滑动轴承油膜涡动与油膜振荡的故障诊断

常见故障状态监测诊断设备状态监测与故障诊断技术（第15讲机械松动、涡动和滑动轴承故障)1常见故障状态监测诊断教学目标1、了解机械松动的原因，了解滑动轴承故障形成机理；2、正确理解油膜涡动和油膜振荡；3、掌握故障故障类型识别。

2常见故障状态监测诊断3一、机械松动：分A、B、C形式1、A型机械松动：原因：地脚、底板、基础结构松动；框架或基础变形。

相位差：90°—180°特征：最大振幅为1倍频转速频率底板机器地脚混凝土基础径向常见故障状态监测诊断42、B型机械松动：原因：螺栓松动、框架结构或轴承座裂纹。

特征：最大振幅为2倍频转速频率(垂直方向2倍频超1倍频50%)，幅值有时不稳定，间隙大到出现碰撞后振动将出现大量谐频。

径向常见故障状态监测诊断53、C型机械松动原因：零部件间配合不良引起。

如滚动轴承及轴承套配合松动；滑动轴承间隙较大；叶轮与轴配合松动等。

常见故障状态监测诊断6特征：对转子产生非线性作用，产生许多谐波频率(存在0.5倍频或1.5倍频)，振动相位常常不稳定。

其松动往往非常定向，如在轴承径向相距900的两个地方测得的幅值相差非常明显。

原因：一般是润滑不良引起，也可能是配合间隙过大产生。

二、转子摩擦常见故障状态监测诊断7特征：可能发生在局部，也可能在整个圆周都摩擦。

频率产生较多，存在0.5, 1, 1.5, 2…4.5, …倍频，整数倍频较突出，类似C型机械松动。

削波常见故障状态监测诊断8特征：失稳前频谱丰富，波形畸变，轴心轨迹不规则；失稳后波形严重畸变或削波，轴心轨迹发散。

1，磨损或间隙故障磨损后期会出现10—20阶的系列转速频率谐波，如图示。

三、滑动轴承故障径向常见故障状态监测诊断9若轴瓦破碎，则径向将产生比轴向振幅大的谐波。

通常，轴承松动会产生1/2、1/3倍频成分；乌金脱落会产生1/2倍频极其谐频成分，幅度小于松动谱；瓦块损坏会产生1/3倍频涡动（振动），可用调油温预防。

滑动轴承的故障诊断分析（DEMO）滑动轴承的故障诊断分析⼀、滑动轴承的分类及其特点1、静压轴承静压轴承的间隙只影响润滑油的流量，对承载能⼒影响不⼤，因此、静压轴承可以不必调整间隙，静压轴承在任何转速下都能保证液体润滑，所以理论上对轴颈与轴⽡的材料⽆要求。

