魏艷輝，蘇 秦，劉一凡

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021）

1 軸承失穩(wěn)機(jī)理

軸承失穩(wěn)故障一般發(fā)生在大型汽輪發(fā)電機(jī)組的滑動(dòng)軸承上。根據(jù)軸承類型的不同，發(fā)生失穩(wěn)故障的概率也不同，其中圓筒瓦及橢圓瓦發(fā)生失穩(wěn)故障的概率偏高，可傾瓦的穩(wěn)定性相對(duì)較高，發(fā)生失穩(wěn)故障的概率較前兩種軸承低。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，橢圓瓦和可傾瓦的失穩(wěn)故障分別占22%和3%［1］。機(jī)組軸承失穩(wěn)故障的振動(dòng)特征及誘因也不完全相同，根本原因均可總結(jié)為軸承的運(yùn)行工況發(fā)生了變化，承載系數(shù)降低，產(chǎn)生了非線性的失穩(wěn)力。

圖1 滑動(dòng)軸承失穩(wěn)機(jī)理簡圖

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸瓦與軸頸形成一層油膜以防止軸頸與軸承直接接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量被循環(huán)的潤滑油帶走，以避免軸承溫度上升，保證軸瓦工作穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，軸瓦與軸頸直接接觸，而當(dāng)轉(zhuǎn)子以角速度ω旋轉(zhuǎn)，在油膜的作用下軸頸的中心就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，軸浮在油膜上，此時(shí)軸瓦中心與軸頸中心的連線下方油膜最薄，相反的方向油膜最厚。由于油楔的存在，油膜力F與軸瓦的載荷P會(huì)平衡；但隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，軸瓦中心與軸頸中心連線角度發(fā)生變化，油膜力、軸瓦的載荷也隨之改變，兩個(gè)力不平衡，其矢量和隨之產(chǎn)生ΔP，將ΔP沿徑向和切向分解得到F1和F2，由圖1可知，徑向力F1使軸頸回到平衡位置O1的力，而切向力F2使轉(zhuǎn)子沿垂直于徑向偏移方向運(yùn)動(dòng)，該力是軸承失穩(wěn)的主要激振力，稱為失穩(wěn)力，是破壞軸承穩(wěn)定性的根源。當(dāng)失穩(wěn)力大于軸承的阻尼力時(shí)，轉(zhuǎn)軸便發(fā)生渦動(dòng)，軸承失穩(wěn)，振動(dòng)幅值大幅升高，并夾雜著大量的低頻分量，振動(dòng)幅值急劇增加。若失穩(wěn)力能量較小，則達(dá)到一定程度后受滑動(dòng)軸承的束縛，轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)再次平衡，振動(dòng)幅值維持在高位；若失穩(wěn)能量巨大，則振動(dòng)發(fā)散，發(fā)生機(jī)組毀壞的惡性事故。例如1972年日本海南電站3號(hào)機(jī)組發(fā)生的毀機(jī)失火事故［2］。

2 軸承失穩(wěn)原因分析

軸承失穩(wěn)主要從兩個(gè)角度考慮，一是非線性激振力產(chǎn)生的誘發(fā)因素，二是軸承本身的承載特性。現(xiàn)結(jié)合近年所發(fā)生的軸承失穩(wěn)振動(dòng)案例，總結(jié)導(dǎo)致該類故障的原因。

2.1 軸系受外部因素?cái)_動(dòng)

機(jī)組軸系本身的突然不平衡、動(dòng)靜碰磨、軸系熱彎曲、負(fù)荷突變以及電氣擾動(dòng)等因素會(huì)影響到軸頸在軸承中的軸心位置變化，由失穩(wěn)力產(chǎn)生的機(jī)理可知，軸心位置的改變相當(dāng)于改變了軸頸在軸承中的工作環(huán)境以及油膜的工作狀態(tài)，激起圖1中的失穩(wěn)力F2。通化熱電2號(hào)機(jī)低壓缸前軸承的失穩(wěn)便是由于電氣擾動(dòng)激起失穩(wěn)力而導(dǎo)致振動(dòng)突然上升而使汽輪機(jī)跳閘。

