可傾瓦式徑向軸承對轉子動力學影響分析

金 楠

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽 110027）

0 引言

轉子動力學特性不僅是離心壓縮機進行設計、制造以及進行故障分析的力學基礎，更是直接決定機組能否安全穩(wěn)定運行的關鍵，其中轉子的臨界轉速、不平衡響應和穩(wěn)定性等是設計人員關注的重要指標。軸承根據摩擦性質可分為滑動軸承和滾動軸承兩種類型，可傾瓦式徑向軸承屬于滑動軸承，其工作狀態(tài)和對轉子的影響較滾動軸承更為復雜?？蓛A瓦式徑向軸承中的每個瓦塊均能根據轉子轉速、所承受的載荷以及軸承溫度的不同進行自動調整，以確保在瓦塊表面形成最佳狀態(tài)的油膜，避免發(fā)生油膜渦動或油膜振蕩等問題。加之其具有使用壽命長、能夠承受沖擊和振動載荷以及適用于高速旋轉的轉子等特性，因此被廣泛應用于離心壓縮機中。

1 可傾瓦式支撐軸承結構

1.1 軸承結構

可傾瓦式支撐軸承分為上下兩個部分，通過螺釘及定位銷連接成一個整體，并在頂部設有防轉銷釘，軸承結構如圖1 所示?？蓛A瓦式支撐軸承由軸承體、擋油環(huán)、瓦塊、定位銷及專用螺釘等零部件構成，其中軸承瓦塊被等角度安裝在軸承體內側，使用專用螺釘作為支點并對瓦塊進行定位，以確保每個瓦塊均能夠以支點為中心進行擺動，使所支撐的轉子始終處于最理想的工作位置與工作狀態(tài)。

圖1 可傾瓦式支撐軸承結構

1.2 軸承瓦塊參數

如圖2 所示，軸承瓦塊參數包括：軸徑半徑Rs；瓦塊加工半徑Rp；軸承安裝半徑Rb；瓦塊加工間隙Cp，Cp=Rp-Rs；瓦塊裝配間隙Cb，Cb=Rb-Rs；瓦塊進油側和瓦塊支撐點之間的夾角α；瓦塊包角X。

圖2 軸承瓦塊參數

2 軸承—轉子分析模型

2.1 軸承模型結構參數

可傾瓦軸承的瓦塊有效寬度58 mm，瓦塊數5，包角60°，偏置比0.6，支撐類型（瓦塊上），安裝間隙0.16～0.21 mm，預負荷0.354～0.515。

2.2 轉子模型結構參數

以兩段順排布置的離心壓縮機轉子為分析模型，轉子總長2500 mm，支撐中心距2025 mm，聯(lián)軸器重量27 kg、轉子重量733.74 kg。轉子長徑比10.38，額定轉速11 100 r/min，轉速范圍7 700～11 100 r/min，轉子模型見圖3。根據API 617—2002《石油、化學和氣體工業(yè)用軸流、離心壓縮機及膨脹機—壓縮機》中加載方式，分別計算出轉子一、二階不平衡響應曲線，見圖4 和圖5，分析結果見表1。文中的曲線和相關數據僅用于圖解說明，不代表任何實際轉子響應曲線；為清晰對比可傾瓦式徑向軸承結構參數變化對轉子動力學的影響，軸承結構均以其他結構參數不變?yōu)榍疤帷?/p>

表1 轉子動力學分析結果

圖3 轉子分析模型

圖4 轉子一階不平衡響應曲線

圖5 轉子二階不平衡響應曲線

3 軸承參數對轉子動力學的影響

3.1 瓦塊寬度

可傾瓦式徑向軸承主要規(guī)格尺寸包括軸承直徑D 和瓦塊有效寬度B，通常情況下軸承的寬徑比B/D 取值范圍為0.4～1。將分析模型中瓦塊有效寬度增加至75 mm 后進行分析，轉子一階臨界轉速提升，一階臨界峰值、二階臨界轉速和二階臨界峰值降低（表2）。由此可見，瓦塊有效寬度增加后可有效降低轉子的臨界反應。