实际上为防⽌偶然事故造成供油中断，磨坏轴承轴承，轴颈仍⽤45#，轴⽡⽤青铜等。

2、动压轴承动压滑动轴承必须在⼀定的转速下才能产⽣压⼒油膜。

因此、不适⽤于低速或转速变化范围较⼤⽽下限转速过低的主轴。

轴承中只产⽣⼀个压⼒油膜的单油楔动压轴承，当载荷、转速等条件变化时，单油楔动压轴承的油膜厚度和位置也随着变化，使轴⼼线浮动，⽽降低了旋转精度和运动平稳性。

多油楔动压轴承⼀定的转速下，在轴颈周围能形成⼏个压⼒油楔，把轴颈推向中央，因⽽向⼼性好。

异常磨损：由于安装时轴线偏斜、负载偏载、轴承背钢与轴承座孔之间有硬质点和污物，轴或轴承座的刚性不良等原因，造成轴承表⾯严重损伤。

其特征为：轴承承载不均、局部磨损⼤，表⾯温度升⾼，影响了油膜的形成，从⽽使轴承过早失效。

⼆、常见的滑动轴承故障●轴承巴⽒合⾦碎裂及其原因1.固体作⽤：油膜与轴颈碰摩引起的碰撞及摩擦，以及润滑油中所含杂质（磨粒）引起的磨损。

2.液体作⽤：油膜压⼒的交变引起的疲劳破坏。

3.⽓体作⽤：润滑膜中含有⽓泡所引起的汽蚀破坏。

●轴承巴⽒合⾦烧蚀轴承巴⽒合⾦烧蚀是指由于某种原因造成轴颈与轴⽡发⽣摩擦，使轴⽡局部温度偏⾼，巴⽒合⾦氧化变质，发⽣严重的转⼦热弯曲、热变形，甚⾄抱轴。

当发⽣轴承与轴颈碰摩时，其油膜就会被破坏。

摩擦使轴⽡巴⽒合⾦局部温度偏⾼，⽽导致巴⽒合⾦烧蚀，由此引起的轴⽡和轴颈的热胀差，进⼀步加重轴⽡和轴颈的摩擦，形成恶性循环。

当轴⽡温度T⼤于等于230°C时，轴承巴⽒合⾦就已烧蚀。

三、机理分析⼤多滑动轴承由于运⾏过程中处于边界润滑状态所以会产⽣滑动摩擦现象，同时⼜居有⼀定的冲击能量和势能，所以存在与产⽣滑动摩擦和碰摩相同的故障机理。

油膜振荡故障类型之一
1.油膜振荡概念：转子轴颈在轴承内做高速旋转的同时，还环绕某一平衡中心做公转运动。

如果转子轴颈主要是由油膜力的激励作用引起的涡动，则轴颈的涡动角速度近似为转速的二分之一，所以称为“半速涡动”。

当转速升高到一阶临界转速的两倍附近时，涡动频率与转子一阶自振频率相重合，转子轴承系统将发生激烈的油膜共振，这种共振涡动就称为油膜振荡。

2.油膜涡动、油膜振荡的主要征兆与信号特征：
（1）油膜涡动实际振动频率要小于转频的一半，一般为0.43-0.48倍。

油膜振荡频率为转子系统的一阶自振频率。

（2）油膜振荡是一种自激振动，维持振动的能量由轴本身在旋转中产生，不受外部激振力的影响。

发生大振幅油膜振荡后，继续升高转速，振动频率不会变化，振幅也不会下降。

（3）发生油膜振荡时，轴心轨迹形状紊乱、发散。

（4）发生油膜振荡时，往往来势很猛，瞬时间振幅突然升高，引起轴承油膜破裂，会同时发生碰撞摩擦。

（5）当转子转速进入油膜共振区后，升高转速，振荡频率不变，振幅不下降。

但降低转速，振动也并不马上消失，油膜振荡消失的转速要低于它的起始转速。

3.油膜振荡频谱图
4.油膜振荡防治措施：
（1）避开油膜共振区域。

机器设计时避免转子工作转速在一阶临界转速的两倍附近运行。

（2）增加轴承比压。

增大轴颈偏心率，提高油膜的稳定性。

（4）减小轴承间隙。

（5）控制适当的轴瓦预负荷。

（6）选用抗振性好的轴承。

（7）调整油温。

适当升高油温，减小油的黏度，可以增加轴颈在轴承中的偏心率，有利于轴颈稳定。

油膜涡动与振荡故障的诊断实例及故障的排除一台驱动空气压缩机的工业汽轮机，中分筒形轴瓦，工作转速:11200转/分，设计流量:60000 m3/h。

汽轮机出口侧的轴振动值由４０μm增到100μm，当时的流量是:57000 m3/h。

使用数据采集器和预测维修软件，对该机的有关状态进行了监测与分析，即进行了小范围的变转速时的振动测试，和改变润滑油温度时的振动测试。

得到汽轮机出口侧的轴振动信号谱图如下：此时，60HZ的成份占通频总量的87%，而工作转速成份187.5HZ(11200转／分)分量仅占通频总量的31%。

幅值最高的成份是1/3倍频的分量，这一分量频率远远低于理论的1/2倍频的油膜涡动频率(93.75HZ) ，在监测过程中将转速降低３００转，振动便明显减小，由120μm降到35μm，1/3倍频分量大幅度减小。

