【正文】 加速軸承疲勞破壞。 滑動軸承常見故障的原因和防治 機(jī)械電子工程學(xué)院 軸承腐蝕 腐蝕損壞主要是由潤滑劑的化學(xué)作用引起。如果潤滑劑選用不當(dāng)，在工作條件下生成氧化膜和反應(yīng)物，使?jié)櫥瑒┖芸臁袄匣?，喪?潤滑性能 。 軸承氣蝕 氣蝕在軸承內(nèi)油液壓力低的區(qū)域（壓力低于油液的飽和蒸汽壓）生成一個個微小的氣泡，這些氣泡帶到高壓區(qū)時被擠破，擠破瞬間形成的 壓力沖擊波 沖擊軸承表面，使表面金屬很快產(chǎn)生疲勞裂紋或金屬層剝落。 軸承殼體配合松動 軸承蓋與軸承座之間壓得不緊，軸承套和軸承蓋之間存在間隙，轉(zhuǎn)子工作時軸瓦松動，影響軸承油膜的穩(wěn)定性。振動具有非線性特點(diǎn)。 滑動軸承常見故障的原因和防治 機(jī)械電子工程學(xué)院 軸承間隙不適當(dāng) 間隙太小，由于油流在間隙內(nèi)剪切摩擦損失過大，引起軸承發(fā)熱，同時油量減少，來不及帶走摩擦產(chǎn)生的 熱量 。 間隙太大，即使是一種很小的激勵力（如不平衡力），也會引起很明顯的軸承振動，并且在過臨界轉(zhuǎn)速時振動很大。對于高速輕載轉(zhuǎn)子，過大的軸承間隙會改變軸承的動力特性，引起轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。軸承間隙大，類似于一種松動問題，在軸振動的頻譜上會出現(xiàn)很多轉(zhuǎn)速頻率的諧波成分。 軸承溫度過高 1）軸承間隙太小。 2）軸承載荷過高。 3）油冷卻器故障，進(jìn)油溫度升高。 4）軸承形狀或軸承裝配不符合要求。 滑動軸承常見故障的原因和防治 機(jī)械電子工程學(xué)院 轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時，軸頸上的載荷必定與油膜反力相平衡，即作用在軸頸中心上的力大小相等、方向相反，如右圖所示。 假如軸頸中心在 O1位置上，軸頸載荷 P和油膜反力 R大小相等方向相反， O1點(diǎn)就是軸頸旋轉(zhuǎn)時的平衡位置，這個平衡位置可由軸頸的偏心率 ε和偏位角 θ來確定。 軸頸渦動力的形成 高速滑動軸承不穩(wěn)定故障的診斷 不穩(wěn)定故障的原因 軸頸在油膜中的渦動與穩(wěn)定性 機(jī)械電子工程學(xué)院 軸頸渦動力的形成 軸頸在油膜中的渦動與穩(wěn)定性 當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界瞬時干擾，軸頸中心移到 O’位置時，該處的油膜反力變?yōu)?R’， R’的大小和方向與 P不再平衡，兩者的合力為 F。 F有推動軸頸圍繞平衡中心繼續(xù)旋繞的趨勢，這種旋繞運(yùn)動就稱為 渦動 。 渦動中的軸頸如果渦動力等于或小于油膜阻尼力，則軸心軌跡不擴(kuò)大，成為一個穩(wěn)定的封閉圖形，這種渦動是 穩(wěn)定 的。如果渦動力超過阻尼力，則軸心軌跡繼續(xù)擴(kuò)大，這種渦動是不穩(wěn)定的。處于失穩(wěn)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子，在瞬時內(nèi)將出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動。 機(jī)械電子工程學(xué)院 軸頸中心的平衡半圓 軸頸在油膜中的渦動與穩(wěn)定性 相對偏心率 ε和偏位角 θ是決定軸頸在軸承中位置的兩個基本參數(shù)。 以平面圓柱軸承為例，軸頸中心的偏位角是隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨負(fù)荷的增加而減??；而偏心率的變化則隨偏位角的增大而減小。 機(jī)械電子工程學(xué)院 軸承的剛度和阻尼系數(shù) 油膜的動態(tài)特性 油膜力在 x和 y方向上的增量為： ? ? ? ???????????????????????????yxCyxKFFyx??式中， 為剛度系數(shù)矩陣， 為阻尼系數(shù)矩陣。 ? ? ???????yyyxxyxxKKKKK? ? ???????yyyxxyxxCCCCC機(jī)械電子工程學(xué)院 （ a）同頻穩(wěn)定振動 （ b）異步不穩(wěn)定振動 兩類不同性質(zhì)的力平衡 （ a—— 振動位移， e—— 重心偏移量， B—— 軸承中心， M—— 質(zhì)量中心， O—— 旋轉(zhuǎn)中心， ω—— 旋轉(zhuǎn)角速度， Ω—— 渦動角速度， 1—— 慣性力， 2—— 阻尼力， 3—— 彈性恢復(fù)力， 4—— 離心力， 5—— 切向力） 油膜失穩(wěn)的機(jī)理分析 機(jī)械電子工程學(xué)院 油膜失穩(wěn)的機(jī)理分析 軸心在渦動軌跡上的能量分析 合成橢圓軌道的簡諧振動可表示為： ??????????)s i n(s i n00?tyytxx式中， 、 為 x和 y方向上的振幅，Ω為渦動角頻率， 為軌跡運(yùn)動在 x和y方向上相位差。 0x 0y? 力矩 M是切向力 與渦動半徑 R之乘積，使軸心在渦動軌跡上作功，則每一渦動周期內(nèi)油膜力對軸心所作的功為： uF????? c o s)()(s i n)( 00202022 yxxyyyxxxyyx CCyxyCxCKKyxW ???????? 第一項(xiàng)代表由 交叉剛度 影響所作的功；第二項(xiàng)代表由 主阻尼力所作的功；第三項(xiàng)為 交叉阻尼力 所作的功。 機(jī)械電子工程學(xué)院 油膜失穩(wěn)的機(jī)理分析 軸心在渦動軌跡上的能量分析 前一項(xiàng)稱為 輸入功 ，后兩項(xiàng)稱為 耗散功 。 當(dāng) 時，輸入能量不斷增大，軸頸在油膜中的渦動幅度越來越大，此即軸承的油膜失穩(wěn)。 當(dāng) 時，軸心軌跡不會擴(kuò)大，轉(zhuǎn)子軸頸被穩(wěn)定在一個較小的振幅之內(nèi)正常工作。 當(dāng) 時，軸承處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。 ????? c o s)()(s i n)( 00202022 yxxyyyxxxyyx CCyxyCxCKKyxW ????????uWdWdu WW ?du WW ?du WW ?機(jī)械電子工程學(xué)院 軸心軌跡形狀與轉(zhuǎn)子穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)系 （ a） (a=b)；（ b） (a≠b)；（ c） (b=0) 切向力在三種運(yùn)動軌跡上的輸入功 ?? dsFW uu ?? dsFW uu ?c os 0?? ? dsFW uu機(jī)械電子工程學(xué)院 軸心軌跡形狀與轉(zhuǎn)子穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)系 與軌跡橢圓度的關(guān)系 假若在圓形軌跡上阻尼力與切向力相等，則在橢圓形軌跡上阻尼力就會大于切向力，亦即耗散功大于輸入功，使振幅減弱，轉(zhuǎn)子工作穩(wěn)定。 凡是能 增加轉(zhuǎn)子渦動軌跡橢圓度 的措施，如將軸承形狀做成橢圓形或多油楔形狀，軸承架在 x和 y方向上剛度不相等，均有利于轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定。 duWW機(jī)械電子工程學(xué)院 油膜振蕩的機(jī)理及故障診斷 渦動 就是轉(zhuǎn)子軸頸在軸承內(nèi)作高速旋轉(zhuǎn)的同時，還環(huán)繞某一平衡中心作公轉(zhuǎn)運(yùn)動。如果轉(zhuǎn)子軸頸主要是 油膜力 的激勵作用引起渦動，則軸頸的渦動角速度近似為轉(zhuǎn)速的 1/2，所以稱為 半速渦動 。 油膜激勵引起的半速渦動是 正向 渦動運(yùn)動。 渦動速度就是油楔本身的前進(jìn)速度 。 油膜渦動 半速渦動與油膜振蕩 機(jī)械電子工程學(xué)院 半速渦動與油膜振蕩 軸頸半速渦動分析圖 在 dt時間內(nèi)油液從油楔進(jìn)口流入的油量與出口流出去的油量應(yīng)該相等，則可得到： dtdQr e l2121 ??? ?