離心式空壓機軸承結構對機組振動的影響

于洋 周順新 王俊 滿家歡 林茂陽

摘要：離心式壓縮機軸承對機組長期穩定運轉起到了至關重要的作用，針對不同結構軸承的特性，分析適用于離心壓縮機的基本軸承結構。

關鍵詞： 離心式空壓機 滑動軸承 可傾瓦軸承 金斯博雷軸承

離心式空壓機的轉子重量較大、轉速較高，因此軸承系統一般采用滑動軸承，因其在高速運轉時能形成穩定的剛性的油膜，且發熱可以隨潤滑油及時帶走，機組運行的穩定性跟軸承的結構有很大的關系。近年來隨著對軸承的研究逐漸深入，研究水平逐漸提高，由軸承引發的振動故障在逐漸減少，但是，由于軸承與轉子匹配不良導致的油膜渦動及震蕩仍是導致轉子發生振動的主要原因，油膜剛性的作用力在微觀狀態下是無限大的，因此往往引發劇烈的轉子振動。因此掌握滑動軸承的運轉機理，了解其常見的振動故障情況是十分有必要的。

1.離心式空壓機軸承的基本形式

為了保證離心式空壓機的平穩運行，其采用滑動軸承，以滑動軸承的作用為區分，分為支撐軸承和推力軸承兩類[1]。支撐軸承可以承受轉子的徑向力，確保轉子可以按軸心進行高速旋轉;推力軸承可以抵消轉子的軸向推力，防止轉子發生軸向移動，確保轉子葉輪出口與隔板的相對位置。

2.滑動軸承引起振動的機理

滑動軸承的機理是在轉子高速旋轉時，轉子與軸承油楔間形成一定的儲油區，利用潤滑油的粘性，在轉子高速旋轉時將儲油區的潤滑油帶入滑動軸承與轉子間，利用潤滑油的表面張力，形成剛性油膜，剛性油膜的承載力時無限大的，隨著轉子旋轉，潤滑油與流過軸承與轉子的接觸面，起潤滑作用的同時，將熱量帶走。

油膜渦動就是在上述過程中，由于轉子與軸承的油楔形成不良，導致潤滑油不能連續的進入到轉子與軸承的接觸面中，導致接觸面中的潤滑油過少，在轉子旋轉時，不能連續的供給潤滑油，導致接觸面內部的潤滑油形成于旋轉方向相反的作用力，這種現象叫做油膜渦動[2]。

闡釋油膜渦動時，渦動的劇烈程度與進油情況呈反相關關系。如果渦動的油膜的線速度為線性分布關系，渦動的油膜線速度與轉子旋轉時外徑表面的線速度相等，油膜與軸承接觸部位的線速度為0，因此油膜在軸承與轉子間的平均線速度為轉子線速度的0.5，因此這種渦動情況也成為半速渦動。在實際工作情況下，油膜的運動速度并不是呈線性比例關系，并且由于潤滑油會在軸承側面發生泄露，是的油膜渦動的運動情況變得復雜，根據查閱資料和實際經驗得知，油膜渦動產品的頻率一般轉子工作頻率的0.43-0.48倍。

產生油膜渦動時，其主要頻率特征是：頻譜圖中在工作頻率的0.43-0.48倍頻附近會有峰值和頻率簇，其軸心軌跡為正進動的雙橢圓。

渦動一般由轉子與軸承自激產生，當油膜渦動的頻率較小時，一般超過轉子一階臨界轉速對應的頻率，油膜渦動為非線性渦動，轉子的軸心軌跡為封閉的圓形，此狀態下，轉子運轉穩定[3]。當轉速提高時，油膜渦動的頻率也會隨轉速的提高而提高，造成轉子的振動情況逐漸惡化。如果油膜渦動產生的頻率逐漸提高至與轉子一階臨界轉速頻率相重合時，此時會發生劇烈的轉子振動，這種現象就是油膜振蕩。