2.2 軸承參數(shù)不合理

軸承的檢修工藝控制對(duì)軸承的工作狀況影響很大，特別是軸承的頂隙、側(cè)隙，其是否合理直接影響到油膜的工作環(huán)境。比如圓筒瓦和橢圓瓦，如果其頂隙過大或側(cè)隙過小，則軸承上部的油膜力下降，軸承的偏心率減小，直接導(dǎo)致軸承的承載系數(shù)變低、穩(wěn)定性下降，因此軸承的頂隙及側(cè)隙調(diào)整不合理，往往是現(xiàn)場檢修后啟動(dòng)導(dǎo)致軸承失穩(wěn)的主要原因。通化鋼鐵自備電廠1號(hào)機(jī)檢修后啟動(dòng)發(fā)生軸承失穩(wěn)，主要原因?yàn)檩S承頂隙及側(cè)隙偏離設(shè)計(jì)值。對(duì)故障軸承重新修復(fù)及調(diào)整后，軸承振動(dòng)幅值由120μm 降至21μm，在設(shè)計(jì)值允許范圍內(nèi)。

2.3 對(duì)輪中心不良或軸承標(biāo)高不合理

對(duì)輪中心不良除了引起軸系局部動(dòng)不平衡誘發(fā)工頻振動(dòng)增大外，還會(huì)使軸承的載荷發(fā)生變化，當(dāng)軸承載荷較設(shè)計(jì)值低時(shí)，導(dǎo)致軸承的承載系數(shù)降低，進(jìn)而誘發(fā)軸承穩(wěn)定性下降。軸承標(biāo)高不合理不僅僅體現(xiàn)在靜態(tài)標(biāo)高的調(diào)整上，因汽輪機(jī)閥序的改變或其他外部因素導(dǎo)致的軸承箱溫度偏高均會(huì)使軸承的動(dòng)態(tài)標(biāo)高大幅度變化。無論是軸承靜態(tài)標(biāo)高調(diào)整的不合理還是軸承動(dòng)態(tài)的異常變化，最終的結(jié)果均是軸承的載荷發(fā)生變化，同對(duì)輪中心不良一樣，也會(huì)導(dǎo)致軸承的承載系數(shù)降低誘發(fā)軸承失穩(wěn)。通化熱電2號(hào)機(jī)軸承失穩(wěn)，其根本原因是軸承標(biāo)高不合理導(dǎo)致低壓缸前軸承載荷下降。

2.4 潤滑油溫度及壓力偏低

潤滑油溫度偏低則影響到潤滑油的粘度，粘度越大在軸承中形成的油膜越厚，而變厚的油膜則直接影響到油膜剛度下降，從而引起軸承失穩(wěn)。而潤滑油壓力過低則影響到油膜的形成，若軸承本身已處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)，則潤滑油壓力低會(huì)破壞油膜穩(wěn)定性，導(dǎo)致軸承徹底失穩(wěn)。

白天，蘑菇偶然路過信件收發(fā)室，發(fā)現(xiàn)一張寄給我的明信片后轉(zhuǎn)交于我，上面寫著一位年輕的醫(yī)藥代表幾年前在他最困難的時(shí)期我向他伸出援手，渡過難關(guān)，如今，他的生活和事業(yè)已步入正軌，幾次來訪都沒有見到我，特此致謝。

另外，軸瓦本身存在的缺陷，如軸瓦烏金面存在磨損、油囊形成不良等，也會(huì)影響潤滑油油膜穩(wěn)定性，致使軸承失穩(wěn)。

3 軸承失穩(wěn)的振動(dòng)特征

3.1 振動(dòng)故障發(fā)生時(shí)伴有異音

軸承失穩(wěn)故障發(fā)生時(shí)，由于軸頸在軸承內(nèi)發(fā)生撞擊會(huì)聽到類似軸承被拍擊的“啪啪”聲，機(jī)組外部會(huì)發(fā)出嗡嗡的聲音。

