滑動軸承油膜渦動與油膜振蕩

在滑動軸承的運行過程中，油膜的動態行為直接影響軸承的穩定性。油膜渦動與油膜振蕩是兩種常見的非穩定現象，但其物理機制、表現形式及影響存在顯著差異。

油膜渦動（Oil Whirl）

油膜渦動是潤滑油在軸承間隙內因離心效應形成的旋轉流動現象。當軸旋轉時，油膜受離心力作用產生周向流動，形成類似渦流的運動模式。這種流動通常為亞同步（頻率低于軸的旋轉頻率），且幅值較小，屬于流體動力學主導的局部不穩定性。

油膜振蕩（Oil Whip）

油膜振蕩是油膜渦動發展到臨界狀態時引發的“自激振動”。當軸的轉速接近系統固有頻率的“兩倍”（或更高倍數）時，油膜失去阻尼能力，導致軸頸與軸承之間發生劇烈的同步振動（頻率接近軸的旋轉頻率）。此時振動幅值顯著增大，可能引發機械共振。

油膜渦動的流體動力學效應由油膜壓力分布不均和離心力主導。通常在轉速達到臨界值的30%~50%時開始出現。若系統阻尼足夠，渦動可能被抑制。

油膜振蕩由系統共振觸發，當渦動頻率與軸的固有頻率耦合時，系統進入失穩狀態。通常發生在轉速達到臨界值的“兩倍”（稱為“半速渦動”）。油膜剛度與阻尼的非線性特性導致能量積累，形成自激振動。

工程應對措施：

油膜渦動：

- 優化軸承設計（如增大軸承間隙比、采用可傾瓦軸承）。

- 提高潤滑油黏度或調整供油壓力。  

油膜振蕩： 

- 避免轉速接近臨界轉速的兩倍區域。  

- 增加系統阻尼（如安裝擠壓油膜阻尼器）。  

- 調整軸承支撐剛度或采用多油楔軸承。

油膜渦動也叫正向進動，起因于軸承內的油膜作用(液體摩擦)。它比因干摩擦引起的軸的抖動更為常見。 

如圖所示，設軸逆時針方向旋轉，由于軸本身不同心或不平衡，軸上將作用有一個離心力，這個離心力總是徑向地指向軸承，并且總不會與軸頸上油的壓力平衡。軸頸上油壓的合力為P，它與通過軸承中心O與軸中心O1的連線成角度，于是有一分力Psin∅使軸頸產生并維持與軸旋轉方向Ω同方向的回轉運動，這就是油膜渦動。油膜渦動的頻率略小于轉速的一半，渦動頻率w可表示為w≈（0.43～0.48）Ω。

油膜渦動示意圖

隨著軸工作速度的增加，軸頸渦動速度也隨之增大。油膜渦動產生后就不消失，對于高速旋轉的機械如汽輪機、透平壓縮機等，當轉軸工作速度Ω≥2wn(wn為臨界轉速)時，渦動頻率正好等于軸系的固有頻率，從而激發整個軸系共振，這就是油膜振蕩。

油膜渦動案例分享

事件經過：20萬t/a重油催化裝置主風機組于2020年8月進行試車投運，在開機過程中，發現電機功率在3800kW左右齒輪箱出現共振，振動幅度最高到達144um，電機功率降低至3000kW以下時共振消失。后經制造廠售后服務人員對增速箱進行解體檢查，與設計標準相符。結合現場運行數據分析，認為是齒輪嚙合力與大齒輪自重的矢量合力方向落在低速軸圓柱軸承的油膜渦動區域。

整改措施：

(1)正常生產中控制電機功率范圍，避免在2000~4000kW范圍內長期運行，避開上述振動值高的區域。 

(2)適當調整潤滑油溫度和油壓，增加油膜剛度，降低油膜渦動形成因素，達到降低振動目的。 

(3)通過改變軸承形式解決振動波動問題，由齒輪箱廠家負責對軸瓦進行整改，由圓瓦改為錯位瓦，在裝置檢修期間進行更換。

錯位軸承：沿徑向方向以小于半徑間隙的偏移距離安裝的一對滑動軸承。

（來自GB/T 2889.1-2020滑動軸承  術語、定義、分類和符號  第1部分：結構、軸承材料及其性能）

一、圓瓦與錯位瓦的核心區別

1.圓瓦（圓柱瓦）

（1）結構簡單，對稱圓柱形內表面。

（2）油膜壓力分布單峰值，承載能力較低。

（3）高轉速下易出現油膜振蕩或不穩定。

2.錯位瓦（如橢圓瓦、可傾瓦）

（1）非對稱結構（如兩半錯位或可調瓦塊）。

（2）形成多油楔，提高油膜壓力分布和承載能力。

（3）抑制振動，增強轉子穩定性，適合高速重載工況。 

二、錯位瓦的 改進優勢

1.提升承載能力：多油楔結構分散載荷，例如橢圓瓦可產生2個 動壓油膜，提高承載力約30%-50%。

2.增強穩定性：錯位設計減少油 膜振蕩風險，避免失穩（尤其在高轉速或變載工況）。

3.優化潤滑與溫控：油楔分區域強化冷卻，降低局部高溫風險。

三、優先采用錯位瓦的工況

1.高速旋轉機械（汽輪機、離心壓縮機）。

2.變載荷或存在沖擊負荷的設備。

3.原有圓瓦出現油膜失穩或溫升過高問題。

（來源：加氫設備工程師）

（版權歸原作者或機構所有）