项目4 任务4.8轴承

授课教师：孙为民项目四汽轮机结构任务4.8轴承支持轴承的作用是承担转子的重量及转子不平衡质量产生的离心力，并确定转子的径向位置，保证转子中心与汽缸中心一致，以保持转子与静止部分间正确的径向间隙；推力轴承的作用是承受转子上未平衡的轴向推力，并确定转子的轴向位置，以保证动、静部分间正确的轴向间隙。汽轮机轴承的两种类型推力轴承支持轴承支持轴承的作用推力轴承的作用汽轮机转子重量及轴向推力都很大，且转子的转速很高，轴承在高速重载条件下工作。因此，汽轮机轴承都采用液体摩擦的滑动轴承。工作时，在轴颈和轴瓦之间形成油膜，建立液体摩擦，以保证机组安全平稳地工作。第一部分PART

ONE滑动轴承的工作原理第二部分PART

TWO轴承的油膜振荡CONTENTS目录滑动轴承的工作原理第一部分滑动轴承的工作原理6以圆筒形轴承为例分析滑动支持轴承的工作原理，如图（a）所示。轴瓦内圆直径略大于轴颈外径，转子静止时，轴颈处在轴瓦底部，轴颈与轴瓦之间自然形成楔形间隙。如果连续向轴承间隙中供应具有一定压力和粘度的润滑油，当轴颈旋转时，润滑油随之转动，在图中右侧间隙中，润滑油被从宽口带向窄口。由于此间隙进口油量大于出口油量，润滑油便聚积在狭窄的楔形间隙中而使油压升高。图（a）滑动轴承的工作原理7当间隙中的油压超过轴颈上的载荷时，就把轴颈抬起。轴颈被抬起后，间隙增大，油压又有所降低，轴颈又下落一些，直到间隙中的油压与载荷平衡时，轴颈便稳定在一定的位置上旋转。此时，轴颈与轴瓦完全被油膜隔开，形成了液体摩擦。滑动轴承的工作原理8润滑油粘性越大、轴颈转速越高，楔形间隙内的油压越高，轴颈被抬得越高，轴颈中心处在较高的偏心位置。当转速为无穷大时，理论上轴颈中心便与轴瓦中心重合。因此，随着转速的不同，轴颈中心的位置也不同，其轨迹近似为一半圆曲线，如图（b）所示。显然，滑动轴承的工作原理9油楔中的压力分布如图（b）、（c）所示。楔形间隙进口处油压最低，然后随间隙减小而逐渐增大，经过最大值后又逐渐减小，在间隙出口处降至最低。即沿轴承的长度方向，润滑油从轴承的两端排出，所以中间的油压最高，往两端逐渐降低。在径向，在轴向，滑动轴承的工作原理10图中还表示了不同l/d（l为轴承长度，d为轴颈直径）时的油压分布。对于同一轴承，在其他条件相同的情况下，轴承的长度越长，则产生的油压越大，承载能力就越大。但是轴承太长，轴颈被抬起过高，将影响其工作的稳定性，且不利于轴承的冷却，同时还会增加机组的轴向长度。由图可知，因此必须合理选择轴承尺寸滑动轴承的工作原理11由以上分析可知，要在有载荷作用的两表面间建立建立液体摩擦，必须具备以下条件：两表面间构成楔形间隙；两表面之间有足够的具有合适粘度的润滑油；两表面间要有相对运动，且运动方向是使润滑油从楔形间隙的宽口流向窄口。1）2）3）轴承的油膜振荡第二部分轴承的油膜振荡13油膜振荡现象1滑动轴承工作时，油膜反过来激励轴颈，使轴颈产生强烈振动，这种现象即为油膜振荡。轴颈支承在油膜上高速旋转，在一定条件下，轴承的油膜振荡14一个转子柔性大、载荷较轻的轴承，当转子转速从零逐渐增加时，轴颈中心的运动情况如图所示当转速由零逐渐升高时，起初没有振动，只是随着不同的转速轴颈中心处于不同的偏心位置。当转速升高到A点时，轴颈开始出现振动，但振幅较小，振动频率约为A点转速的一半。转速继续升高时，振幅基本不变，振动频率随之增加，总是约等于当时转速的一半。轴承的油膜振荡15一个转子柔性大、载荷较轻的轴承，当转子转速从零逐渐增加时，轴颈中心的运动情况当转速升高到Ａ1点时，达到转子第一临界转速ωc1，此时振动加剧，振幅突然增加，振动频率等于ωc1。超过第一临界转速后，振动迅速减弱，频率也恢复为当时转速的一半。当转速继续升高到A2点达到第一临界转速的两倍时，振动又加剧，频率等于此时转速的一半，即等于ωc1。此后转速继续升高，振幅不再减小，频率保持等于第一临界转速不变。轴承的油膜振荡16在以上的过程中，转速升高到A点对应的值时，轴颈开始失去稳定，因此A点对应的转速称为失稳转速；A点至A2点间，轴颈中心发生频率等于当时转速一半的小振动，称为半速涡动；A2点以后，轴颈中心发生频率等于转子第一临界转速的大振动，称为油膜振荡。当油膜振荡发生后，在较大的转速范围内，涡动频率将保持等于第一临界转速，振幅也始终保持在共振状态下的大振幅，这种现象称为油膜振荡的惯性效应。失稳转速半速涡动油膜振荡油膜振荡的惯性效应因此，油膜振荡不能用提高转速的方法来消除轴承的油膜振荡17产生油膜振荡的原因2由轴承的工作原理可知，在一定载荷和转速下，轴颈中心处于某一偏心位置Ο'而达到平衡状态，如图所示。此时油膜对轴颈的作用力pg与轴颈上的载荷p大小相等、方向相反且作用于同一直线上，它们的合力为零。如果轴颈受到一个干扰，中心从Ο'移移到Ο‘’,油楔随之发生改变，产生的油膜作用力的大小和方向也将发生变化，pg变为p'g轴承的油膜振荡18产生油膜振荡的原因2p'g与p不平衡，它们的合力不再为零，而是力Ｆ。Ｆ可分解为沿油膜变形方向的弹性恢复力Fr和垂直于油膜变形方向的切向分力Ft。弹性恢复力推动轴颈返回平衡点Ο'；而切向分力将推动轴颈绕Ο'点转动，引起轴颈中心在轴承内涡动，称为失稳分力。此时，轴颈不仅围绕其中心高速旋转，而且轴颈中心还围绕平衡点Ο'涡动。轴承的油膜振荡19若失稳分力等于阻尼力则涡动是发散的，轴颈中心的轨迹为螺线扩散形，属于不稳定工作状态。轴颈则产生小振幅涡动，轴颈中心的轨迹为一椭圆形封闭曲线。理论和实践证明，此时涡动频率接近当时转速的一半，称为半速涡动。如果涡动的角速度与转子的第一临界转速合拍，则涡动被共振放大，轴颈发生强烈振动，即产生了油膜振荡。若失稳分力大于阻尼力则涡动是收敛的，轴颈中心受到扰动而偏移后将自动回到平衡位置，此时轴承的工作是稳定的。若失稳分力小于轴承阻尼力因此半速涡动和油膜振荡都应设法消除轴承的油膜振荡20油膜振荡的防止和消除3发生油膜振荡时轴颈振幅很大，会引起轴承油膜破裂、轴颈与轴瓦碰撞甚至损坏。半速涡动时振幅不大，虽然不会破坏油膜，但长期工作，会引起零件的松动和疲劳损坏。另外，因其振动频率刚好等于转子的第一临界转速，成为转子的共振激发力，使转子发生共振，可能导致转轴损坏。由前面的分析可知，只有当转速高于失稳转速及转子第一临界转速的两倍时，才有可能发生油膜振荡。因此防止和消除油膜振荡的基本方法是提高转子的第一临界转速和失稳转速。轴承的油膜振荡21提高失稳转速，避免发生油膜振荡不会发生油膜振荡但对于大功率机组，转子第一临界转速较低，可能低于额定转速的一半，此时只能从提高失稳转速入手，将失稳转速提高到额定转速之上，即可避免发生油膜振荡。刚性转子和第一临界转速高于额定转速一半的挠性转子，在其工作转速范围内，只可能发生半速涡动而不会发生油膜振荡。轴承的油膜振荡22由油膜振荡产生原因分析可知，轴颈在轴承中运行不稳定的根本原因是轴颈受到扰动后产生了失稳分力。扰动越大，轴颈偏离其平衡位置的距离越大，失稳分力也越大，越容易引起涡动，进而导致油膜振荡。提高转子的失稳转速也就是提高轴颈工作的稳定性。✔在同一扰动强度下，轴颈稳定运行时的偏心距越大，其相对偏移就越小，失稳分力也越小，越不容易产生半速涡动和油膜振荡。✔也就是说，轴颈在轴瓦中平衡位置的偏心距越大，转子工作越稳定，失稳转速也就越高。而偏心距的大小总是在相对的观点上才有意义，因此上述结论是对轴颈在轴瓦中的相对偏心率而言的。✔轴承的油膜振荡23相对偏心率即轴颈与轴瓦的绝对偏心距ΟΟ‘与它们的半径差（R-r）的比值，以K表示。即：