该转子的第一阶临界转速是(108HZ)6500 转／分，接近幅值最大频率的二倍，工作转速频率此时是幅值最大频率的三倍。

我分析了该机轴瓦的结构后，认为造成该机强烈振动的主要原因是轴承中的油膜涡动，轴瓦两侧开有四个宽近８毫米的泄油槽，泄油量过大是造成涡动频率很低的原因。

应该通过减小轴承的漏油量．增加油膜厚度．减小偏移量e 提高产生涡动的初始频率，使转子工作点向左脱离不稳定区。

避免涡动频率ωｗ与临界转速频率ωcr1和工作转速频率ω成整数倍关系，从而消除油膜涡动,使机组安全稳定运行。

对故障做出诊断后，立即将机组解体，以便处理轴瓦。

解体后发现振动最大的汽轮机出口侧下瓦因油膜振荡已经严重损坏，见下图：经将该瓦的四个油槽焊平，再次投入运行后，该测点振幅降到３５μm，频谱图中的涡动频率分量基本消失，消除了强烈振动之后机组一直正常运行。

油膜振荡的特征及判别方法1涡动转轴的涡动通常有惯性涡动、液力涡动和气隙涡动等［1］。

对于轴颈轴承受到动载荷时，轴颈会随着载荷的变化而移动位置。

移动产生惯性力，此时，惯性力也成为载荷，且为动载荷，取决于轴颈本身的移动。

轴颈轴承在外载荷作用下，轴颈中心相对于轴承中心偏移一定的位置而运转。

当施加一扰动力，轴颈中心将偏离原平衡位置。

若这样的扰动最终能回到原来的位置或在一个新的平衡点保持不变，即此轴承是稳定的；反之，是不稳定的。

后者的状态为轴颈中心绕着平衡位置运动，称为“涡动”。

涡动可能持续下去，也可能很快地导致轴颈和轴承套的接触，稳定性是轴颈轴承的重要性能之一，是由于惯性作用的主要例证。

惯性涡动是由于转子系统的不平衡重量引起的惯性离心力P强迫引起的涡动。

图1所示，矢量P与瞬时轴的动态挠度oH的夹角ψ表示惯性涡动的不同位置，夹角ψ随轴的转速nW 变化。

对于小的nW值，ψ接近于零，当轴的转速小于临界转速时，ψ由零增加至90°，此时力P可以分解成作用在挠度方向oH上的力Pr和垂直于OH的力Pt。

Pr与轴的弹性变形后生成的弹性力相平衡；而Pt则没有与之平衡的固定力，于是被迫形成“同步涡动”。

当轴的转速达到临界转速nk时，涡动达到极值；若转速继续增加，超过临界转速nk后，涡动减小。

此时，Pr与挠度方向相反，产生自动对中现象，这是柔性轴的特征。

图1惯性涡动由此可知，涡动振幅oH与力P、角度ψ及接触介质有关。

液力涡动又称流体涡动，它是由于轴颈与轴瓦之间润滑油层中液动力所强迫造成的涡动。

图2是一经过理想动平衡(S=H)轴的径向轴颈，且有旋转速度nW。

若使该轴无任何横向力作用，那么轴颈位于轴承的中心位置即(H=o)。

当由于某种原因，轴颈中心作以半径为oH的圆旋转时，润滑层内产生不对称的压力场，它的合力在图中由RQ表示，同时，在轴颈上作用有与oH方向相同的离心力P。

此两个力合成为力Q，力Q可分解为与轴的弹性挠曲力平衡的力Qr和不平衡力Qt，此力将引起流体涡动。

摘要：通过对滑动轴承油膜振荡故障机理的研究，列举该类故障诊断中常用的征兆参数，阐述了故障多征兆与多原因的关系，通过对一台离心压缩机机组滑动轴承油膜振荡故障的成功诊断实例介绍，说明了有效诊断该类故障的方法，该方法的使用能及时准确地得出诊断结论。

