不同載荷狀態(tài)下可傾瓦軸承低頻振動(dòng)分析與比較

高慶水， 劉 石， 馮永新

（廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州510080）

隨著汽輪發(fā)電機(jī)組等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，軸系變得越來越細(xì)長(zhǎng)，一階臨界轉(zhuǎn)速降低，工作轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)油膜失穩(wěn)的可能性增大，成為影響機(jī)組安全運(yùn)行的重要因素.

與固定式軸承相比，可傾瓦軸承的瓦塊可以繞其背部支點(diǎn)做自適應(yīng)擺動(dòng)，減小了容易引起失穩(wěn)的切向力.如果不考慮瓦塊慣性和支點(diǎn)摩擦阻尼等因素的影響，可傾瓦軸承理論上是完全穩(wěn)定的，因而在汽輪發(fā)電機(jī)組等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械上得到了廣泛應(yīng)用.然而近年來，一些機(jī)組可傾瓦軸承陸續(xù)發(fā)生了低頻振動(dòng)故障［1－4］，人們大多認(rèn)為這是由于可傾瓦軸承油膜失穩(wěn)引起的，可傾瓦軸承不會(huì)失穩(wěn)的觀點(diǎn)正在改變.所采取的故障治理方案也與固定式軸承一樣，如抬高軸承標(biāo)高、減小間隙和長(zhǎng)徑比等.然而，還有一些機(jī)組可傾瓦軸承上出現(xiàn)不穩(wěn)定振動(dòng)，其特征雖與油膜失穩(wěn)很相似，但按油膜失穩(wěn)故障預(yù)案處理后的效果卻較差.伴隨這類故障所出現(xiàn)的一些現(xiàn)象也很難用傳統(tǒng)油膜失穩(wěn)理論來解釋，如油膜失穩(wěn)故障容易導(dǎo)致軸承下瓦塊疲勞損傷，而這類故障卻容易導(dǎo)致軸承上瓦塊疲勞損傷等.

筆者針對(duì)工程上實(shí)際發(fā)生的2種類型低頻振動(dòng)，分析了其故障產(chǎn)生機(jī)理，并給出2種故障的區(qū)分方法.

1 可傾瓦軸承油膜失穩(wěn)引起的低頻振動(dòng)分析

1.1 可傾瓦軸承油膜失穩(wěn)機(jī)理

針對(duì)軸承油膜失穩(wěn)機(jī)理方面的研究很多.如圖1所示，油在軸承收斂油楔內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)形成正壓區(qū)，合成后將產(chǎn)生一個(gè)垂直于軸頸偏移方向的切向力F1.一旦F1超過系統(tǒng)本身阻尼力F2，轉(zhuǎn)軸就會(huì)渦動(dòng).渦動(dòng)發(fā)生后，離心力增大，軸頸中心偏離軸承中心的程度更大，所產(chǎn)生的切向力更大，進(jìn)一步推動(dòng)軸頸渦動(dòng)，由此形成自激振動(dòng).因此，軸承內(nèi)油膜產(chǎn)生的垂直于轉(zhuǎn)子偏移方向的切向力是導(dǎo)致軸承油膜失穩(wěn)的根源.

圖1 軸承油膜壓力分布Fig.1 Pressure distribution of oil film in the bearing

與固定式軸承不同，如圖2所示，可傾瓦軸承含有多個(gè)可傾瓦塊，每一瓦塊能夠繞支點(diǎn)擺動(dòng)，隨著軸頸運(yùn)動(dòng)而自由調(diào)整位置形成油楔，以適應(yīng)轉(zhuǎn)速、軸承負(fù)載等的變化，并使每一瓦塊內(nèi)的油膜壓力的合力都通過軸頸中心，不會(huì)產(chǎn)生引起失穩(wěn)的切向力.因此，可傾瓦軸承穩(wěn)定性較高.

