可倾瓦式径向轴承对转子动力学影响分析

金 楠

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110027）

0 引言

转子动力学特性不仅是离心压缩机进行设计、制造以及进行故障分析的力学基础，更是直接决定机组能否安全稳定运行的关键，其中转子的临界转速、不平衡响应和稳定性等是设计人员关注的重要指标。轴承根据摩擦性质可分为滑动轴承和滚动轴承两种类型，可倾瓦式径向轴承属于滑动轴承，其工作状态和对转子的影响较滚动轴承更为复杂。可倾瓦式径向轴承中的每个瓦块均能根据转子转速、所承受的载荷以及轴承温度的不同进行自动调整，以确保在瓦块表面形成最佳状态的油膜，避免发生油膜涡动或油膜振荡等问题。加之其具有使用寿命长、能够承受冲击和振动载荷以及适用于高速旋转的转子等特性，因此被广泛应用于离心压缩机中。

1 可倾瓦式支撑轴承结构

1.1 轴承结构

可倾瓦式支撑轴承分为上下两个部分，通过螺钉及定位销连接成一个整体，并在顶部设有防转销钉，轴承结构如图1 所示。可倾瓦式支撑轴承由轴承体、挡油环、瓦块、定位销及专用螺钉等零部件构成，其中轴承瓦块被等角度安装在轴承体内侧，使用专用螺钉作为支点并对瓦块进行定位，以确保每个瓦块均能够以支点为中心进行摆动，使所支撑的转子始终处于最理想的工作位置与工作状态。

图1 可倾瓦式支撑轴承结构

1.2 轴承瓦块参数

如图2 所示，轴承瓦块参数包括：轴径半径Rs；瓦块加工半径Rp；轴承安装半径Rb；瓦块加工间隙Cp，Cp=Rp-Rs；瓦块装配间隙Cb，Cb=Rb-Rs；瓦块进油侧和瓦块支撑点之间的夹角α；瓦块包角X。

图2 轴承瓦块参数

2 轴承—转子分析模型

2.1 轴承模型结构参数

可倾瓦轴承的瓦块有效宽度58 mm，瓦块数5，包角60°，偏置比0.6，支撑类型（瓦块上），安装间隙0.16～0.21 mm，预负荷0.354～0.515。

2.2 转子模型结构参数

以两段顺排布置的离心压缩机转子为分析模型，转子总长2500 mm，支撑中心距2025 mm，联轴器重量27 kg、转子重量733.74 kg。转子长径比10.38，额定转速11 100 r/min，转速范围7 700～11 100 r/min，转子模型见图3。根据API 617—2002《石油、化学和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机—压缩机》中加载方式，分别计算出转子一、二阶不平衡响应曲线，见图4 和图5，分析结果见表1。文中的曲线和相关数据仅用于图解说明，不代表任何实际转子响应曲线；为清晰对比可倾瓦式径向轴承结构参数变化对转子动力学的影响，轴承结构均以其他结构参数不变为前提。

表1 转子动力学分析结果

图3 转子分析模型

图4 转子一阶不平衡响应曲线

图5 转子二阶不平衡响应曲线

3 轴承参数对转子动力学的影响

3.1 瓦块宽度

可倾瓦式径向轴承主要规格尺寸包括轴承直径D 和瓦块有效宽度B，通常情况下轴承的宽径比B/D 取值范围为0.4～1。将分析模型中瓦块有效宽度增加至75 mm 后进行分析，转子一阶临界转速提升，一阶临界峰值、二阶临界转速和二阶临界峰值降低（表2）。由此可见，瓦块有效宽度增加后可有效降低转子的临界反应。

表2 瓦块有效宽度调整为75 mm

3.2 包角

瓦块包角一般为52°和60°两种类型。将基础模型中的轴承包角改为52°后进行分析，转子一阶临界转速未发生变化，一阶临界峰值略微增加，二阶临界转速和二阶临界峰值增加（表3）。由此可见，改变轴承包角不会对转子一阶临界转速产生明显影响，但会导致二阶临界转速提升，同时还使得转子一、二阶临界反应有增大趋势。

表3 轴承包角调整为52°

3.3 瓦块支点偏置比

瓦块支点偏置比为瓦块进油侧和瓦块支撑点之间的夹角与瓦块包角的比值。目前，偏置比为0.5 和0.6 的瓦块形式较为常见，瓦块的偏置比越大则瓦块承载能力就越强，但当转子反向旋转时，瓦块的承载能力则会明显下降。因此，当离心压缩机具有双向旋转要求或防止转子意外反转对轴承造成损害时，通常优先选择使用偏置比为0.5 的瓦块形式。将轴承—转子模型中瓦块的偏置比改为0.5 后进行分析，转子一阶临界转速增加，一阶临界峰值虽增加不多，但有升高趋势；转子二阶临界转速及振动峰值均有下降趋势，见表4。

表4 偏置比调整为0.5

3.4 支撑方式

根据轴承所受载荷作用位置的不同可将支撑方式分为瓦块上支撑和瓦块间支撑两种类型。瓦块上支撑时，轴承瓦块的分布形式通常为上2 下3，轴承所承受的载荷作用在下部中间瓦块上，载荷方向与瓦块支点重合。瓦块间支撑时，轴承瓦块的分布形式通常为上3 下2，由下部两个瓦块共同承受载荷，因此承载能力优于瓦块上支撑形式。现将基础模型中的支撑方式改为瓦块间支撑后进行分析，转子一阶临界转速未发生变化，一阶临界峰值虽有所下降，但下降幅度较小；转子二阶临界转速有小幅度下降，二阶临界峰值升高，见表5。由此可见，轴承支撑方式对转子动力特性影响较小，可根据实际轴承的实际载荷情况对支撑方式进行选择。

表5 支撑方式调整为瓦块间支撑

3.5 装配间隙和预负荷

预负荷是可倾瓦式支撑轴承中十分重要的无量纲参数，预负荷的大小由瓦块加工间隙与瓦块装配间隙的之比计算得出。当转子轴径和瓦块加工半径相同时，根据预负荷的计算公式可知，当加大轴承装配间隙时，轴承的预负荷减小，转子一阶临界转速和轴承瓦温也会有所降低，但转子在通过一阶临界转速区时临界峰值会是有所提高；当减小轴承装配间隙时，轴承的预负荷增大，转子在工作状态时的振动值降低，轴承瓦温升高，同时一阶临界转速提升。在实际应用时，轴承的安装间隙通常为1.2～1.7 mm，预负荷范围通常为0.3～0.5。

4 结束语

离心式压缩机转子均为挠性转子，即转子工作转速位于转子一、二阶临界转速之间。因此应对转子的一阶临界转速的高低与一阶临界反应峰值给予更多的关注。本文以某轴承—转子结构为分析模型，分别分析和对比了可倾瓦式支撑轴承不同结构参数对于转子动力学的影响。设计人员与压缩机使用者可以以本文分析结果为参照，根据实际情况对轴承的结构参数进行调整。