當(dāng)軸承兩端泄漏量 時， 可得： ?21??0?dtdQ解得： dQdtreldtreCldtreCl ?????? 22)(2)( ??機(jī)械電子工程學(xué)院 半速渦動與油膜振蕩 渦動頻率通常 低于轉(zhuǎn)速頻率的一半 的原因： 在 收斂區(qū)入口 的油流速度由于受到不斷增大的壓力作用將會逐漸減慢 ，而在 擴(kuò)散區(qū)入口 的油流速度在油楔壓力作用下將會 加速 ，使驅(qū)動軸頸渦動的速度下降。 軸承中的壓力油不僅被軸頸帶著作圓周運(yùn)動，還向軸承兩側(cè) 泄油，用以帶走軸承工作時產(chǎn)生的熱量。半速渦動的實(shí)際振動頻率為： ?)~(??軸頸半速渦動分析圖 機(jī)械電子工程學(xué)院 在半速渦動剛出現(xiàn)的 初期階段 ，由于油膜具有非線性特性（即軸頸渦動幅度增加時，油膜的剛度和阻尼較線性關(guān)系增加得更快），抑制了轉(zhuǎn)子的渦動幅度，使軸心軌跡為一穩(wěn)定的封閉圖形， 轉(zhuǎn)子仍能平穩(wěn)地工作 。 隨著轉(zhuǎn)速的升高，半速渦動成分的幅值逐漸增大。直至轉(zhuǎn)速升高到第一臨界轉(zhuǎn)速的 兩倍 附近時， 渦動頻率 與轉(zhuǎn)子一階 自振頻率相重合 ，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)將發(fā)生激烈的油膜 共振 ，這種共振渦動就稱為 油膜振蕩 ，振蕩頻率為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階自振頻率。 如果繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，振動并不減弱，而且振動頻率基本上不再隨轉(zhuǎn)速而升高。 半速渦動與油膜振蕩 機(jī)械電子工程學(xué)院 油膜渦動發(fā)展到油膜振蕩的過程 半速渦動與油膜振蕩 機(jī)械電子工程學(xué)院 軸承的油膜起始失穩(wěn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的 載荷 大小、 臨界轉(zhuǎn)速 高低以及軸頸在軸承中的 相對偏心率 有關(guān)。 輕載轉(zhuǎn)子 在第一臨界轉(zhuǎn)速之前就 發(fā)生了半速渦動 ，但不產(chǎn)生大幅度振動；當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)第一臨界轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子有較大振幅，越過臨界轉(zhuǎn)速以后，振幅再次減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 2倍臨界轉(zhuǎn)速時，開始發(fā)生油膜振蕩。 對于 重載轉(zhuǎn)子 ，因?yàn)檩S頸在軸承中相對偏心率較大，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性好， 低轉(zhuǎn)速時并不存在半速渦動現(xiàn)象 ，甚至轉(zhuǎn)速到達(dá) 2倍臨界轉(zhuǎn)速時還不會發(fā)生很大振動，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá) 2倍臨界轉(zhuǎn)速以后的某一轉(zhuǎn)速時，才突然發(fā)生油膜振蕩。 半速渦動與油膜振蕩 機(jī)械電子工程學(xué)院 不同載荷下的油膜振蕩特點(diǎn) 半速渦動與油膜振蕩 振 幅振 動 頻 率頻 率振 幅轉(zhuǎn) 速輕 載 轉(zhuǎn) 子振 幅振 動 頻 率頻 率振 幅轉(zhuǎn) 速中 載 轉(zhuǎn) 子振 幅振 動 頻 率頻 率振 幅轉(zhuǎn) 速重 載 轉(zhuǎn) 子機(jī)械電子工程學(xué)院 油膜振蕩是一種 自激振動 ，維持振動的能量是由軸本身在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的，它不受外部激勵力的影響。 