圖2 可傾瓦軸承模型Fig.2 Model of the tilting－pad journal bearing

可傾瓦軸承穩(wěn)定性雖然較高，然而大量研究表明：可傾瓦軸承穩(wěn)定性與軸承安裝、軸承間隙等依然有較大關(guān)系.承載較輕時(shí)，可傾瓦軸承阻尼較小，抵抗外界擾動(dòng)能力較差，容易失穩(wěn).這種情況下所采取的故障治理措施大多是從提高軸承載荷角度來制定的，如減小軸承長(zhǎng)徑比和抬高軸承標(biāo)高等.

1.2 輕載狀態(tài)下可傾瓦軸承油膜失穩(wěn)實(shí)例分析

某廠一臺(tái)600MW汽輪發(fā)電機(jī)組試運(yùn)以及其后一年多時(shí)間內(nèi)振動(dòng)很不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在5號(hào)和6號(hào)軸承上.機(jī)組啟動(dòng)升速和帶負(fù)荷初期振動(dòng)都比較穩(wěn)定，帶負(fù)荷至600MW運(yùn)行5min后，5號(hào)、6號(hào)軸承振動(dòng)在1min內(nèi)突變，分別增大至280μm和270μm，軸瓦振動(dòng)也分別增大至62μm和70μm.振動(dòng)突變后，4～7號(hào)軸承軸振出現(xiàn)了不同程度的17.5Hz低頻分量，其中5號(hào)、6號(hào)軸承軸振低頻分量幅值甚至高達(dá)168μm.表1給出了軸承軸振突變前后的數(shù)據(jù).第2次帶負(fù)荷試驗(yàn)又出現(xiàn)了同樣情況，帶負(fù)荷至560MW運(yùn)行1min后，5號(hào)、6號(hào)軸承振動(dòng)突變，10min后振動(dòng)又突然消失.此后又出現(xiàn)過2次類似大幅度波動(dòng)，最終5號(hào)、6號(hào)軸承軸振分別在280μm和240μm高幅值上.試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)油溫對(duì)振動(dòng)有一定影響，油溫低于55℃時(shí)振動(dòng)容易突變，油溫較高時(shí)振動(dòng)比較穩(wěn)定.

表1 軸承軸振突變前后振動(dòng)數(shù)據(jù)Tab.1 Vibration parameters before and after abrupt change of shaft vibration μm

5號(hào)軸承采用了穩(wěn)定性比較高的可傾瓦結(jié)構(gòu)，下部采用了2塊可傾瓦塊，理論上不應(yīng)該失穩(wěn).但是5號(hào)、6號(hào)軸承軸振還是出現(xiàn)了大幅度低頻分量，且振動(dòng)與潤(rùn)滑油溫等有關(guān)，初步判斷故障性質(zhì)為油膜失穩(wěn).為了分析故障原因，從頂軸油壓、軸頸中心位置和冷熱態(tài)標(biāo)高變化量等方面對(duì)5號(hào)軸承承載狀態(tài)進(jìn)行了綜合分析.

表2給出了盤車、定速和滿負(fù)荷下各軸承頂軸油壓值.由表2可以看出，整個(gè)過程中5號(hào)軸承頂軸油壓均最小，說明5號(hào)軸承載荷確實(shí)較輕.

表2 5～8號(hào)軸承頂軸油壓Tab.2 Jacking oil pressure of bearings No.5to No.8 MPa

圖3給出了啟動(dòng)過程中5號(hào)軸頸中心變化情況.由圖3可以看出，升速過程中5號(hào)軸頸垂直上抬250μm，水平偏移27μm.帶負(fù)荷過程中5號(hào)軸頸中心又進(jìn)一步上抬180μm，水平偏移20μm.滿負(fù)荷狀態(tài)下，5號(hào)軸頸中心總上抬量達(dá)到430μm.采用連通管法測(cè)試了冷熱態(tài)下各軸承標(biāo)高的相對(duì)變化，5號(hào)軸承標(biāo)高降低量達(dá)到1.337mm.

綜合多方面數(shù)據(jù)認(rèn)為，熱態(tài)下5號(hào)軸承載荷很輕，處于脫空狀態(tài)，判定5號(hào)軸承出現(xiàn)油膜失穩(wěn)，根本原因是軸承載荷較輕.檢修中將5號(hào)軸承標(biāo)高抬高400μm.標(biāo)高調(diào)整后，機(jī)組啟動(dòng)、升速和帶負(fù)荷過程中，各測(cè)點(diǎn)都沒有出現(xiàn)17.5Hz左右的低頻分量.