3.2 軸瓦失穩(wěn)時(shí)振動(dòng)具有突發(fā)性

當(dāng)軸承失穩(wěn)故障發(fā)生時(shí)，振動(dòng)的趨勢(shì)會(huì)在短時(shí)間增大，而且發(fā)生前沒有明顯的征兆，個(gè)別案例發(fā)生振動(dòng)時(shí)，往往來不及采取措施機(jī)組便已跳閘?？肇?fù)荷發(fā)生軸承失穩(wěn)故障時(shí)，往往汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速小范圍變化，低頻振動(dòng)仍不會(huì)消除；帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，某些案例通過改變進(jìn)汽方式間接影響故障軸承的載荷時(shí)，振動(dòng)幅值異常會(huì)消失。

升速過程中發(fā)生自激振動(dòng)的轉(zhuǎn)速稱為失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到軸承失穩(wěn)條件時(shí)振動(dòng)顯著上升；定速時(shí)發(fā)生軸承失穩(wěn)，是因?yàn)檩S承本身在3 000r/min工況時(shí)穩(wěn)定性不好，處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)，當(dāng)軸系有外部擾動(dòng)、軸承載荷發(fā)生變化等因素時(shí)，軸承失穩(wěn)。

3.3 軸承失穩(wěn)時(shí)振動(dòng)具有低頻特征

軸瓦自激振動(dòng)的頻率特征多以半頻或低頻為主。根據(jù)相關(guān)案例對(duì)軸承失穩(wěn)的機(jī)組進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)機(jī)組在失穩(wěn)時(shí)出現(xiàn)25Hz的半頻振動(dòng)，發(fā)生半速渦動(dòng)，如通鋼自備電廠1號(hào)機(jī)及通化熱電廠2號(hào)機(jī)，主要是因?yàn)檫@些機(jī)組的故障軸承對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子一階共振頻率設(shè)計(jì)值超出25 Hz。而松花江熱電廠6號(hào)機(jī)的油膜振蕩，則在發(fā)生失穩(wěn)時(shí)出現(xiàn)17.7 Hz振動(dòng)分量，對(duì)應(yīng)的機(jī)組轉(zhuǎn)速略低于一階共振轉(zhuǎn)速。分析認(rèn)為，因?yàn)楣收陷S承的載荷下降較多，影響到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐剛度，引起軸系在更低的轉(zhuǎn)速下發(fā)生共振，因此軸承失穩(wěn)工況下，軸系振動(dòng)的低頻分量的頻率會(huì)低于原設(shè)計(jì)的一階臨界轉(zhuǎn)速。松花江熱電廠6號(hào)機(jī)軸承失穩(wěn)瓦振及軸振頻譜分析圖為典型的軸承失穩(wěn)振動(dòng)頻譜分析圖（見圖2）。

圖2 松花江熱電廠6號(hào)機(jī)軸承失穩(wěn)振動(dòng)及軸振頻譜分析

由圖2的頻譜分析可以看出：當(dāng)發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)，主要以低頻振動(dòng)為主，因?yàn)檗D(zhuǎn)子存在一定的不平衡量，在頻譜中夾雜著工頻振動(dòng)分量。由振動(dòng)的基本原理可知，僅發(fā)生一種頻率的振動(dòng)時(shí)，波形圖為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波；兩種頻率的振動(dòng)同時(shí)發(fā)生時(shí)，振動(dòng)波形表現(xiàn)為兩種振動(dòng)頻率正弦波的疊加，波形的形狀主要決定于振動(dòng)的頻率分量及各頻率對(duì)應(yīng)的幅值大小。以通鋼自備電廠1號(hào)機(jī)組的振動(dòng)為例，發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)，軸系還存在一定的不平衡，故軸瓦振動(dòng)主要為低頻及50Hz的振動(dòng)分量，波形圖較規(guī)則（見圖3）。

3.4 軸承失穩(wěn)與運(yùn)行參數(shù)具有相關(guān)

