滑动轴承油膜涡动与油膜振荡的故障诊断

滑动轴承油膜涡动与油膜振荡的故障诊断曲佳兴成宏中国石油设备故障诊断技术中心（中国石油辽阳石化分公司生产监测部）111003摘要本文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，对指导现场维修具有较高实用价。关键词滑动轴承油膜振荡故障诊断1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。2油膜涡动及油膜振荡的故障机理涡动是转子轴颈在作高速旋转的同时，还环绕轴颈某一平衡中心作公转运动。按照激励因素不同，涡动可以是正向的（与轴旋转方向相同），也可以是反向的（与轴旋转方向相反）；涡动角速度与转速可以是同步的，也可以是异步的。如果转子轴颈主要是由于油膜力的激励作用而引起涡动则轴颈的涡动角速度将接近转速的一半，故有时也称之为“半速涡动”，涡动频率通常略低于转速频率的1/2。随着工作转速的升高，半速涡动频率也不断升高，频谱中半频谐波的振幅不断增大，使转子振动加剧。如果转子的转速升高到第一临界转速的2倍以上时，半速涡动频率有可能达到第一临界转速，此时会发生共振，造成振幅突然骤增，振动非常剧烈。同时轴心轨迹突然变成扩散的不规则曲线，频谱图中的半频谐波振幅值增大到接近或超过基频振幅，频谱会呈现组合频率的特征。若继续提高转速，则转子的涡动频率保持不变，始终等于转子的一阶临界转速，这种现象称为油膜振荡。3油膜涡动及油膜振荡的故障特征起始失稳转速与转子的相对偏心率有关，轻载转子在第一临界转速之前就可能发生不稳定的半速涡动，但不产生大幅度的振动；当转速达到第一临界转速时，转子由于共振而有较大的振幅；越过第一临界转速后振幅再次减少。当转速达到两倍第一临界转速时，振幅增大并且不随转速的增加而改变，即发生了油膜振荡。对于重载转子，因为轴颈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涡动现象，甚至转速达到两倍的第一临界转速时，也不会立即发生很大的振动，当转速达到两倍的第一临界转速之后的某一转速时，才突然发生油膜振荡。中载转子在过了一阶临界转速后会出现半速涡动，而油膜振荡则在二倍的第一临界转速之后出现。油膜振荡还具有以下特征：（l）油膜振荡在一阶临界转速的二倍以上时发生。一旦发生振荡，振幅急剧加大，即使再提高转速，振幅也不会下降；（2）油膜振荡时，轴颈中心的涡动频率为转子一阶固有频率；（3）油膜振荡具有惯性效应，升速时产生油膜振荡的转速和降速时油膜振荡消失时的转速不同；（4）油膜振荡为正进动，即轴心涡动的方向和转子旋转方向相同。4油膜涡动及油膜振荡的诊断方法油膜涡动及油膜振荡的诊断依据主要见表1和表2表1油膜涡动及油膜振荡振动特征表2油膜涡动及油膜振荡振动敏感参数6油膜涡动及油膜振荡故障原因及治理措施油膜涡动及油膜振荡的故障原因及治理措施见表3表3油膜涡动及油膜振荡的故障原因及治理措施7滑动轴承油膜涡动及油膜振荡故障实例我石化公司一离心式空气压缩机是法国WORTHINGTON公司制造的，额定功率4170kW，额定转速9060rpm，由五块可倾瓦径向轴承支承。转子一阶临界转速2900-3200rpm，机组结构简图如图1所示图1机组结构简图该机组故障停机后，操作人员于当日晚再次开车，在工艺操作人员提升转速过程中（从7000RPM升至7050RPM），机组振动突然增大，尤其是压缩机入口侧水平向（102H）全频振值由10m上升到40m，并伴有低沉的吼叫声，继续提高转速，振值没有变化，机组在7000RPM运行时测得的压缩机入口侧水平向（102H）频谱图如图2所示图27000RPM时压缩机入口侧水平方向（102H）频谱图机组在7050RPM运行时测得的压缩机入口侧水平向（102H）频谱图如图3所示图37050RPM时压缩机入口侧水平方向（102H）频谱图为了找出故障原因，操作人员降低机组转速至7000RPM，振动没有明显好转的现象，机组转速保持在7000RPM，润滑油温度降低2℃后压缩机各测点全频振动值变化情况如表4所示表4降润滑油温度试验中压缩机各测点全频振动值变化情况（单位：mPk-Pk值）3V3H4V4H降温前29402735降温后27372533从这台机组的振动情况来看，该机组是在转速从7000rpm提升至7050rpm时压缩机两端振动突然增大，尤其是压缩机入口侧水平向（102H）全频振值达到40m，继续提高转速，振动没有变化，降低机组转速，振动没有明显好转，把油温降低2℃，振值有所下降，从40m降至37m；从测得的频谱图来看，机组在7000RPM运转时，振动以工频占主导并伴有半频成分，机组在7050RPM运转时，0.43倍频率成分突然增大，并成为产生高振动的主导频率，同时伴有低沉的吼叫声。根据以上分析，可以判断造成机组振动故障的主要原因是：油膜振荡。机组解体检修后，发现如下问题：1）轴承间隙超过允许值（设计最大允许值为0.18µm，实测为0.21µm）；2）5块可倾瓦厚度不均匀，同一块最薄与最厚处相差0.03mm，超过允许设计值，瓦块内表面预负荷处于负值状态（PR值原设计为0.027，现在降为-0.135），降低了轴承工作稳定性；检修人员对上述问题立即进行了修正，再次开车后，机组运转正常。8结束语通过以上对滑动轴承油膜涡动及油膜振荡故障实例的分析，充分证明了该诊断方法在实际工作中是行之有效的。该方法能指导现场监测诊断人员及时找到故障原因，少走弯路，节省检维修时间，缩短停工周期，以保证装置的安稳运行。参考文献[1]沈庆根.化工机器故障诊断技术[M].浙江.浙江大学出版社出版.1994年12月第一版[2]杨国安.机械设备故障诊断实用技术[M].北京.中国石化出版社.2007年8月第一版[3]盛兆顺.设备状态监测与故障诊断技术及应用[M].北京.化学工业出版社.2007作者简介曲佳，男，汉族，籍贯黑龙江省木兰县，2006年毕业于吉林大学通信工程学院测控技术与仪器专业,现工作于辽阳石化分公司,助理工程师职称,从事设备故障诊断工作.工作单位：中国石油设备故障诊断技术中心（辽阳石化分公司机械技术研究所）联系方式：辽宁省辽阳市宏伟区火炬大街６－１号辽阳石化分公司生产监测部机械技术研究所邮政编码：１１１００３联系电话：[phone]联系人：曲佳身份证：230127198202070619