累，形成自激振動(dòng)。

工程應(yīng)對(duì)措施：

油膜渦動(dòng)：

- 優(yōu)化軸承設(shè)計(jì)（如增大軸承間隙比、采用可傾瓦軸承）。

- 提高潤滑油黏度或調(diào)整供油壓力。  

油膜振蕩： 

- 避免轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速的兩倍區(qū)域。  

- 增加系統(tǒng)阻尼（如安裝擠壓油膜阻尼器）。  

- 調(diào)整軸承支撐剛度或采用多油楔軸承。

油膜渦動(dòng)也叫正向進(jìn)動(dòng)，起因于軸承內(nèi)的油膜作用(液體摩擦)。它比因干摩擦引起的軸的抖動(dòng)更為常見。 

如圖所示，設(shè)軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，由于軸本身不同心或不平衡，軸上將作用有一個(gè)離心力，這個(gè)離心力總是徑向地指向軸承，并且總不會(huì)與軸頸上油的壓力平衡。軸頸上油壓的合力為P，它與通過軸承中心O與軸中心O1的連線成角度，于是有一分力Psin∅使軸頸產(chǎn)生并維持與軸旋轉(zhuǎn)方向Ω同方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就是油膜渦動(dòng)。油膜渦動(dòng)的頻率略小于轉(zhuǎn)速的一半，渦動(dòng)頻率w可表示為w≈（0.43～0.48）Ω。

油膜渦動(dòng)示意圖

隨著軸工作速度的增加，軸頸渦動(dòng)速度也隨之增大。油膜渦動(dòng)產(chǎn)生后就不消失，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械如汽輪機(jī)、透平壓縮機(jī)等，當(dāng)轉(zhuǎn)軸工作速度Ω≥2wn(wn為臨界轉(zhuǎn)速)時(shí)，渦動(dòng)頻率正好等于軸系的固有頻率，從而激發(fā)整個(gè)軸系共振，這就是油膜振蕩。

油膜渦動(dòng)案例分享

事件經(jīng)過：20萬t/a重油催化裝置主風(fēng)機(jī)組于2020年8月進(jìn)行試車投運(yùn)，在開機(jī)過程中，發(fā)現(xiàn)電機(jī)功率在3800kW左右齒輪箱出現(xiàn)共振，振動(dòng)幅度最高到達(dá)144um，電機(jī)功率降低至3000kW以下時(shí)共振消失。后經(jīng)制造廠售后服務(wù)人員對(duì)增速箱進(jìn)行解體檢查，與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相符。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為是齒輪嚙合力與大齒輪自重的矢量合力方向落在低速軸圓柱軸承的油膜渦動(dòng)區(qū)域。

整改措施：

(1)正常生產(chǎn)中控制電機(jī)功率范圍，避免在2000~4000kW范圍內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行，避開上述振動(dòng)值高的區(qū)域。 

(2)適當(dāng)調(diào)整潤滑油溫度和油壓，增加油膜剛度，降低油膜渦動(dòng)形成因素，達(dá)到降低振動(dòng)目的。 

(3)通過改變軸承形式解決振動(dòng)波動(dòng)問題，由齒輪箱廠家負(fù)責(zé)對(duì)軸瓦進(jìn)行整改，由圓瓦改為錯(cuò)位瓦，在裝置檢修期間進(jìn)行更換。

錯(cuò)位軸承：沿徑向方向以小于半徑間隙的偏移距離安裝的一對(duì)滑動(dòng)軸承。

（來自GB/T 2889.1-2020滑動(dòng)軸承  術(shù)語、定義、分類和符號(hào)  第1部分：結(jié)構(gòu)、軸承材料及其性能）

一、圓瓦與錯(cuò)位瓦的核心區(qū)別

1.圓瓦（圓柱瓦）

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)稱圓柱形內(nèi)表面。

（2）油膜壓力分布單峰值，承載能力較低。

（3）高轉(zhuǎn)速下易出現(xiàn)油膜振蕩或不穩(wěn)定。

2.錯(cuò)位瓦（如橢圓瓦、可傾瓦）

（1）非對(duì)稱結(jié)構(gòu)（如兩半錯(cuò)位或可調(diào)瓦塊）。

（2）形成多油楔，提高油膜壓力分布和承載能力。

（3）抑制振動(dòng)，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，適合高速重載工況。 

二、錯(cuò)位瓦的 改進(jìn)優(yōu)勢(shì)

1.提升承載能力：多油楔結(jié)構(gòu)分散載荷，例如橢圓瓦可產(chǎn)生2個(gè) 動(dòng)壓油膜，提高承載力約30%-50%。

2.增強(qiáng)穩(wěn)定性：錯(cuò)位設(shè)計(jì)減少油 膜振蕩風(fēng)險(xiǎn)，避免失穩(wěn)（尤其在高轉(zhuǎn)速或變載工況）。

3.優(yōu)化潤滑與溫控：油楔分區(qū)域強(qiáng)化冷卻，降低局部高溫風(fēng)險(xiǎn)。

三、優(yōu)先采用錯(cuò)位瓦的工況

1.高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械（汽輪機(jī)、離心壓縮機(jī)）。

2.變載荷或存在沖擊負(fù)荷的設(shè)備。

3.原有圓瓦出現(xiàn)油膜失穩(wěn)或溫升過高問題。

（來源：加氫設(shè)備工程師）

（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）