表2 瓦塊有效寬度調整為75 mm

3.2 包角

瓦塊包角一般為52°和60°兩種類型。將基礎模型中的軸承包角改為52°后進行分析，轉子一階臨界轉速未發(fā)生變化，一階臨界峰值略微增加，二階臨界轉速和二階臨界峰值增加（表3）。由此可見，改變軸承包角不會對轉子一階臨界轉速產生明顯影響，但會導致二階臨界轉速提升，同時還使得轉子一、二階臨界反應有增大趨勢。

表3 軸承包角調整為52°

3.3 瓦塊支點偏置比

瓦塊支點偏置比為瓦塊進油側和瓦塊支撐點之間的夾角與瓦塊包角的比值。目前，偏置比為0.5 和0.6 的瓦塊形式較為常見，瓦塊的偏置比越大則瓦塊承載能力就越強，但當轉子反向旋轉時，瓦塊的承載能力則會明顯下降。因此，當離心壓縮機具有雙向旋轉要求或防止轉子意外反轉對軸承造成損害時，通常優(yōu)先選擇使用偏置比為0.5 的瓦塊形式。將軸承—轉子模型中瓦塊的偏置比改為0.5 后進行分析，轉子一階臨界轉速增加，一階臨界峰值雖增加不多，但有升高趨勢；轉子二階臨界轉速及振動峰值均有下降趨勢，見表4。

表4 偏置比調整為0.5

3.4 支撐方式

根據軸承所受載荷作用位置的不同可將支撐方式分為瓦塊上支撐和瓦塊間支撐兩種類型。瓦塊上支撐時，軸承瓦塊的分布形式通常為上2 下3，軸承所承受的載荷作用在下部中間瓦塊上，載荷方向與瓦塊支點重合。瓦塊間支撐時，軸承瓦塊的分布形式通常為上3 下2，由下部兩個瓦塊共同承受載荷，因此承載能力優(yōu)于瓦塊上支撐形式?，F(xiàn)將基礎模型中的支撐方式改為瓦塊間支撐后進行分析，轉子一階臨界轉速未發(fā)生變化，一階臨界峰值雖有所下降，但下降幅度較??；轉子二階臨界轉速有小幅度下降，二階臨界峰值升高，見表5。由此可見，軸承支撐方式對轉子動力特性影響較小，可根據實際軸承的實際載荷情況對支撐方式進行選擇。

表5 支撐方式調整為瓦塊間支撐

3.5 裝配間隙和預負荷

預負荷是可傾瓦式支撐軸承中十分重要的無量綱參數，預負荷的大小由瓦塊加工間隙與瓦塊裝配間隙的之比計算得出。當轉子軸徑和瓦塊加工半徑相同時，根據預負荷的計算公式可知，當加大軸承裝配間隙時，軸承的預負荷減小，轉子一階臨界轉速和軸承瓦溫也會有所降低，但轉子在通過一階臨界轉速區(qū)時臨界峰值會是有所提高；當減小軸承裝配間隙時，軸承的預負荷增大，轉子在工作狀態(tài)時的振動值降低，軸承瓦溫升高，同時一階臨界轉速提升。在實際應用時，軸承的安裝間隙通常為1.2～1.7 mm，預負荷范圍通常為0.3～0.5。

4 結束語

離心式壓縮機轉子均為撓性轉子，即轉子工作轉速位于轉子一、二階臨界轉速之間。因此應對轉子的一階臨界轉速的高低與一階臨界反應峰值給予更多的關注。本文以某軸承—轉子結構為分析模型，分別分析和對比了可傾瓦式支撐軸承不同結構參數對于轉子動力學的影響。設計人員與壓縮機使用者可以以本文分析結果為參照，根據實際情況對軸承的結構參數進行調整。