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油膜軸承因其承載性能好，工作穩(wěn)定可靠、工作壽命長等優(yōu)點，在各種機械、各個行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，對油膜軸承故障機理的研究工作也比較廣泛和深入。
一、油膜軸承的工作原理
??? ? ?油膜軸承按其工作原理可分為靜壓軸承與動壓軸承兩類。
靜壓軸承是依靠潤滑油在轉(zhuǎn)子軸頸周圍形成的靜壓力差與外載荷相平衡的原理進行工作的。不論軸是否旋轉(zhuǎn)，軸頸始終浮在壓力油中，工作時可以保證軸頸與軸承之間處于純液體摩擦狀態(tài)。因此，這類軸承具有旋轉(zhuǎn)精度高、摩擦阻力小、承載能力強的特點，并且對轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性和抗振性非常好。但是，靜壓軸承的制造工藝要求較高，還需要一套復(fù)雜的供油裝置，因此，除了在一些高精度機床上應(yīng)用外，其他場合使用尚少。
動壓軸承油膜壓力是靠軸本身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，因此供油系統(tǒng)簡單，設(shè)計良好的動壓軸承具有很長的使用壽命，因此，很多旋轉(zhuǎn)機器（例如膨脹機、壓縮機、泵、電動機、發(fā)電機等）均廣泛采用各類動壓軸承。
在旋轉(zhuǎn)機械上使用的液體動壓軸承有承受徑向力的徑向軸承和承受軸向力的止推軸承兩類，本節(jié)主要討論徑向軸承的故障機理與診斷。
在動壓軸承中，軸頸與軸承孔之間有一定的間隙（一般為軸頸直徑的千分之幾），間隙內(nèi)充滿潤滑油。軸頸靜止時，沉在軸承的底部，如圖1-1 (a )所示。當轉(zhuǎn)軸開始旋轉(zhuǎn)時，軸頸依靠摩擦力的作用，沿軸承內(nèi)表面往上爬行，達到一定位置后，摩擦力不能支持轉(zhuǎn)子重量就開始打滑，此時為半液體摩擦，如圖1-1（b)所示。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，軸頸把具有黏性的潤滑油帶入與軸承之間的楔形間隙（油楔）中，因為楔形間隙是收斂形的，它的入口斷面大于出口斷面，因此在油楔中會產(chǎn)生一定油壓，軸頸被油的壓力擠向另外一側(cè)，如圖1-1（c）所示。如果帶入楔形間隙內(nèi)的潤滑油流量是連續(xù)的，這樣油液中的油壓就會升高，使入口處的平均流速減小，而出口處的平均流速增大。由于油液在楔形間隙內(nèi)升高的壓力就是流體動壓力，所以稱這種軸承為動壓軸承。在間隙內(nèi)積聚的油層稱為油膜，油膜壓力可以把轉(zhuǎn)子軸頸抬起，如圖1-1（d)所示。當油膜壓力與外載荷平衡時，軸頸就在與軸承內(nèi)表面不發(fā)生接觸的情況下穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)，此時的軸心位置略有偏移，這就是流體動壓軸承的工作原理。
圖1-1 動壓軸承工作狀態(tài)
? ???? 軸頸在軸承內(nèi)旋轉(zhuǎn)時的油膜壓力分布情況如圖1-2所示。軸承參數(shù)如下：
圖1-2 軸承內(nèi)油膜壓力分布
?? ?????—偏位角；??????e—偏心距；
? ?? ? c—平均間隙，?