圖3 通鋼自備電廠1號(hào)機(jī)軸承失穩(wěn)振動(dòng)波形

在機(jī)組運(yùn)行參數(shù)方面，主要體現(xiàn)在機(jī)組負(fù)荷及潤滑油參數(shù)，某些機(jī)組軸承發(fā)生低頻振動(dòng)后與機(jī)組負(fù)荷有一定相關(guān)性。如新疆東方希望300 MW 機(jī)組，其根本原因是不同負(fù)荷工況下的負(fù)載發(fā)生了變化，導(dǎo)致軸承的穩(wěn)定性下降，在失穩(wěn)臨界狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)幅值隨著低頻分量的變化而大幅度擺動(dòng)；完全達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)后，在軸承束縛的作用下低頻分量起主導(dǎo)作用，軸承振動(dòng)的通頻幅值表現(xiàn)為小幅波動(dòng)。軸承振動(dòng)與潤滑油溫度及壓力的關(guān)系，體現(xiàn)在潤滑油溫度越低發(fā)生低頻振動(dòng)的概率越大，潤滑油壓力越低越不利于低頻振動(dòng)的控制。潤滑油溫度及壓力并非低頻振動(dòng)的決定因素。

3.5 低頻振動(dòng)具有傳遞性

當(dāng)機(jī)組的某個(gè)軸承發(fā)生失穩(wěn)后便產(chǎn)生低頻振動(dòng)，隨后波及相鄰的軸承，在故障診斷的過程中，必須判斷最先發(fā)生低頻振動(dòng)的軸承，重點(diǎn)處理。

4 軸承的承載系數(shù)及失穩(wěn)的處理措施

4.1 軸承的承載系數(shù)

軸承類型的不同導(dǎo)致承載特性的不同，其抗失穩(wěn)能力也有很大差異，軸承穩(wěn)定性從低到高依次為：圓筒瓦、橢圓瓦、可傾瓦。機(jī)組投產(chǎn)后，若想通過更換軸承的類型解決軸承失穩(wěn)引發(fā)的振動(dòng)問題，需根據(jù)機(jī)組軸系載荷重新設(shè)計(jì)選型，該種故障處理周期較長。

軸承的穩(wěn)定性主要取決于承載系數(shù)，軸承的承載系數(shù)S是軸承動(dòng)態(tài)特性重要指標(biāo)，是選用軸承的主要校核指標(biāo)，也是處理軸承失穩(wěn)而誘發(fā)自激振動(dòng)的理論依據(jù)。承載系數(shù)S的理論公式為：）

式中：p為軸承比壓；q為軸承載荷；D為軸頸直徑；L為軸承長度；ψ為間隙比（軸承半徑間隙與半徑之比）；η潤滑油黏度；ω軸旋轉(zhuǎn)角速度。

S越大說明軸承的穩(wěn)定性越好，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速是承載系數(shù)的單值函數(shù)［3］，軸承穩(wěn)定性示意圖見圖4，其中ωsc為失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，ωk為剛性支撐一階臨界轉(zhuǎn)速。

4.2 軸承失穩(wěn)的處理措施

圖4 圓筒瓦穩(wěn)定性示意圖

4.2.1 提高潤滑油溫度及壓力

潤滑油溫度直接影響到油的黏度，提高油溫可以有效降低油的黏度，增加軸頸在軸承中的偏心距。從公式（1）可以看出，降低油的黏度有利于提高軸瓦的穩(wěn)定性。目前潤滑油溫度一般運(yùn)行范圍為38～42 ℃，當(dāng)發(fā)生軸瓦失穩(wěn)而誘發(fā)自激振動(dòng)時(shí)，可以提高潤滑油溫到上限。采取調(diào)整潤滑油的供油量并提升油膜的穩(wěn)定性的措施提高潤滑油壓力。在松花江熱電廠6號(hào)機(jī)組故障案例中，將潤滑油溫度由39℃提升至46 ℃，潤滑油壓由0.118 MPa升至0.168 MPa，低頻振動(dòng)消失，轉(zhuǎn)軸振動(dòng)幅值由處理前的330 μm 下降至110μm。

