实例分析 | 球面瓦的常见振动类型

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滑动轴承按其作用可分为：支持轴承、推力轴承和支持推力联合轴承；按轴瓦与瓦座（或瓦枕）的接触型式可分为：柱面轴承和球面轴承。不同型式的轴承对轴瓦与瓦座（或瓦枕）的配合尺寸有不同的要求，一般情况下球面瓦与瓦座（或瓦枕）为间隙配合，根据不同的载荷情况和工作环境，通常为0~0.05mm；而柱面瓦与瓦座（或瓦枕）通常为过盈配合，一般为0~0.05mm，有的最大要求为0.15mm。本文仅对球面瓦与瓦座（或瓦枕）在不同配合尺寸下产生的振动类型进行分析。

一、球面瓦与瓦座（或瓦枕）有较大过盈时的振动类型

众所周知，球面瓦具有自位功能，能够自动调整轴瓦中心线的角度，使轴瓦钨金面与轴颈始终保持轴向接触良好，确保轴承的承力中心不变。当球面瓦与瓦座（或瓦枕）之间有较大的过盈量时，瓦盖或瓦枕将死死地压住轴瓦，使其失去自位功能，这时通常产生大的轴向振动。振动机理如下：

轴承组装时转子的挠度值与旋转状态下转子的挠度值是不同的，并且旋转状态下转子的挠度值是周期性变化的。为了表述方便，以下使用轴颈扬度来代表转子挠度。如图1(a) 所示，轴承组装时，轴颈与轴瓦的钨金面接触良好，轴颈与轴瓦中心线的扬度均为Y0，此时，轴颈的承力中心与轴承座B侧端面的距离为X0。当转子旋转时，轴颈的最大扬度为Y1，此时，轴颈的承力中心与轴承座B侧端面的距离为X1，如图1(b)所示。转子转过180°后，轴颈的扬度变为Y2，此时，轴颈的承力中心与轴承座B侧端面的距离为X2，如图1(c) 所示。轴承对轴颈的承力中心点将随转速周期性地沿轴向移动。由于轴承座和基础组成的支承系统具有一定的弹性，因此，在轴承承力中心点周期性变化的作用下，轴承座将沿某一底边发生周期性的轴向振动。即使轴承座固定螺栓很紧，这种现象也难以避免。

图1 轴颈承力中心变化引起的轴向振动

由于球面瓦紧力过大而引起轴承座轴向振动大的事件时有发生。近年来，在黄台电厂比较典型的一次发生在#8汽轮机的#4轴承上。黄台电厂#8机是东方汽轮机厂设计制造的亚临界中间再热双缸双排汽300MW机组，该机组于2001年12月进行了通流部分改造，改造后的#1、2轴承为可倾瓦，#3、4轴承（低压缸轴承）为椭圆球面瓦。2003年中修后开机时，因#4轴承轴向振动大而未一次启动成功。查阅检修记录，发现高、低压转子对轮中心与低转子对轮中心均在厂家要求的范围以内；#3瓦球面与瓦枕的配合为间隙0.04mm，#4瓦球面与瓦枕的配合为0。停机后对#4瓦球面与洼窝的配合尺寸进行了复测，发现为过盈配合，过盈量为0.03mm。测量误差的原因是：错把加在瓦枕结合面两侧用来进行辅助测量的钢皮垫的厚度0.47mm当成了0.50mm。通过在压铁结合面两侧加钢皮垫，将球面与瓦枕的配合调整为间隙0.045mm。我们认为，对于汽轮机低压转子轴承这样的重载轴承而言，间隙应该调整到标准0~0.05mm的上限，这样更有利于其自位功能的实现。间隙调整前后#3、4瓦的振动数值见表1。

表1 处理前后#3、4瓦振幅表   单位：mm

二、球面瓦与瓦座（或瓦枕）有较大间隙时的振动类型

当球面瓦与洼窝有较大间隙时，由于轴瓦失去瓦座（或瓦枕）对其压紧力，常常会对不平衡力等各种激振力产生放大作用，这时，一般发生大的垂直振动。这种现象曾多次发生在承受轻载负荷的100MW、50MW或25MW发电机的后轴承上。该种振动机理很简单，这里不再详细论述。

若球面瓦的外径小于瓦座（或瓦枕）内径，如图2所示，此时，还可能引起大的水平振动。其振动机理如下：

由于球面瓦的外径小于瓦座（或瓦枕）内径，所以瓦与瓦座（或瓦枕）只有底部接触。然而，由于垂直方向上还有向下的转子的重力作用，因此，垂直方向对较小的激振力并不敏感；而水平方向上则几乎不受限制，变得极不稳定。

图2 球面瓦外径小于洼窝内径简图

2002年，黄台电厂#6机#1轴承就发生过因球面间隙过大而引起轴承水平晃动大的现象。该厂#6机为北京重型电机厂设计制造的100MW双缸双排汽凝汽式机组。2002年由哈尔滨汽轮机厂进行了通流及供热改造。该机#1轴承为支持推力联合轴承，轴瓦与瓦枕为球面配合，瓦枕与瓦座为柱面配合。改造后第一次冲转时，当转速升至1200转/分时，整个前轴承箱发生强烈的水平晃动，最大振幅0.10mm，打闸停机。后来经过充分暖机等措施勉强定速，但#1~3瓦振动均超标，遂停机解体#1~4瓦进行检查。经过检查，#2~4瓦均未发现异常，而#1瓦的球面紧力与检修记录存在较大差异，检修记录中为间隙0.02mm，而本次实测为间隙0.10mm，同时发现下轴瓦球面与洼窝之间有间隙，如图3(a) 所示。

经过分析认为，造成紧力测量不准的原因是：检修中测量通流间隙时，需将转子推至工作位置。由于轴瓦球面小于洼窝，转子连同轴瓦一起被推至图3(b)所示的位置，同时，轴瓦被抬高了，检修记录中的紧力就是在这个时候测量的。经过长时间的盘动转子后，转子和轴瓦呈自由状态，轴瓦又回到图3(a)所示的位置，此时测出的间隙就变大了。转速1200转/分之前，转子的轴向推力并不大，轴瓦还没有被推到图3(b) 所示的位置，此时轴瓦在洼窝内极不稳定，再加上暖机不够充分，因此产生了强烈的水平晃动。定速后，轴向推力增大，将轴瓦推至图3(b) 所示的位置，水平晃动减小。然而，轴瓦被抬高了，使高、低压转子对轮中心恶化，致使#1~3瓦振动均超标。采取的处理措施：充分盘车，使轴瓦处于自由状态，位于图3(a) 所示的位置。测量球面与瓦枕之间的间隙，在瓦枕的两侧垫铁上加垫片，使瓦枕变形，消除该间隙。由于该瓦是支持推力联合轴承，轴向位置应该保持不变，另外，轴向推力也能够通过推力瓦促使轴承自位，因此，球面与洼窝不应有间隙，但过盈量也不能太大，如果太大，轴瓦失去自位功能还可能造成推力瓦偏斜。最后将过盈量调整到0.02mm。再次开机后#1~3瓦振动全部合格。处理前后的振动数值见表2。

图3 支持推力联合轴承简图

表2 处理前后#1~3瓦振幅表 单位：mm

来源：我们电厂人公众号（ID：turbine_technology），作者：王福谭 於长江。