滑动轴承故障诊断.ppt

1、 13.3 3.3 滑动轴承故障诊断滑动轴承故障诊断3.3 滑动轴承故障诊断 2滑动轴承由于具有优良的抗振性能和较长的工作寿命，因而在旋转机械中获得广泛应用。从动力学的角度看，它在转子系统中主要起到如下三方面的作用:对转子的负荷起支承作用;对转子的运动提供一定的刚度和阻尼;控制转子在某一个稳定的位置上运转。滑动轴承的工作性能好坏直接影响到转子运转的稳定性，尤其对于高速转子，机器所表现的振动特性往往与滑动轴承的特性参数(主要是刚度和阻尼)有直接关系。3.3 滑动轴承故障诊断 33.3.1 3.3.1 滑动轴承工作原理滑动轴承工作原理 滑动轴承按其工作原理分类，可分为静压轴承与动压轴承两类 3.3

2、 滑动轴承故障诊断 43.3.1 3.3.1 滑动轴承工作原理滑动轴承工作原理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，轴无论旋转与否，轴颈始终浮在压力油中。工作时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、承载能力强并有良好的速度适应性和抗振性等特点。但是，静压轴承的制造工艺要求高，此外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。3.3 滑动轴承故障诊断 5动压轴承因为它供油系统简单，油膜压力是由轴本身旋转产生，设计良好的动压轴承具有很高的使用寿命，因此很多工业装置使用的旋转机器(尤其

3、是各类大型旋转机器)均广泛采用动压轴承 旋转机械中使用的液体动压轴承分为承受径向力的径向轴承和承受轴向力的止推轴承类。止推轴承可以看作径向轴承沿圆周展开，然后在一个环向的平面上工作。现以径向轴承为例，说明它们的工作特性和原理。3.3 滑动轴承故障诊断 63.3.1 3.3.1 滑动轴承工作原理滑动轴承工作原理轴颈外圆与轴承之间有一定间隙(一般为轴颈直径的千分之几)，间隙内充满润滑油。轴颈未旋转时，它就沉在轴承孔的底部。当转轴开始旋转时，轴颈依靠摩擦力的作用，在旋转相反方向上沿轴承内表面往上爬行，到达一定位置后，摩擦力不能支持转子重量，就开始打滑，此为半液体摩擦。转速继续升高至一定程度，轴颈把具

4、有黏性的润滑油带入轴颈与轴承之间的楔形间隙(油楔)中。因为楔形间隙是收敛形的，它的人口断面大于出口断面，油楔中断面不断收缩的结果使油压逐渐升高，平均流速逐渐增大，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就是油膜，油膜压力把转子轴颈抬起。当油膜压力与外载荷相平衡时，轴颈就在轴承内不发生接触的情况下稳定地旋转，旋转时的轴心位置由于收敛形油楔作用，略向一侧偏移3.3 滑动轴承故障诊断 7D16070301.swf3.3 滑动轴承故障诊断 8在油膜力的作用下，轴承的承载能力与多种参数有关。对于单油楔的圆柱轴承，可由雷诺方程导出下式P 轴承载荷;S0 轴承承

5、载能力系数。也称为 索默费尔特(Sommerfeld)数 润滑油动力黏度系数，l 轴承宽度，d 轴颈直径;轴颈旋转角速度:相对间隙。C 平均间隙 C=R-r.02ldPSmwj=crj=圆柱轴承内油膜压力分布 圆柱轴承内油膜压力分布 偏位角；偏位角；e 偏心距偏心距;hmin 最小油膜厚度最小油膜厚度=C-e=C(1-)描述润滑油膜压强描述润滑油膜压强规律的数学表达式称规律的数学表达式称为雷诺方程。为雷诺方程。3.3 滑动轴承故障诊断 9轴承承载能力系数 S。是在滑动轴承中用来确定轴承工作状态的一个重要系数。滑动轴承的理论指出，几何形状相似的轴承，系数 S。相同时轴承就具有相似的性能，而 S。

6、本身是相对偏心率 （e/C）和轴承宽径比l/d 的函数。偏心率越大或轴承宽径比越大，则 S。值也越大,轴承承载能力也越高 轴承承载能力系数与偏心率、宽径比关轴承承载能力系数与偏心率、宽径比关系 系 3.3 滑动轴承故障诊断 10S。l 时，称为低速重载转子，S。0，因此该项，因此该项在每一涡动周期内所作在每一涡动周期内所作的功正比于轨迹的椭圆的功正比于轨迹的椭圆面积 面积 00 x y sinpf第二项代表由主阻尼力所作的第二项代表由主阻尼力所作的功，因为功，因为 Cxx 和和 Cyy 始终为正始终为正值，因此主阻尼力所作的功为值，因此主阻尼力所作的功为负，即吸收涡动运动的能量，负，即吸收涡动

