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滑動軸承故障

2019-03-15

　　滑動軸承按其工作原理可分為靜壓軸承與動壓軸承兩類，如下圖1和圖2。

　　常見故障：

　　1）巴氏合金松脫；

　　2）軸承異常磨損、刮傷、拉毛；

　　3）軸承疲勞；

　　4）軸承腐蝕；

　　5）軸承殼體配合松動；

　　6）軸承間隙不適當(dāng)。

　　描述：

　　軸承油膜振蕩是軸頸渦動運動與轉(zhuǎn)子自振頻率相吻合時發(fā)生的大幅度共振現(xiàn)象。其特點是來勢很猛，振幅瞬間突然升高，很快發(fā)生局部油膜破裂，引起軸頸與軸瓦之間摩擦，發(fā)出強烈的吼叫聲，嚴重損壞軸承和轉(zhuǎn)子。有人把這種不穩(wěn)定的振蕩現(xiàn)象比作一種波浪，這個油膜的波浪在軸承間隙內(nèi)繞軸頸運動，軸頸就浮在波浪中被推著前進，像一塊沖浪板一樣，波的平均速度就是軸頸的渦動速度。

　　診斷這類故障，一般是從振動頻率是否接近轉(zhuǎn)速之半來判別，但是也必須注意，振動頻率接近轉(zhuǎn)速頻率之半的振動并不一定是油膜振蕩引起的，另外一些故障也會引起類似的半頻振動。如轉(zhuǎn)子與靜子之間發(fā)生的局部摩擦可激起半頻振動；浮環(huán)密封被卡住，失去浮動作用時激起的振動頻率為轉(zhuǎn)速頻率的43%-47%；還有葉輪和擴壓器中的氣流激振力也可激起接近半頻的振動。

　　軸承發(fā)生油膜振蕩的故障特征主要如下：

　　油膜振蕩是一種自激振動，維持振動的能量是由軸本身在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生，它不受外部激勵力的影響。一旦發(fā)生大振幅的油膜振蕩以后，如果繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，振幅也不會下降，而且振動頻率始終為轉(zhuǎn)子的一階自振頻率，轉(zhuǎn)子的撓曲振型也為一階振型，與升高后的轉(zhuǎn)速不發(fā)生關(guān)系，油膜振蕩的這個特性與轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速時的振動情況不一樣。此外，自激振動均有突發(fā)性的特點，因此油膜振蕩的發(fā)生和消失也是突發(fā)性的，這與轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速時振動逐漸增大的現(xiàn)象截然不同。

　　高速輕載轉(zhuǎn)子，發(fā)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速總是高于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速二倍以上。對于穩(wěn)定性較差的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)，一般在發(fā)生油膜振蕩轉(zhuǎn)速之前的較低轉(zhuǎn)速下就已出現(xiàn)了半速渦動頻率，因此可以從各種轉(zhuǎn)速下的頻譜圖上觀察是否存在渦動頻率，如果渦動頻率與轉(zhuǎn)速頻率之比Ω/ω約在0.35-0.5范圍內(nèi)，則可認為半速渦動在油膜振蕩之前已經(jīng)存在。只要該渦動頻率接近轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階自振頻率，就有可能爆發(fā)激烈的油膜振蕩現(xiàn)象。

　　在發(fā)生油膜振蕩之前，渦動頻率比Ω/ω在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)一般是不變的，但是有些軸承的渦動頻率比可能隨轉(zhuǎn)速升高而略有下降趨勢，這種情況可能是油溫升高，油液泄漏量增大之故。

　　振幅的變化，在低速范圍內(nèi)雖然渦動頻率已經(jīng)出現(xiàn)，但轉(zhuǎn)子振動并不嚴重，只是在渦動頻率與轉(zhuǎn)子一階自振頻率接近時才出現(xiàn)了油膜振蕩，原來的半速渦動頻率成分幅值突然升高，成為控制轉(zhuǎn)子振動的主要振動頻率，這在頻譜圖上可以清楚地觀察到，發(fā)生油膜振蕩以后的轉(zhuǎn)子主振動頻率也就固定不變。