φ—相對間隙，
?????? ε—相對偏心率，
hmin——最小油膜厚度，
?????? 軸承的承載能力與多種參數(shù)有關(guān)，對于圓柱軸承可用式（1－1）表示：
??????????????????????????????????? (1-1)
?????? 式中P—軸承載荷；Ψp—軸承承載能力系數(shù)；μ—潤滑油動力黏度系數(shù)；l—軸承寬度；
d—軸頸直徑；ω—軸頸旋轉(zhuǎn)角速度。
當Ψp>1時，稱為低速重載轉(zhuǎn)子；當Ψp＜1時，稱為高速輕載轉(zhuǎn)子。Ψp是偏心率ε和軸承寬徑比l／d的函數(shù)，偏心率越大或軸承寬徑比越大，貝Ψp 也越大，軸承承載能力也大，但偏心率過大時最小油膜厚度過薄，有可能出現(xiàn)軸頸與軸承內(nèi)表面干摩擦的危險。
二、油膜軸承的不穩(wěn)定工作機理
? ???? 在石油、化工、電力、鋼鐵和航空工業(yè)部門中使用的高性能旋轉(zhuǎn)機械，多數(shù)屬于高速輕載轉(zhuǎn)子，即Ψp＜1。高速輕載軸承由于設(shè)計不良或使用中多種因素的影響，易發(fā)生油膜不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)在某種工作狀態(tài)下，還會發(fā)生高速滑動軸承的一種特有故障—油膜渦動和油膜振蕩問題，（密封無憂網(wǎng)www.zuiqgek.cn）轉(zhuǎn)子軸頸在油膜中的劇烈振動將會直接導(dǎo)致機器零部件的損壞。因此，必須了解產(chǎn)生油膜不穩(wěn)定工作的原因、故障機理和特征，采取措施防止轉(zhuǎn)子在工作時失穩(wěn)。
1．軸頸在油膜中的渦動與穩(wěn)定性
轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中以角速度ω穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，軸頸上的載荷與油膜力相平衡，即作用在軸頸中心上的力大小相等、方向相反。如圖1-3所示，假如軸頸中心在O1位置上，軸頸載荷W和油膜力P大小相等，方向相反，O1點就是軸頸旋轉(zhuǎn)的平衡位置，這個平衡位置由軸頸的偏心率ε和偏位角?來確定的。假如轉(zhuǎn)子受到外界瞬時干擾力的作用，軸頸中心移到O′位置時，如果能夠回復(fù)到原來的位置，則認為系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則認為是不穩(wěn)定的。當軸心移到O′位置時，該處的油膜反力為P′，與W不再衡，兩合力為F。把F分解為一個切向分量F2和一個徑向分量Fl,力F1與軸徑的位移方向相反，試圖把軸頸推回到原處，這是一種彈性恢復(fù)力；而力F2與軸頸位移方向垂直，它有推動軸頸中心渦動的趨勢，故F2稱為渦動力。如果渦動力等于或小于油膜阻尼力，軸頸的渦動將是穩(wěn)定的；如果渦動力超過阻尼力，則軸心軌跡繼續(xù)擴大，這時軸心是不穩(wěn)定的。
???????????????????????????????????????????????? 圖1-3? 軸頸的受力分析
2.半速渦動與油膜振蕩
渦動是轉(zhuǎn)子軸頸在作高速旋轉(zhuǎn)的同時，還環(huán)繞軸頸某一平衡中心作公轉(zhuǎn)運動。按照激勵因素不同，渦動可以是正向的（與軸旋轉(zhuǎn)方向相同），也可以是反向的（與軸旋轉(zhuǎn)方向相反）；渦動角速度與轉(zhuǎn)速可以是同步的，也可以是異步的。如果轉(zhuǎn)子軸頸主要是由于油膜力的激勵作用而引起渦動，則軸頸的渦動角速度將接近轉(zhuǎn)速的一半，故有時也稱之為“半速渦動”。其運動的機理如下。
軸頸在軸承中作偏心旋轉(zhuǎn)時，形成一個進口斷面大于出口斷面的油楔，如果進口處的油液流速并不馬上下降（例如，對于高速輕載轉(zhuǎn)子，軸頸表面線速度很高而載荷又很小，油楔力大于軸頸載荷，此時油楔壓力的升高不足以把收斂形油楔中的流油速度降得較低），則軸頸從油楔間隙大的地方帶入的油量大于從間隙小的地方帶出的油量，由于液體的不可壓縮性，多余的油就要把軸頸推向前進，形成了與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的渦動運動，渦動速度就是油楔本身的前進速度。
軸頸渦動速度可以定量分析如下：當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度為ω時，因潤滑油具有黏性，所以軸頸表面的油流速度與軸頸線速度相同，均為rω，而在軸瓦表面處的潤滑油流速為零。為分析方便，假定間隙中的油流速呈直線分布，如圖1-4所示。在油楔力的推動下轉(zhuǎn)子發(fā)生渦動運動，渦動角速度為Ω，假定dt時間內(nèi)軸頸中心從O1點渦動到O′點，軸頸上某一直徑A′B′掃過的面積為
???????????????????????? (1-2)
圖1-4? 軸頸半速渦動分析
???????此面積等于軸頸掠過面積（圖中有陰影線部分的月牙形面積），這部分面積也就是油流在AA′斷面間隙與BB′斷面間隙中的流量差。假如軸承寬度為1，軸承兩端的泄油量為dQ，根據(jù)流體連續(xù)性條件，則可得到
????????????????????? (1-3)
??? ? ? 解得???????????????????????????????????????? (1-4)
? ? ?? 當軸承兩端泄漏量
時，可得：??? (1-5)