7、运动的能量，对轴心起到稳定作用，吸收的对轴心起到稳定作用，吸收的功量还与涡动频率门和两个方功量还与涡动频率门和两个方向上的振幅平方向上的振幅平方()成成正比 正比 2200 xy、第三项为交叉阻尼力所作第三项为交叉阻尼力所作的功，但是交叉阻尼系数的功，但是交叉阻尼系数Cxy 和和 Cyx 的数值通常很的数值通常很小，不起主要作用。小，不起主要作用。前一项称为输人功 Wu，后两项称为耗散功 Wd，轴心在运动过程中是否稳定，取决于输人功和耗散功的大小当 Wu Wd 时，输人能量不断增大，轴颈在油膜中的涡动幅度越来越大，此即轴承的油膜失稳。当 Wu Wd 时，轴心轨迹不会扩大，转子轴颈被稳定在一个较

8、小的振幅之内正常工作.当 Wu=Wd 时.轴承处于稳定与不稳定的临界状态。3.3 滑动轴承故障诊断 35c.轴心轨迹形状与转子稳定状态的关系 轴颈在油膜中的稳定性还与轴心轨迹的形状有关，椭圆形的轴心轨迹比圆形稳定，椭圆度愈大愈有利子轴心的稳定。轴颈涡动运动的输人功是切向力 Fu 和力方向上位移 s 之乘积，即 uuWF ds=3.3 滑动轴承故障诊断 36当轨迹为一圆形时，力和轨迹圆相切，力的方向就是位移方向，所以切向力把最大的功输入到系统，如图 a 所示。当轨迹为一椭圆时，切向力方向与位移方向不一致，该力在切向方向上的投影为 ,因此输人到椭圆中去的功 就降低了，如图 b 所示，轨迹椭圆度愈大

9、，输人功下降愈多。在极瑞情况下，如轨迹为一直线，则切向力与位移相垂直，切向力所作的功为零，即 Wu=0，没有促使轴心涡动运动的功输人，也就不存在油膜的失稳现象。如图 c 所示。cosuFqcosuuWFdsq=3.3 滑动轴承故障诊断 37对于阻尼力 Fd 的作用，只要有运动存在，不论轨迹是圆形或椭圆形，阻尼力始终与运动轨迹相切，方向与位移相反，所以假若在圆形轨迹上阻尼力与切向力相等.则在椭圆形轨迹上阻尼力就会大于切向力.亦即耗散功大于输人功.使振幅减弱，转子工作稳定。因此，凡是能增加转子涡动轨迹椭圆度的措施，例如将轴承形状做成椭圆形或多油楔形状，轴承架在 x 和 y 方向上刚度不相等，均有利

10、于转子的稳定。随着轨迹椭圆度的增大，随着轨迹椭圆度的增大，系统中输人功系统中输人功 Wu 对耗散对耗散功功 Wd 之比愈小，因此轴之比愈小，因此轴承工作愈趋稳定。承工作愈趋稳定。Wu/Wd 与轨迹椭圆度的关系与轨迹椭圆度的关系3.3 滑动轴承故障诊断 383.3.3.2 油膜振荡的机理及其故障诊断油膜振荡是高速滑动轴承的一种特有故障，它是由油膜力产生的自激振动，转子发生油膜振荡时输入的能量很大，足以引起转子轴承系统零部件的损坏。在一些大型电站汽轮发电机组中，油膜振荡也可能导致整个机组的毁坏，造成严重事故。下面从分析油膜振荡的机理出发，了解它的故障特征和诊断方法，从而采取有效的防治措施，消除油膜

11、振荡。3.3 滑动轴承故障诊断 39(1)半速涡动与油膜振荡 涡动：转子轴颈在轴承内作高速旋转的同时，还环绕某一平衡中心作公转运动。如果转子轴颈主要是由油膜力的激励作用引起涡动，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”。油膜激励引起的半速涡动是正向涡动运动(即与转子的旋转方向相同)，运动机理可以从轴承中油流的变化来理解。轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成进口断面大于出口断面的油楔。油液进人油楔后压力升高，如果轴颈表面线速度很高而载荷又很小，则轴颈高速旋转，使油楔中间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量，由于液体的不可压缩性，多余的油就要把轴颈推向前进，形成了与轴旋转