关键词：滑动轴承；油膜振荡；故障诊断中图分类号：TH133.3文献标识码：B文章编号：1006－8155（2010）02－0070－04The Fault Diagnosis of the Oil Whirl and Oil Whip in Sliding BearingAbstract:This paper has specified the relationship between fault multi-symptom and multi-cause through studying the fault mechanism of oil whip in sliding bearing and listing the common symptom parameters used in diagnosing this type fault.The effective method for diagnosing this type fault is stated based on the example of successfully diagnosing the oil whip in sliding bearing of a centrifugal compressor unit.And this method can achieve the diagnosing conclusion immediately and accurately.Key words:sliding bearing;oil whip;fault diagnosis1滑动轴承的振动种类滑动轴承的振动，可按其机理分为两种形式：一是强迫振动，又称同步振动，主要是由轴系上组件不平衡、联轴器的不对中、安装不良等原因造成，其振动的频率为转子的旋转频率及其倍频，振动的振幅在转子的临界转速前，随着转速的增加而增大，超过临界转速，则随转速的增加而减小，在临界转速处有共振峰值；另一种振动是自激振动，又称亚同步振动，即油膜涡动及油膜振荡，它的振动频率低于转子的旋转频率（约一半）常常在某个转速下突然发生，具有极大的危害性。

油膜轴承的故障机理与诊断油膜轴承因其承载性能好，工作稳定可靠、工作寿命长等优点，在各种机械、各个行业中都得到了广泛的应用，对油膜轴承故障机理的研究工作也比较广泛和深入。

一、油膜轴承的工作原理油膜轴承按其工作原理可分为静压轴承与动压轴承两类。

静压轴承是依靠润滑油在转子轴颈周围形成的静压力差与外载荷相平衡的原理进行工作的。

不论轴是否旋转，轴颈始终浮在压力油中，工作时可以保证轴颈与轴承之间处于纯液体摩擦状态。

因此，这类轴承具有旋转精度高、摩擦阻力小、承载能力强的特点，并且对转速的适应性和抗振性非常好。

但是，静压轴承的制造工艺要求较高，还需要一套复杂的供油装置，因此，除了在一些高精度机床上应用外，其他场合使用尚少。

动压轴承油膜压力是靠轴本身旋转产生的，因此供油系统简单，设计良好的动压轴承具有很长的使用寿命，因此，很多旋转机器（例如膨胀机、压缩机、泵、电动机、发电机等）均广泛采用各类动压轴承。

在旋转机械上使用的液体动压轴承有承受径向力的径向轴承和承受轴向力的止推轴承两类，本节主要讨论径向轴承的故障机理与诊断。

在动压轴承中，轴颈与轴承孔之间有一定的间隙（一般为轴颈直径的千分之几），间隙内充满润滑油。

轴颈静止时，沉在轴承的底部，如图1-1 (a )所示。

当转轴开始旋转时，轴颈依靠摩擦力的作用，沿轴承内表面往上爬行，达到一定位置后，摩擦力不能支持转子重量就开始打滑，此时为半液体摩擦，如图1-1（b)所示。

随着转速的继续升高，轴颈把具有黏性的润滑油带入与轴承之间的楔形间隙（油楔）中，因为楔形间隙是收敛形的，它的入口断面大于出口断面，因此在油楔中会产生一定油压，轴颈被油的压力挤向另外一侧，如图1-1（c）所示。

如果带入楔形间隙内的润滑油流量是连续的，这样油液中的油压就会升高，使入口处的平均流速减小，而出口处的平均流速增大。

由于油液在楔形间隙内升高的压力就是流体动压力，所以称这种轴承为动压轴承。

在间隙内积聚的油层称为油膜，油膜压力可以把转子轴颈抬起，如图1-1（d)所示。

滑动轴承的油膜涡动和油膜振荡的机理及消除方法摘要：滑动轴承油膜涡动是转子中心绕着轴承中心转动的一种亚同步现象。

油膜涡动也称为油膜自激振荡, 对于高速轻载滑动轴承运转机械, 易出现油膜涡动现象。

由于轴瓦在运行中出现裂痕、修瓦不当或磨损致使轴瓦间隙过大等原因, 会导致滑动轴承发生油膜涡动或油膜振荡,使设备运转失衡。

因此,掌握滑动轴承故障的机理,对油膜振荡予以及时准确的诊断,是设备正常运行的技术保证。

掌握滑动轴承产生油膜涡动和油膜振荡的机理,有助于解决采用滑动轴承来支持转子系统的大型机组,在运行中滑动轴承产生振动的故障,对保证设备平稳运行非常重要。

关键词：滑动轴承；油膜涡动；油膜振荡高转速、大功率的大型机组支承系统多采用滑动轴承，而油膜涡动和油膜振荡是滑动轴承常见的故障，油膜涡动和油膜振荡的发生会导致转子系统不能稳定运行。