圖3 啟動(dòng)過程中5號(hào)軸頸中心變化情況Fig.3 Journal center variation of No.5bearing during start－up process

2 可傾瓦軸承瓦塊顫振引起的低頻振動(dòng)分析

2.1 可傾瓦軸承瓦塊顫振現(xiàn)象

顫振是一種可傾瓦塊繞著支點(diǎn)做周期性擺動(dòng)的現(xiàn)象.Zeidan等［5］指出瓦塊顫振會(huì)導(dǎo)致軸承上瓦塊損壞.Adams等［6］指出顫振時(shí)會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的次同步振動(dòng).Hargreaves等［7］分析了進(jìn)油邊收斂油楔對(duì)顫振的影響.Yang等［8］在可傾瓦塊背部安裝加速度傳感器并測(cè)量了升速過程中瓦塊振動(dòng)響應(yīng)變化情況，圖4給出了其實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果.由圖4可以看出，低速下幾乎沒有顫振現(xiàn)象；隨著轉(zhuǎn)速的升高，開始出現(xiàn)顫振，顫振幅值越來越大，顫振頻率近似為半倍轉(zhuǎn)速頻率.

圖4 瓦塊響應(yīng)頻譜隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.4 Change of pad frequency spectrum during run－up process

2.2 可傾瓦軸承瓦塊顫振動(dòng)力學(xué)分析模型

圖5給出了可傾瓦塊動(dòng)力學(xué)分析模型.考慮瓦塊上下運(yùn)動(dòng)以及繞支點(diǎn)的擺動(dòng)，瓦塊動(dòng)力學(xué)方程為

式中：y和δ分別為瓦塊位移和擺角；F2為制動(dòng)彈簧反作用力；γ為瓦背彈簧到支點(diǎn)角度；F0和M0分別為油膜力作用在瓦塊上的合力與合力矩，通過求解Reynolds潤(rùn)滑方程得出；c1、c2為阻尼系數(shù)；R2為瓦背半徑；m和I分別為瓦塊質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

制動(dòng)彈簧反作用力F2的計(jì)算公式為

式中：k和C0分別為制動(dòng)彈簧剛度和間隙.

圖5 可傾瓦塊動(dòng)力學(xué)分析模型Fig.5 Dynamic model of the tilting pad

針對(duì)表3所給軸承參數(shù)，采用四階龍格庫塔法求解式（1）和式（2），得到2種不同軸承間隙下可傾瓦軸承上瓦塊的振動(dòng)響應(yīng)，如圖6所示.由圖6可以看出，軸承間隙較小時(shí)，上瓦塊位移為0，瓦塊穩(wěn)定支撐在背部支點(diǎn)上；軸承間隙較大時(shí)，上瓦塊位移在0～0.7mm間波動(dòng)，瓦塊背部沒有固定支點(diǎn)，出現(xiàn)了顫振現(xiàn)象.

表3 可傾瓦軸承參數(shù)Tab.3 Parameters of the tilting－pad journal bearing

圖6 2組不同軸承間隙下可傾瓦軸承上瓦塊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.6 Pad response under two typical bearing clearances

2.3 可傾瓦軸承瓦塊顫振過程的細(xì)化分析

圖7給出了瓦塊顫振響應(yīng)過程.假設(shè)初始時(shí)刻瓦塊位移和擺角為0，瓦塊中心位于軸頸中心上方.顫振過程可以描述如下：

（1）狀態(tài)1～狀態(tài)2.收斂油楔位于瓦塊下游，在油膜壓力作用下瓦塊向負(fù)方向擺動(dòng).因間隙大、油膜力小，在重力作用下瓦塊向下運(yùn)動(dòng).下移過程中，收斂油楔逐漸向進(jìn)油側(cè)移動(dòng)，瓦塊負(fù)角度擺動(dòng)趨勢(shì)變緩，直到擺角達(dá)到最大負(fù)值為止.