???????實際上，由于以下原因的影響，渦動頻率通常略低于轉(zhuǎn)速頻率的1/2：
(1)在收斂區(qū)入口的油流速度由于受到不斷增大的油壓作用而逐漸減慢，而在收斂區(qū)出口的油流速度在油楔壓力作用下會有所增大。這兩者的作用與軸頸旋轉(zhuǎn)時引起的直線速度分布相疊加，就使得圖1-4中AA′斷面上的速度分布線向內(nèi)凹進，BB′斷面上的速度分布線向外凸出，這種速度分布上的差別使軸頸的渦動速度下降。
(2)注入軸承中的壓力油不僅被軸頸帶著作圓周運動，還有部分潤滑油從軸承兩側(cè)泄漏，此時，
因而，這是造成渦動速度低于轉(zhuǎn)速之半的另一個原因，式（1-5)變?yōu)椋?img decoding="async" data-original="http://www.zuiqgek.cn/wp-content/uploads/2020/04/20061029213709168.gif" src="http://www.zuiqgek.cn/wp-content/themes/begin/img/blank.gif" alt="油膜軸承的故障機理與診斷" align="baseline" border="0" hspace="0" />實際上，半速渦動的頻率約為Ω＝(0.38～0.48)ω。
渦動頻率在轉(zhuǎn)子一階自振頻率以下時，半速渦動是一種比較平靜的轉(zhuǎn)子渦動運動，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，從而抑制了轉(zhuǎn)子的渦動幅度），軸心軌跡為一穩(wěn)定的封閉圖形，如圖1-5（a)所示。轉(zhuǎn)子仍能平穩(wěn)地工作。
???????????????????????????? 圖1-5? 油膜渦動與油膜振蕩的頻譜及軸心軌跡
隨著工作轉(zhuǎn)速的升高，半速渦動頻率也不斷升高，頻譜中半頻諧波的振幅不斷增大，使轉(zhuǎn)子振動加劇。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速升高到第一臨界轉(zhuǎn)速的2倍以上時，半速渦動頻率有可能達到第一臨界轉(zhuǎn)速，此時會發(fā)生共振，造成振幅突然驟增，振動非常劇烈。同時軸心軌跡突然變成擴散的不規(guī)則曲線，頻譜圖中的半頻諧波振幅值增大到接近或超過基頻振幅，頻譜會呈現(xiàn)組合頻率的特征。若繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)子的渦動頻率保持不變，始終等于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即Ω＝ωc1 ，這種現(xiàn)象稱為油膜振蕩，如圖1-5（c）、（d）所示。???? 三、油膜渦動與油膜振蕩的特征
???? ? 由以上分析可知，油膜渦動與油膜振蕩具有以下特征。
起始失穩(wěn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的相對偏心率有關(guān)，輕載轉(zhuǎn)子在第一臨界轉(zhuǎn)速之前就可能發(fā)生不穩(wěn)定的半速渦動，但不產(chǎn)生大幅度的振動；當轉(zhuǎn)速達到兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子由于共振而有較大的振幅；越過第一臨界轉(zhuǎn)速后振幅再次減少，當轉(zhuǎn)速達到兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時，振幅增大并且不隨轉(zhuǎn)速的增加而改變，即發(fā)生了油膜振蕩，如圖1-6（a)。
對于重載轉(zhuǎn)子，因為軸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)速達到兩倍的第一臨界轉(zhuǎn)速時，也不會立即發(fā)生很大的振動，當轉(zhuǎn)速達到兩倍的第一臨界轉(zhuǎn)速之后的某一轉(zhuǎn)速時，才突然發(fā)生油膜振蕩，如圖1-6（c）。
中載轉(zhuǎn)子在過了一階臨界轉(zhuǎn)速ωC1后會出現(xiàn)半速渦動，而油膜振蕩則在二倍的第一臨界轉(zhuǎn)速之后出現(xiàn)，如圖1-6（b）。
油膜振蕩還具有以下特征。
(1)油膜振蕩在一階臨界轉(zhuǎn)速的二倍以上時發(fā)生。一旦發(fā)生振蕩，振幅急劇加大，即使再提高轉(zhuǎn)速，振幅也不會下降。
(2)油膜振蕩時，軸頸中心的渦動頻率為轉(zhuǎn)子一階固有頻率。
(3)油膜振蕩具有慣性效應(yīng)，升速時產(chǎn)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速和降速時油膜振蕩消失時的轉(zhuǎn)速不同，如圖1-6（c）所示。
?????????????????????????????????? ?圖1-6? 不同載荷下的油膜振蕩特點
(4)油膜振蕩為正進動，即軸心渦動的方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同。
?四、油膜渦動與油膜振蕩的診斷
???? ? 油膜渦動與油膜振蕩的診斷依據(jù)見表1-1和表1-2.
表1-1? 油膜渦動與油膜振蕩振動特征
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