12、方向相同的涡动运动，涡动速度就是油楔本身的前进速度。3.3 滑动轴承故障诊断 40当转子旋转角度为 时，因为油具有黏性，所以轴颈表面的油流速度与轴颈线速度相同，均为 rr，而在轴瓦表面处的油流速度为零。假定间隙中的油流速度呈直线分布。在油楔力的推动下转子发生涡动运动，涡动角速度为 ，如果在 dt 时间内轴颈中心从点 O1 涡动到点O，轴颈上某一直径扫过的面积为 2redt，此面积亦即为轴颈掠过的面积,这部分面积就是油流在油楔进口断面间隙与出口断面间隙中的流量差。假如轴承宽度为 l，轴承两端的泄油量为 dQ。根据流体连续性条件，在 dt 时间内油液从油楔进口流入的油量与出口流出去的油量应该相等，

13、则可得到由此式解得222CeCer ldtr ldtrledtdQww+-=+W+1122dQrel dtwW=-3.3 滑动轴承故障诊断 41当轴承两端泄漏量 时，可得0dQdt=12wW=3.3 滑动轴承故障诊断 42涡动频率通常低于转速频率的一半，这是基于下面两方面的原因。在收敛区人口的油流速度由于受到不断增大的压力作用将会逐渐减慢，而在扩散区入口（即收敛区出口)的油流速度在油楔压力作用下将会加速。这种附加作用，就使得 A 断面上的速度分布线向内凹进，B 断面上的速度分布线向外凸出，实际与假设速度分布上的差别使驱动轴顶涡动的速度下降。轴承中的压力油不仅被轴颈带着作圆周运动，还向轴承两侧泄

14、油，用以带走轴承工作时产生的热量。油有泄漏时，则上式就成为根据国外资料介绍，半速涡动的实际振动频率为 0dQdt12wW(0.43 0.48)wW=3.3 滑动轴承故障诊断 43注意：有些高速轻载轴承由于结构不良，半速涡动早在较低的转速下已经发生，在振动频率上出现了低于工频的亚异步频率成分。半速涡动的发展将使转子由稳定变为不稳定。在半速涡动刚出现的初期阶段，由于油膜具有非线性特性(即轴颈涡动幅度增加时，油膜的刚度和阻尼较线性关系增加得更快)抑制了转子的涡动幅度，使轴心轨迹为一稳定的封闭图形，转子仍能平稳地工作。随着转速的升高，半速涡动成分的幅值逐渐增大。直至转速升高到第一临界转速的两倍附近时，

15、涡动频率与转子一阶自振颇率相重合，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。振荡频率为转子系统的一阶自振频率。如果继续升高转速，振动并不减弱，而且振动频率基本上不再随转速而升高 3.3 滑动轴承故障诊断 44还需说明，载荷不同的转子发生半速涡动和油膜振荡的情况是不同的。Yukia Hori 认为，轴承的油膜起始失稳转速与转子的载荷大小、临界转速高低以及轴颈在轴承中的相对偏心率有关。轻载转子在第一临界转速之前就发生了半速涡动。但不产生大幅度振动:当转速到达第一临界转速时，转子有较大振幅，越过以后，振幅再次减小。档转速达到两倍临界转速时，开始发生油膜振荡。对于重载转子，因为轴颈

16、在轴承中相对偏心率较大，转子的稳定性好，低转速时并不存在半速祸动现象，甚至转速到达 2 倍临界转速时还不会发生很大振动，只有当转速到达 2 倍临界转速以后的某一转速时，才突然发生油膜振荡。3.3 滑动轴承故障诊断 45不同载荷下的油膜振荡特点 重载转子升速时发生油膜振荡的起始转速和降速时油膜振荡的终止转速是不相重载转子升速时发生油膜振荡的起始转速和降速时油膜振荡的终止转速是不相同的。这种特点也表现在轻载转子上同的。这种特点也表现在轻载转子上.其半速涡动的起始点和消失点也互不相其半速涡动的起始点和消失点也互不相同，称为“惯性”现象。目前对于“惯性”现象的理论解释尚不完善。只是认同，称为“惯性”现象。目前对于“惯性”现象的理论解释尚不完善。只是认为起始点和消失点与外界的干扰情况有关。为起始点和消失点与外界的干扰情况有关。3.3 滑动轴承故障诊断 46(2)油膜振荡的特征及其诊断 现象：轴承油膜振荡是轴颈涡动运动与转子自振频率相吻合时发生的大幅度共振现象，其特点往往是来势很猛，瞬时间振幅突然升高，很快发生局部油膜破裂，引起轴颈与轴瓦之间摩擦，发出强烈的吼叫声，将严重损坏轴承和转子。因此有人把