（2）狀態(tài)2～狀態(tài)3.在重力作用下，瓦塊繼續(xù)下移，收斂油楔進(jìn)一步向上游移動(dòng).在油膜壓力作用下，瓦塊擺角逐漸由負(fù)值恢復(fù)到0.油膜壓力越來越大，瓦塊下移趨勢(shì)逐漸變緩，直至下移量達(dá)到最大值為止.

（3）狀態(tài)3～狀態(tài)4.此時(shí)瓦塊間隙較小，油膜壓力大于重力，瓦塊開始向上移動(dòng)，位移逐漸減小.瓦塊擺角在油膜壓力作用下進(jìn)一步增大.受瓦塊上移、收斂油楔向下游移動(dòng)影響，瓦塊擺角增大趨勢(shì)逐漸變緩，直到達(dá)到最大值為止.

（4）狀態(tài)4～狀態(tài)1.在油膜壓力作用下，瓦塊進(jìn)一步上移，直到碰到支點(diǎn)為止.收斂油楔進(jìn)一步向下游移動(dòng)，瓦塊擺角逐漸減小，直到0為止.回到初始狀態(tài)1.

圖7 瓦塊顫振響應(yīng)過程Fig.7 Reponse steps during pad fluttering

2.4 可傾瓦軸承瓦塊顫振機(jī)理

當(dāng)瓦塊工作間隙較小時(shí)，油膜壓力較大.受油膜壓力擠壓作用，瓦塊有1個(gè)固定支點(diǎn)，此時(shí)瓦塊可以簡(jiǎn)化為1個(gè)單自由度系統(tǒng)，瓦塊擺動(dòng)過程中很快能找到擺角平衡位置而穩(wěn)定下來.

當(dāng)瓦塊工作間隙較大時(shí)，油膜壓力較小，不足以支撐瓦塊，瓦塊會(huì)下移，下移趨勢(shì)因油膜壓力逐漸增大而變緩.油膜壓力進(jìn)一步增大到超過重力后，瓦塊又會(huì)向上移動(dòng).整個(gè)過程中瓦塊沒有1個(gè)固定支點(diǎn)，這就是瓦塊顫振的根本原因.

2.5 可傾瓦軸承瓦塊顫振的影響因素

瓦塊與軸頸之間的工作間隙Cs對(duì)顫振影響很大：（1）當(dāng)Cs＜C時(shí)，油膜壓力較大，瓦塊一直處于承載狀態(tài)，瓦塊支撐在背部支點(diǎn)上，繞支點(diǎn)擺動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)顫振；（2）當(dāng)Cs＞C時(shí)，油膜壓力較小，瓦塊在承載和非承載狀態(tài)間變化，波動(dòng)過程中瓦塊沒有固定支點(diǎn)，擺動(dòng)的同時(shí)會(huì)上下移動(dòng)，容易出現(xiàn)顫振.

2.6 可傾瓦軸承顫振實(shí)例分析

某臺(tái)660MW超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子I、低壓轉(zhuǎn)子II、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁短軸和9個(gè)軸承組成.正常運(yùn)行時(shí)，4號(hào)軸承軸振逐漸增大，500min后因振動(dòng)爬升至600μm而被迫停機(jī).整個(gè)過程如圖8所示.4號(hào)軸承軸振爬升時(shí)，相鄰3號(hào)、5號(hào)軸承振動(dòng)平穩(wěn).圖9給出了4號(hào)軸承振動(dòng)頻譜圖.由圖9可以看出，振動(dòng)增大后，頻譜圖中出現(xiàn)了大量10Hz和20Hz左右的低頻分量.