一旦發(fā)生大振幅的油膜振蕩后，如果繼續(xù) 升高轉(zhuǎn)速 ， 振幅也不會下降 ，而且振動 頻率 始終為轉(zhuǎn)子的 一階自振頻率 ，轉(zhuǎn)子的撓曲振型也為 一階振型 ，與升高后的轉(zhuǎn)速不發(fā)生關(guān)系。油膜振蕩的這個特性與轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速時的振動情況不一樣。 此外，自激振動均有 突發(fā)性 的特點(diǎn)，因此油膜振蕩的發(fā)生和消失也是突發(fā)性的，這與轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速時振動逐漸增大的現(xiàn)象截然不同。 油膜振蕩的特征與診斷 機(jī)械電子工程學(xué)院 某轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的三維坐標(biāo)圖 油膜振蕩的特征與診斷 高速輕載 轉(zhuǎn)子，發(fā)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速總是高于 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階 臨界轉(zhuǎn)速 2倍以上 。 對于穩(wěn)定性較差的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)，一般發(fā)生油膜振蕩轉(zhuǎn)速之前的較低轉(zhuǎn)速下就已經(jīng)出現(xiàn)了半速渦動頻率，因此，可以從各種轉(zhuǎn)速下的頻譜圖上 觀察是否存在渦動頻率 。 機(jī)械電子工程學(xué)院 油膜振蕩是一種 非線性 的油膜共振，會激發(fā)起油膜振蕩頻率 Ω和轉(zhuǎn)速頻率 ω的多倍頻成分以及這兩個主振頻率 Ω和 ω的 和差組合頻率 成分，即 （ m、 n為正整數(shù)）。 摩擦故障主振頻率比是 精確 的 ，而油膜振蕩頻率比 一般小于 1/2。 ?? nm ?（ a）剛出現(xiàn)油膜振蕩時頻譜 （ b）油膜振蕩發(fā)展時的頻譜 油膜振蕩的特征與診斷 i???機(jī)械電子工程學(xué)院 發(fā)生油膜振蕩時，軸心軌跡形狀 紊亂、發(fā)散 ，很多不規(guī)則的軌跡線疊加成 花瓣 形狀。 油膜振蕩的特征與診斷 機(jī)械電子工程學(xué)院 出現(xiàn)半速渦動 半速渦動增大 發(fā)生油膜振蕩 油膜振蕩的起始和發(fā)展過程 油膜振蕩的特征與診斷 機(jī)械電子工程學(xué)院 發(fā)生油膜振蕩時，由于轉(zhuǎn)子發(fā)生激烈的自激振動，引起軸承油膜破裂，因而 會同時發(fā)生軸頸和軸瓦的碰撞摩擦 ，時而發(fā)生巨大的 吼叫聲 。 軸承中的油膜共振與摩擦渦動聯(lián)合作用引起的轉(zhuǎn)子大振動，會給 軸承 和 迷宮密封 帶來嚴(yán)重?fù)p傷。 油膜振蕩的特征與診斷 機(jī)械電子工程學(xué)院 某轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的三維坐標(biāo)圖 油膜振蕩的特征與診斷 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一旦進(jìn)入油膜共振區(qū)， 升高轉(zhuǎn)速，振蕩頻率不變，振幅并不下降 。但是降低轉(zhuǎn)速，振動也并不馬上消失， 油膜振蕩消失的轉(zhuǎn)速要低于它的起始轉(zhuǎn)速 ，這就是油膜振蕩的“ 慣性 ”現(xiàn)象。 機(jī)械電子工程學(xué)院 油膜渦動和油膜振蕩在全息譜上的故障特征是在分倍頻區(qū)內(nèi)偏心率很小的橢圓。由于 接近正圓 ，很容易和其它分倍頻故障區(qū)分開來。 油膜振蕩的特征與診斷 油膜振蕩的二維全息譜 機(jī)械電子工程學(xué)院 油膜渦動與油膜振蕩的信號特征