Ｋ越大，失稳转速越高，越不容易产生半速涡动和油膜振荡，通常认为K大于0.8时，轴颈在任何情况下都不会发生油膜振荡。反之，Ｋ越小，转轴工作越不稳定，越容易产生半速涡动和油膜振荡。因此，降低轴心位置以增大轴颈相对偏心率，可以防止和消除油膜振荡。轴承的油膜振荡24——————————————主要措施如下

——————————————（1）增加轴承比压轴承载荷与轴瓦垂直投影面积（轴承长度×直径）之比称为比压。比压越大，轴颈越不容易浮起，相对偏心率越大，轴承稳定性越好。缩短轴瓦长度，以减小轴瓦的投影面积及增加轴瓦端的泄油量；调整轴瓦中心，以增加负荷过小轴承的载荷。增大比压的常用方法有方法一方法二轴承的油膜振荡25其方法是提高油温或更换粘度较小的润滑油——————————————主要措施如下

——————————————（2）降低润滑油粘度润滑油粘度越大，轴颈旋转时带入油楔油量就越多，油膜越厚，轴颈在轴瓦中浮得越高，相对偏心率越小，轴颈就越容易失去稳定而产生油膜振荡。因此降低润滑油粘度有利于轴承的稳定工作。轴承的油膜振荡26减小圆筒形或椭圆形轴承轴瓦顶部间隙，可以产生或加大向下的油膜作用力，使轴颈的位置降低，增大了相对偏心率，使轴颈在轴承中的稳定性提高。同时加大轴瓦两侧间隙（