掌握油膜涡动和油膜振荡的产生机理和故障特性对预防和排除油膜涡动和油膜振荡具有重要意义。

当油膜涡动和油膜振荡发生时，转子系统的振动会出现异常，对异常振动信号的时频分析已成为油膜涡动和油膜振荡故障特性分析的主要手段。

一、滑动轴承振动机理离心式压缩机是旋转式压缩机，当转子存在不平衡时将产生振动。

由于受原材料、加工工艺等因素的限制，转子存在原始不平衡;在机组运转过程中发生物料的不均匀结垢或者叶轮不均匀磨损、腐蚀,会产生渐发性不平衡;零部件损伤脱落或进入异物会带来突发性不平衡。

轴承与轴颈中心线之间的距离构成偏心距, 中心线与负荷向量的夹角构成姿态角, 偏心距与姿态角是衡量轴承稳定性的重要因素。

滑动轴承支撑的转子系统, 其动压轴承的工作机理是:基于油楔的承载机理,由于润滑油具有一定的粘度, 在修瓦时刮出的几何浅痕中, 转子旋转时将润滑油连续带入轴和轴瓦表面,形成封闭的油楔,润滑油受到挤压作用,使油膜产生对轴的支撑力,形成油膜润滑。

如动压失稳,油膜润滑无法形成或润滑状态呈劣化趋势,必将产生油膜涡动或油膜振荡。

油膜震荡概述轴瓦自激振动是现场较常见的一种自激振动，它常常发生在机组启动升速过程中，特别是在超速时。

当转子转速升到某一值时，转子突然发生涡动使轴瓦振动增大，而且很快波及轴系各个轴瓦，使轴瓦失去稳定性，这个转速不失稳转速。

轴瓦失稳除与转速直接有关外，还与其他许多因素有关，因此轴瓦自激振动有时会在机组带负荷过程中发生中。

下面将详细讨论其振动机理、轴瓦自激振动故障原因、诊断方法和消除措。

第一节半速涡动和油膜振荡轴瓦自激振动一般分为半速涡动和油膜振荡两个过程。

转子工作转速在两倍转子第一临界转速以下所发生的轴瓦自激振动，称为半速涡动，因为这时自激振动频率近似为转子工作频率的一半。

这种振动由于没有与转子临界转速发生共振，因而振幅一般不大，现场大量机组实测结果多为40－100μm。

转子工作转速高于两倍第一临界转速时所发生的轴瓦自激振动，称为油膜振荡，这时振动频率与转子第一临界转速接近，从而发生共振，所以转子表现为强烈的振荡。

这时转轴和轴承的振幅要比半速涡动大得多，目前已检测到的轴承最大振幅可达600－700μm。

这时要指出，油膜振荡是涡动转速接近转子第一临界转速而引起的共振，而不是与转子当时的转速发生共振，因此采用提高转速的办法是不能避开共振的。

进一步研究表明，轴瓦在不同载荷下的失稳转速有较大的差别。

图所示是轻载轴瓦，轴瓦失稳（半速涡动）在转子第一临界转速之前就发生，而且当转子转速达到两倍第一临界转速，就发生了油膜振荡。

图所示是中载轴瓦，轴瓦失稳（半速涡动）在第一临界转速之后才发生，在高于两倍第一临界转速的某一转速下才发生油膜振荡。

图所示是重载轴瓦，在油膜振荡之前没有发生半速涡动，直到高于两倍第一临界转速较多时才发生油膜振荡，而且升速时发生油膜振荡的转速总比降速时油膜振荡消失的转速高，这种现象称为油膜振荡惯性效应。

第二节轴瓦自激振动的机理要了解轴瓦内油膜如何能维持轴瓦自激振动，就行分析油膜力对轴颈的作用。

为了简化起见，现以圆筒形轴瓦为例加以说明。