4.2.2 調(diào)整軸瓦載荷

由公式（1）中軸承承載系數(shù)的相關(guān)參數(shù)可以看出，軸瓦載荷越大越能提高軸承的穩(wěn)定性。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，針對(duì)高壓轉(zhuǎn)子軸承失穩(wěn)，可以通過更改調(diào)門進(jìn)汽方式改變故障軸承的載荷；對(duì)于低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸承，可以通過調(diào)整凝汽器真空及排汽溫度來實(shí)現(xiàn)軸承的載荷調(diào)整；對(duì)于軸承箱溫度偏高導(dǎo)致的軸承失穩(wěn)，也可以調(diào)整軸封漏氣量，以免箱體溫度過高影響軸承標(biāo)高；停機(jī)后，可通過調(diào)整對(duì)輪中心及軸承下部墊片等方式，達(dá)到調(diào)整軸承載荷的目的。通化熱電2號(hào)機(jī)組振動(dòng)故障，停機(jī)后通過調(diào)整軸承標(biāo)高來增強(qiáng)故障軸承的穩(wěn)定性，最終解決了軸承失穩(wěn)問題。

4.2.3 調(diào)整軸瓦間隙

減小軸承頂隙，增加側(cè)邊間隙，相當(dāng)于增加偏心率，采用此措施的目的是改變間隙比，進(jìn)而提高其穩(wěn)定性。然而過大的側(cè)面間隙同樣不利于油膜的形成，如通鋼自備電廠1號(hào)機(jī)組振動(dòng)故障，在停機(jī)后對(duì)軸瓦檢查，發(fā)現(xiàn)軸承的側(cè)面間隙嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，軸瓦更換后重新調(diào)整該瓦的頂部及側(cè)面間隙，使其在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，解決了軸承失穩(wěn)問題。

4.2.4 減小軸承長徑比

減小軸承長徑比的目的是提高軸承比壓，從公式（1）可看出，提高p值對(duì)軸承承載系數(shù)的提升有直接作用。

4.2.5 消除導(dǎo)致軸承振動(dòng)的其他因素

軸瓦的脫胎、磨痕、光潔度不良等因素及軸頸粗糙度、磨痕及圓度都會(huì)影響油膜形成，破壞軸承的穩(wěn)定性。引起軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的不平衡、熱彎曲、電氣擾動(dòng)以及碰磨等，還導(dǎo)致軸頸在軸瓦中工作環(huán)境改變，使油膜特性受到影響，繼而使軸承失穩(wěn)誘發(fā)自激振動(dòng)，因此，在出現(xiàn)軸承失穩(wěn)誘發(fā)的振動(dòng)故障時(shí)，可考慮消除這些外部因素。

5 結(jié)束語

目前我國火力發(fā)電廠汽輪機(jī)組的裝機(jī)容量逐年遞增，近年來仍有軸承失穩(wěn)誘發(fā)的振動(dòng)案例發(fā)生。分析振動(dòng)原理可知，出現(xiàn)軸瓦自激振動(dòng)的根本原因在于軸承失穩(wěn)，設(shè)計(jì)不合理或機(jī)組檢修過程中工藝達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，都會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)而誘發(fā)自激振動(dòng)。出現(xiàn)失穩(wěn)故障一般很難控制，但可以采用一系列措施治理，最終可以預(yù)防或消除振動(dòng)，對(duì)于在機(jī)組運(yùn)行工況下無法消除的振動(dòng)則必須停機(jī)檢修。

［1］ 宋光雄，張煜，王向志，等.大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組油膜失穩(wěn)故障研究與分析［J］.中國電力，2012，45（5）：63－67.

［2］ 陸頌元.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)［M］.北京：中國電力出版社，2000.

［3］ 寇勝利.汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)及現(xiàn)場平衡［M］.北京：中國電力出版社，2007.