油膜產生渦動的主要頻率特征是：頻率中在主頻的0.43-0.48倍頻附近存在低頻簇，并且存在峰值，軸心軌跡為穩定的正進動的雙橢圓。

油膜產生振蕩的主要頻率特征是：頻譜中轉子一階臨界轉速對應的頻率為主頻，其工頻一般小于主頻，軸心軌跡不穩定，相位呈現劇烈變化的狀態。

3.離心式壓縮機的支撐軸承結構及對振動的影響

3.1 離心式壓縮機的推力軸承結構

離心壓縮機的支撐軸承為滑動軸承，根據軸承的結構分為圓瓦軸承、橢圓瓦軸承、可傾瓦軸承，由于可傾瓦軸承具有良好的運轉性能，可傾瓦軸承由5個瓦塊組成，瓦塊在瓦體中可以進行自由擺動，以確保轉子的旋轉中心，如圖1所示，在不同的工況下都能保證瓦塊與轉子軸頸的貼合，利于形成穩定的油膜，擺動的瓦塊在轉子承受氣流沖擊時，具有良好的回位特性，不容易產生油膜振蕩。

為了保證轉子軸頸不被研傷，瓦塊的內表面澆鑄一層材質較軟的巴氏合金，澆鑄巴氏合金的厚度一般都為1～3mm，澆鑄巴氏合金后的瓦塊可以在軸承工作時具有較高的傳熱效率，并防止當軸承溫度過高時研傷轉子。

3.2 離心式壓縮機的推力軸承結構

離心式空壓機的推力軸承采用金斯伯雷軸承，如圖2所示。轉子工作時會因進出口的壓差，產生軸向推力，推力軸承可以平衡軸向推力，保證轉定子相對位置，并防止轉定子刮碰。金斯伯雷推力軸承一般為兩付軸承配合使用，推力軸承安裝在推力盤兩側，沒測軸承體分為上下兩半，每面有8 個止推瓦塊。瓦塊的背面為調整墊，調整墊需根據轉子的軸向竄量配磨，瓦塊背面為球形支點，以保證瓦塊可以自由擺動。

為了保證在工作時不損傷轉子，推力瓦塊的表面澆鑄有材質較軟的巴氏合金，巴氏合金的澆鑄不宜過薄或過厚，一般都在 1～3mm，巴氏合金要求有較高的導熱效率及疲勞強度，推力瓦塊的背面為球型結構，球型表面與調整墊片接觸，可以靈活擺動，保證推力瓦塊巴氏合金表面與推力盤緊密貼合，形式良好的油膜，保證各推力瓦塊均勻地承受軸向推力。

為了避免產生油膜渦動及油膜振蕩而引發的壓縮機振動故障，如上述一般采用抗振性優異的可傾瓦軸承及金斯博雷軸承。此兩類每個瓦塊后面均設置有墊塊，墊塊與瓦體內孔為點接觸，確保瓦塊在工作時可以靈活擺動，瓦塊與軸徑間形成油楔，在旋轉時確保潤滑油能順利的吸入到瓦面內，保證壓縮機轉子的良好潤滑。瓦塊可以在工作時隨空壓機轉子的姿態自由靈活擺動，確保瓦塊與轉子間時刻有良好的油楔，確保潤滑油的持續的保證潤滑，保證瓦塊的工作狀態穩定。當轉子受外力導致工作情況發生改變時，轉子的軸徑可能會短暫的離開原旋轉軸心，依靠瓦塊的自由擺動，可以保證瓦塊與軸徑間形成良好的工作狀態，這樣就提高了軸承工作的穩定性，一定程度上可以避免油膜渦動發生。

參考文獻

[1]西安交通大學透平壓縮機教研室.離心式壓縮機原理[M].北京：機械工業出版社，1990.

[2]劉士學.透平壓縮機振動[M].礦山機械，1997，7（8）：41-46.

[3]王春生.離心壓縮機振動分析[J].天津：天津大學，2004.