再次啟機(jī)，4號(hào)軸承軸振在1 100r／min后快速增大，至1 390r／min時(shí)因振動(dòng)大而打閘，此過程中軸承瓦溫和瓦振正常.更換4號(hào)軸承傳感器并在軸承外側(cè)新加一組渦流傳感器后啟機(jī)，振動(dòng)與上次一致，升速到1 100r／min時(shí)，4號(hào)軸承軸振開始增大，至1 390r／min后因振動(dòng)大而再次打閘.圖10給出了4號(hào)軸承軸振趨勢(shì)和瀑布圖.1 100r／min后開始出現(xiàn)低頻振動(dòng)，其幅值隨轉(zhuǎn)速升高而迅速增大.此過程中工頻幅值小于25μm，軸承座振動(dòng)僅有6μm，新加渦流傳感器所測(cè)軸承軸振只有53μm.

圖8 3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)軸承軸振爬升過程Fig.8 Shaft vibration increase of bearings No.3to No.5

圖9 4號(hào)軸承軸振頻譜圖Fig.9 Frequency spectrum for shaft vibration of No.4bearing

圖10 4號(hào)軸承軸振瀑布圖及啟停過程中幅值和頻譜變化Fig.10 Cascade plot for shaft vibration of No.4bearings and change of amplitude and spectrum during run－up and rundown process

打開4號(hào)軸承進(jìn)行檢查.如圖11所示，發(fā)現(xiàn)柱銷孔偏摩、上瓦塊進(jìn)油邊處烏金碎裂、瓦背彈簧斷裂，說明該瓦塊出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的顫振現(xiàn)象.更換軸承并減小上瓦塊間隙后啟機(jī)，不穩(wěn)定低頻振動(dòng)消失.

圖11 4號(hào)軸承故障情況Fig.11 Fault photo of No.4bearing

3 可傾瓦軸承2種低頻振動(dòng)故障的區(qū)分方法

軸承出現(xiàn)低頻振動(dòng)后，大多認(rèn)為故障是由于油膜失穩(wěn)所引起的.實(shí)際上，瓦塊顫振和油膜失穩(wěn)均會(huì)誘發(fā)低頻振動(dòng)［9］，兩者都是當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后才會(huì)發(fā)生，故障特征很相似.但是兩者之間也有較明顯的差別，主要表現(xiàn)在：

（1）油膜失穩(wěn)容易發(fā)生在輕載軸承上，顫振容易發(fā)生在重載軸承上.輕載軸承阻尼小，抵抗外界擾動(dòng)能力較差，容易產(chǎn)生油膜失穩(wěn).重載軸承軸頸中心上抬量較小，上瓦塊工作間隙較大，容易產(chǎn)生顫振.

（2）油膜失穩(wěn)后轉(zhuǎn)軸振動(dòng)較大，容易導(dǎo)致軸承下瓦塊損壞，顫振后上瓦塊處于不穩(wěn)定狀態(tài)，容易導(dǎo)致進(jìn)油側(cè)烏金、柱銷和彈簧等疲勞損壞.

（3）顫振發(fā)生后，實(shí)際轉(zhuǎn)軸振動(dòng)并不大，但是瓦塊擺動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生較大的相對(duì)振動(dòng)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)轉(zhuǎn)軸相對(duì)振動(dòng)較大.油膜失穩(wěn)發(fā)生后，轉(zhuǎn)軸本身振動(dòng)較大.

（4）油膜失穩(wěn)大多發(fā)生在高轉(zhuǎn)速下，而顫振在相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速下也有可能發(fā)生.

4 結(jié) 論

（1）通過可傾瓦軸承油膜失穩(wěn)和顫振機(jī)理的分析，指出軸承輕載狀態(tài)下容易出現(xiàn)油膜失穩(wěn)，而重載狀態(tài)下容易出現(xiàn)顫振.顫振和油膜失穩(wěn)的故障機(jī)理不同，但現(xiàn)象具有很強(qiáng)的相似性，容易誤判.

（2）與油膜失穩(wěn)會(huì)引起較大軸承軸振不同，顫振發(fā)生后軸承軸振并不大，上瓦塊振動(dòng)大，容易引起彈簧、柱銷和進(jìn)油側(cè)烏金等的疲勞損壞.

（3）可傾瓦大多在瓦塊出油邊安裝制動(dòng)彈簧，可以防止瓦塊與軸頸之間的接觸碰撞，但無法消除顫振.

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