可傾瓦式徑向軸承對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)影響分析

金 楠

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽 110027）

0 引言

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性不僅是離心壓縮機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造以及進(jìn)行故障分析的力學(xué)基礎(chǔ)，更是直接決定機(jī)組能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，其中轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)和穩(wěn)定性等是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重要指標(biāo)。軸承根據(jù)摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承兩種類型，可傾瓦式徑向軸承屬于滑動(dòng)軸承，其工作狀態(tài)和對(duì)轉(zhuǎn)子的影響較滾動(dòng)軸承更為復(fù)雜。可傾瓦式徑向軸承中的每個(gè)瓦塊均能根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、所承受的載荷以及軸承溫度的不同進(jìn)行自動(dòng)調(diào)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(dòng)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(dòng)載荷以及適用于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子等特性，因此被廣泛應(yīng)用于離心壓縮機(jī)中。

1 可傾瓦式支撐軸承結(jié)構(gòu)

1.1 軸承結(jié)構(gòu)

可傾瓦式支撐軸承分為上下兩個(gè)部分，通過螺釘及定位銷連接成一個(gè)整體，并在頂部設(shè)有防轉(zhuǎn)銷釘，軸承結(jié)構(gòu)如圖1 所示。可傾瓦式支撐軸承由軸承體、擋油環(huán)、瓦塊、定位銷及專用螺釘?shù)攘悴考?gòu)成，其中軸承瓦塊被等角度安裝在軸承體內(nèi)側(cè)，使用專用螺釘作為支點(diǎn)并對(duì)瓦塊進(jìn)行定位，以確保每個(gè)瓦塊均能夠以支點(diǎn)為中心進(jìn)行擺動(dòng)，使所支撐的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

1.2 軸承瓦塊參數(shù)

如圖2 所示，軸承瓦塊參數(shù)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(jìn)油側(cè)和瓦塊支撐點(diǎn)之間的夾角α；瓦塊包角X。

圖2 軸承瓦塊參數(shù)

2 軸承—轉(zhuǎn)子分析模型

2.1 軸承模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

可傾瓦軸承的瓦塊有效寬度58 mm，瓦塊數(shù)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(yù)負(fù)荷0.354～0.515。

2.2 轉(zhuǎn)子模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

以兩段順排布置的離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子為分析模型，轉(zhuǎn)子總長2500 mm，支撐中心距2025 mm，聯(lián)軸器重量27 kg、轉(zhuǎn)子重量733.74 kg。轉(zhuǎn)子長徑比10.38，額定轉(zhuǎn)速11 100 r/min，轉(zhuǎn)速范圍7 700～11 100 r/min，轉(zhuǎn)子模型見圖3。根據(jù)API 617—2002《石油、化學(xué)和氣體工業(yè)用軸流、離心壓縮機(jī)及膨脹機(jī)—壓縮機(jī)》中加載方式，分別計(jì)算出轉(zhuǎn)子一、二階不平衡響應(yīng)曲線，見圖4 和圖5，分析結(jié)果見表1。文中的曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)僅用于圖解說明，不代表任何實(shí)際轉(zhuǎn)子響應(yīng)曲線；為清晰對(duì)比可傾瓦式徑向軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的影響，軸承結(jié)構(gòu)均以其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變?yōu)榍疤帷?/p>

表1 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

圖3 轉(zhuǎn)子分析模型

圖4 轉(zhuǎn)子一階不平衡響應(yīng)曲線

圖5 轉(zhuǎn)子二階不平衡響應(yīng)曲線

3 軸承參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)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(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速提升，一階臨界峰值、二階臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的臨界反應(yīng)。

表2 瓦塊有效寬度調(diào)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(chǔ)模型中的軸承包角改為52°后進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速未發(fā)生變化，一階臨界峰值略微增加，二階臨界轉(zhuǎn)速和二階臨界峰值增加（表3）。由此可見，改變軸承包角不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速產(chǎn)生明顯影響，但會(huì)導(dǎo)致二階臨界轉(zhuǎn)速提升，同時(shí)還使得轉(zhuǎn)子一、二階臨界反應(yīng)有增大趨勢(shì)。

表3 軸承包角調(diào)整為52°

3.3 瓦塊支點(diǎn)偏置比

瓦塊支點(diǎn)偏置比為瓦塊進(jìn)油側(cè)和瓦塊支撐點(diǎn)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(qiáng)，但當(dāng)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，瓦塊的承載能力則會(huì)明顯下降。因此，當(dāng)離心壓縮機(jī)具有雙向旋轉(zhuǎn)要求或防止轉(zhuǎn)子意外反轉(zhuǎn)對(duì)軸承造成損害時(shí)，通常優(yōu)先選擇使用偏置比為0.5 的瓦塊形式。將軸承—轉(zhuǎn)子模型中瓦塊的偏置比改為0.5 后進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速增加，一階臨界峰值雖增加不多，但有升高趨勢(shì)；轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速及振動(dòng)峰值均有下降趨勢(shì)，見表4。

表4 偏置比調(diào)整為0.5

3.4 支撐方式

根據(jù)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(shí)，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(diǎn)重合。瓦塊間支撐時(shí)，軸承瓦塊的分布形式通常為上3 下2，由下部?jī)蓚€(gè)瓦塊共同承受載荷，因此承載能力優(yōu)于瓦塊上支撐形式。現(xiàn)將基礎(chǔ)模型中的支撐方式改為瓦塊間支撐后進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速未發(fā)生變化，一階臨界峰值雖有所下降，但下降幅度較小；轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)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(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性影響較小，可根據(jù)實(shí)際軸承的實(shí)際載荷情況對(duì)支撐方式進(jìn)行選擇。

表5 支撐方式調(diào)整為瓦塊間支撐

3.5 裝配間隙和預(yù)負(fù)荷

預(yù)負(fù)荷是可傾瓦式支撐軸承中十分重要的無量綱參數(shù)，預(yù)負(fù)荷的大小由瓦塊加工間隙與瓦塊裝配間隙的之比計(jì)算得出。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸徑和瓦塊加工半徑相同時(shí)，根據(jù)預(yù)負(fù)荷的計(jì)算公式可知，當(dāng)加大軸承裝配間隙時(shí)，軸承的預(yù)負(fù)荷減小，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速和軸承瓦溫也會(huì)有所降低，但轉(zhuǎn)子在通過一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)臨界峰值會(huì)是有所提高；當(dāng)減小軸承裝配間隙時(shí)，軸承的預(yù)負(fù)荷增大，轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)值降低，軸承瓦溫升高，同時(shí)一階臨界轉(zhuǎn)速提升。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，軸承的安裝間隙通常為1.2～1.7 mm，預(yù)負(fù)荷范圍通常為0.3～0.5。

4 結(jié)束語

離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子均為撓性轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速位于轉(zhuǎn)子一、二階臨界轉(zhuǎn)速之間。因此應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速的高低與一階臨界反應(yīng)峰值給予更多的關(guān)注。本文以某軸承—轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為分析模型，分別分析和對(duì)比了可傾瓦式支撐軸承不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的影響。設(shè)計(jì)人員與壓縮機(jī)使用者可以以本文分析結(jié)果為參照，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。