　　油膜振蕩是一種非線性的油膜共振，激烈的振動會激發(fā)油膜振蕩頻率Ω和轉(zhuǎn)速頻率ω的多倍頻成分及和差組合頻率。非線性振動不僅在油膜振蕩中存在，當(dāng)轉(zhuǎn)子和靜止元件發(fā)生摩擦?xí)r，也會產(chǎn)生非線性振動，而且軸承發(fā)生油膜振蕩時也往往會伴隨著軸頸和軸承之間的摩擦現(xiàn)象，因此需要仔細鑒別是油膜振蕩還是轉(zhuǎn)子摩擦引發(fā)故障。

　　摩擦故障在頻譜圖上出現(xiàn)的主振頻率是精確的（ω為轉(zhuǎn)速頻率，i為正整數(shù)），而油膜振蕩頻率比Ω/ω一般小于1/2。在振動強烈的情況下，不論是油膜振蕩還是摩擦故障，均可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率與轉(zhuǎn)子主振動頻率之間的和差組合頻率成分。

　　發(fā)生油膜振蕩時，軸心軌跡形狀紊亂、發(fā)散，很多不規(guī)則的軌跡線疊加形成花瓣形狀。

　　發(fā)生油膜振蕩時，由于轉(zhuǎn)子發(fā)生激烈的自激振動，引起軸承油膜破裂，因而會同時發(fā)生軸頸和軸瓦的碰撞摩擦，時而發(fā)出巨大的吼叫聲。軸承中的油膜共振與摩擦渦動聯(lián)合作用引起的轉(zhuǎn)子大振動，給軸承和迷宮密封帶來嚴重損傷。拆檢機器，可發(fā)現(xiàn)軸瓦有不同程度的兩端擴口或擦傷，中間迷宮密封被磨去，沿軸向呈現(xiàn)轉(zhuǎn)子一階彎曲的痕跡。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一旦進入油膜共振區(qū)，轉(zhuǎn)速會升高，振蕩頻率不變，振幅并不下降。但是降低轉(zhuǎn)速，振動也并不馬上消失，油膜振蕩消失的轉(zhuǎn)速要低于它的起始轉(zhuǎn)速，這就是油膜振蕩的慣性現(xiàn)象。

表1 滑動軸承典型故障特征

　　診斷實例：

　　某公司一臺空氣壓縮機，由高壓缸和低壓缸組成。低壓缸在一次大修后，轉(zhuǎn)子兩端軸振動持續(xù)上升，振幅達50-55μm，大大超過允許值33μm，但低壓缸前端的增速箱和后端的高壓缸振動較小。低壓缸前、后軸承上的振動測點信號頻譜圖如圖（a）、（b）所示：

　　診斷意見：

　　圖中主振動頻率為91.2Hz，幅值為工頻成分190Hz的3倍多，另外還有2倍頻和4倍頻成分。值得注意的是，圖中除了非常突出的低頻91.2Hz之外，4倍頻成分也非常明顯。對該機振動信號的分析如下：

　　1）低頻成分突出，它與工頻成分的比值為0.48，可認為是軸承油膜不穩(wěn)定的半速渦動；

　　2）油膜不穩(wěn)定的起因可能是低壓缸兩端聯(lián)軸節(jié)的對中不良，改變了軸承上的負荷大小和方向。

　　生產(chǎn)驗證：

　　大修期間停機檢查，發(fā)現(xiàn)如下問題：

　　軸承問隙越過允許值（設(shè)計Z大允許間隙為0.18mm，實測為0.21mm）；

　　5塊可傾瓦厚度不均勻，同一瓦塊Z薄與Z厚處相差0.03mm，超過設(shè)計允許值，瓦塊內(nèi)表面的預(yù)負荷處于負值狀態(tài)（Pr值設(shè)計為0.027，現(xiàn)降為-0.135），降低了軸承工作穩(wěn)定性；

　　兩端聯(lián)軸節(jié)對中不符合要求，平行對中量超差，角度對中的張口方向相反，使機器運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生附加的不對中力。

　　大修期間對上述發(fā)現(xiàn)的問題作了修正，機器投運后恢復(fù)正常，低壓缸兩端軸承的總振值下降到20μm，檢修前原頻譜圖上反映軸承油膜不穩(wěn)定的91.2Hz低頻成分和反映對中不良的4倍頻成分均已消失（圖c、d）。