离心式空压机轴承结构对机组振动的影响

于洋 周顺新 王俊 满家欢 林茂阳

摘要：离心式压缩机轴承对机组长期稳定运转起到了至关重要的作用，针对不同结构轴承的特性，分析适用于离心压缩机的基本轴承结构。

关键词： 离心式空压机 滑动轴承 可倾瓦轴承 金斯博雷轴承

离心式空压机的转子重量较大、转速较高，因此轴承系统一般采用滑动轴承，因其在高速运转时能形成稳定的刚性的油膜，且发热可以随润滑油及时带走，机组运行的稳定性跟轴承的结构有很大的关系。近年来随着对轴承的研究逐渐深入，研究水平逐渐提高，由轴承引发的振动故障在逐渐减少，但是，由于轴承与转子匹配不良导致的油膜涡动及震荡仍是导致转子发生振动的主要原因，油膜刚性的作用力在微观状态下是无限大的，因此往往引發剧烈的转子振动。因此掌握滑动轴承的运转机理，了解其常见的振动故障情况是十分有必要的。

1.离心式空压机轴承的基本形式

为了保证离心式空压机的平稳运行，其采用滑动轴承，以滑动轴承的作用为区分，分为支撑轴承和推力轴承两类[1]。支撑轴承可以承受转子的径向力，确保转子可以按轴心进行高速旋转;推力轴承可以抵消转子的轴向推力，防止转子发生轴向移动，确保转子叶轮出口与隔板的相对位置。

2.滑动轴承引起振动的机理

滑动轴承的机理是在转子高速旋转时，转子与轴承油楔间形成一定的储油区，利用润滑油的粘性，在转子高速旋转时将储油区的润滑油带入滑动轴承与转子间，利用润滑油的表面张力，形成刚性油膜，刚性油膜的承载力时无限大的，随着转子旋转，润滑油与流过轴承与转子的接触面，起润滑作用的同时，将热量带走。

油膜涡动就是在上述过程中，由于转子与轴承的油楔形成不良，导致润滑油不能连续的进入到转子与轴承的接触面中，导致接触面中的润滑油过少，在转子旋转时，不能连续的供给润滑油，导致接触面内部的润滑油形成于旋转方向相反的作用力，这种现象叫做油膜涡动[2]。

阐释油膜涡动时，涡动的剧烈程度与进油情况呈反相关关系。如果涡动的油膜的线速度为线性分布关系，涡动的油膜线速度与转子旋转时外径表面的线速度相等，油膜与轴承接触部位的线速度为0，因此油膜在轴承与转子间的平均线速度为转子线速度的0.5，因此这种涡动情况也成为半速涡动。在实际工作情况下，油膜的运动速度并不是呈线性比例关系，并且由于润滑油会在轴承侧面发生泄露，是的油膜涡动的运动情况变得复杂，根据查阅资料和实际经验得知，油膜涡动产品的频率一般转子工作频率的0.43-0.48倍。

产生油膜涡动时，其主要频率特征是：频谱图中在工作频率的0.43-0.48倍频附近会有峰值和频率簇，其轴心轨迹为正进动的双椭圆。

涡动一般由转子与轴承自激产生，当油膜涡动的频率较小时，一般超过转子一阶临界转速对应的频率，油膜涡动为非线性涡动，转子的轴心轨迹为封闭的圆形，此状态下，转子运转稳定[3]。当转速提高时，油膜涡动的频率也会随转速的提高而提高，造成转子的振动情况逐渐恶化。如果油膜涡动产生的频率逐渐提高至与转子一阶临界转速频率相重合时，此时会发生剧烈的转子振动，这种现象就是油膜振荡。

油膜产生涡动的主要频率特征是：频率中在主频的0.43-0.48倍频附近存在低频簇，并且存在峰值，轴心轨迹为稳定的正进动的双椭圆。

油膜产生振荡的主要频率特征是：频谱中转子一阶临界转速对应的频率为主频，其工频一般小于主频，轴心轨迹不稳定，相位呈现剧烈变化的状态。

3.离心式压缩机的支撑轴承结构及对振动的影响

3.1 离心式压缩机的推力轴承结构

离心压缩机的支撑轴承为滑动轴承，根据轴承的结构分为圆瓦轴承、椭圆瓦轴承、可倾瓦轴承，由于可倾瓦轴承具有良好的运转性能，可倾瓦轴承由5个瓦块组成，瓦块在瓦体中可以进行自由摆动，以确保转子的旋转中心，如图1所示，在不同的工况下都能保证瓦块与转子轴颈的贴合，利于形成稳定的油膜，摆动的瓦块在转子承受气流冲击时，具有良好的回位特性，不容易产生油膜振荡。

为了保证转子轴颈不被研伤，瓦块的内表面浇铸一层材质较软的巴氏合金，浇铸巴氏合金的厚度一般都为1～3mm，浇铸巴氏合金后的瓦块可以在轴承工作时具有较高的传热效率，并防止当轴承温度过高时研伤转子。

3.2 离心式压缩机的推力轴承结构

离心式空压机的推力轴承采用金斯伯雷轴承，如图2所示。转子工作时会因进出口的压差，产生轴向推力，推力轴承可以平衡轴向推力，保证转定子相对位置，并防止转定子刮碰。金斯伯雷推力轴承一般为两付轴承配合使用，推力轴承安装在推力盘两侧，没测轴承体分为上下两半，每面有8 个止推瓦块。瓦块的背面为调整垫，调整垫需根据转子的轴向窜量配磨，瓦块背面为球形支点，以保证瓦块可以自由摆动。

为了保证在工作时不损伤转子，推力瓦块的表面浇铸有材质较软的巴氏合金，巴氏合金的浇铸不宜过薄或过厚，一般都在 1～3mm，巴氏合金要求有较高的导热效率及疲劳强度，推力瓦块的背面为球型结构，球型表面与调整垫片接触，可以灵活摆动，保证推力瓦块巴氏合金表面与推力盘紧密贴合，形式良好的油膜，保证各推力瓦块均匀地承受轴向推力。

为了避免产生油膜涡动及油膜振荡而引发的压缩机振动故障，如上述一般采用抗振性优异的可倾瓦轴承及金斯博雷轴承。此两类每个瓦块后面均设置有垫块，垫块与瓦体内孔为点接触，确保瓦块在工作时可以灵活摆动，瓦块与轴径间形成油楔，在旋转时确保润滑油能顺利的吸入到瓦面内，保证压缩机转子的良好润滑。瓦块可以在工作时随空压机转子的姿态自由灵活摆动，确保瓦块与转子间时刻有良好的油楔，确保润滑油的持续的保证润滑，保证瓦块的工作状态稳定。当转子受外力导致工作情况发生改变时，转子的轴径可能会短暂的离开原旋转轴心，依靠瓦块的自由摆动，可以保证瓦块与轴径间形成良好的工作状态，这样就提高了轴承工作的稳定性，一定程度上可以避免油膜涡动发生。

参考文献

[1]西安交通大学透平压缩机教研室.离心式压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1990.

[2]刘士学.透平压缩机振动[M].矿山机械，1997，7（8）：41-46.

[3]王春生.离心压缩机振动分析[J].天津：天津大学，2004.