外力的变化会造成油膜涡动或油膜振荡吗

chunshui2003

我们知道油膜涡动速度约为转速一半，也称为半速涡动。当转速持续升高至转子系统一阶临界转速的2倍时，其涡动频率与转子一阶临界转速相同，产生共振。其幅值接近甚至超过基频幅值，从而发生油膜振荡。
如果考虑一个两端由相同轴承支撑，转子固定于中间的转子-轴承系统，假设转子质量为m，转轴刚度为K，阻尼为c，转速为w，外力为F。
系统运动微分方程 (未考虑轴颈部分) ：

mx''+cx'+kx=F

则系统固有频率为 wn = sqrt (k/m  +   (c/2/m)^2 )。
可见如果保持其他参数不变，变化系统的转速范围一定会出现一个w，满足w=2wn，引起系统产生油膜振荡，造成不稳定。
如果保持转速w不变，调整k，c，m等数值也有可能使得wn=0.5w，引起油膜振荡。
我想问的是

1 如果外力F变化是否会引起油膜涡动甚至油膜振荡。
因为在一些文献中看到，通过增加偏心等外力，在保持其他条件不变的情况下（转速w不等于2wn），系统出现了油膜涡动甚至是振荡。但不清楚应如何解释。

2 油膜涡动的振幅是否有可能超过基频振幅
个人之前一直理解为涡动的振幅小于基频振幅。但文献中提到严重涡动和平缓涡动的概念，前者的频谱图显示涡动振幅大于基频振幅。这样的说法是否正确呢？

3 油膜振荡幅值是否一定超过基频振幅
油膜振荡的频谱特征是大量次谐波成分，半速成分振幅接近过超过基频振幅。
如果在频谱中发现大量次谐波成分，且0.5倍左右转频分量的振幅小于基频振幅，那么是不是意味着此时的情况并不是油膜振荡，而仅仅是外力引起的混沌现象。反之，当0.5倍转频振幅大于基频振幅时，是否说明油膜振荡一定发生。

我最关心的是第一个问题，我的模型中考虑了油膜力的作用，但系统转速是固定不变的，且不在2倍一阶临界转速附近。但通过变化外力参数 （不是和转速相关的偏心力，而是其他外力）发现了油膜振荡的兆头，不过不确定，请大家给解释一下，谢谢。

hustxyong

油膜振荡的兆头是指什么？响应信号中出现半速涡动频率吗。

chunshui2003

回复 2 # hustxyong 的帖子

是的。半速涡动频率成分与转频相当甚至超过转频，且伴有其他多种频率成分发生。

hustxyong

Harris_Shock_And_Vibration_Handbook中5.12有以下这么一段话描述油膜涡动，所以我推测你的猜想可能是有疑问的。
These and other investigators have shown that to be unstable, shafting must
rotate at an rpm equal to or greater than approximately twice the critical speed, so
that one would expect the ratio of frequency to rpm to be equal to less than approximately 0.5.
另外推荐你看一篇论文，也仅仅是代表了一种学术观点而已。
陆颂元-2006-论国内旋转动力机械非线性振动理论研究的现状和发展

chunshui2003

回复 4 # hustxyong 的帖子

首先感谢学长的回答。
我问了一个工程力学的学长，他说在转频不变的情况下，外力的变化有可能引起油膜振荡，但没给出具体原因。在Shen, X., et al, Numerical Analysis of a Rub-impact Rotor-bearing System with Mass Unbalance. Journal of Vibration and Control , 2007. 13 (12): p. 1819-1834 这篇文献里除了偏心力外还有一种外力叫做 initial permanent deflection ，和它有关的一个变量的改变使得之前出现的油膜涡动或振荡得到了抑制（不过是在两种不同转速下分析的）。我想从这点来看外力应该是会对油膜振荡产生影响吧。
不过固有频率只和系统本身性质有关，油膜涡动或振荡又只与转速有关，外力不可能改变转速，也不可能改变系统本身性质。简单想，涡动或振荡在系统特性不变的情况下应该也属于系统的一种固有性质，似乎不该受到外界影响。
自己的分析觉得矛盾，感觉还是没有理清他们之前的关系。
我想应该再多看一些文献，学长推荐的文章我会好好阅读的！

qiandashuai

chunshui2003 发表于 2012-5-11 09:29

                               
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首先感谢学长的回答。

"不过固有频率只和系统本身性质有关，油膜涡动或振荡又只与转速有关，外力不可能改变转速，也不可能改变系统本身性质。简单想，涡动或振荡在系统特性不变的情况下应该也属于系统的一种固有性质，似乎不该受到外界影响。"

虽然涡动是自激振动，但是要注意自激振动的几个条件要是改变的话，涡动和振荡当然要受到影响，因此油膜涡动并非只与转速有关，那样的话设计得好好的机组怎么又会突然发生油膜涡动呢？直观地来看，油膜涡动和振荡的形成与间隙环流有关，外载荷是能够改变轴承载荷和轴承的工作状态的，很有可能产生影响。例如汽轮齿轮机组中很容易有涡动发生，就是因为齿轮啮合力太大，如果传动齿轮轴旋转方向选的不好，啮合力会把转子抬起，导致油膜涡动发生。

chunshui2003

回复 6 # qiandashuai 的帖子

谢谢你的回答。
看来是我之前对“油膜涡动和振荡”这个概念的理解有一些偏差，只从定义中获取信息了。确实，你所说的它和轴承承受荷载条件与工作状态有关。我研究的对象是不平衡磁拉力，其变化可能引起转子运动状态的变化，进一步引起轴承特性的变化，从而使得在速度不变情况下，油膜涡动或振荡产生。
不知道这样理解对不对。

dongyuanzhixing

进来向大家学习学习……

伤痕累累

学长你好，看了你的描述，我不知道你所说的基频具体指的是什么，是一阶临界转速吗？
既然考虑了油膜力，系统的固有频率是随转速变化的啊。在研究转子油膜力的时候没见过研究共振的，只是研究油膜失稳的，如涡动和振荡。
适当的偏心力确实可以抑制油膜振荡，稍大的偏心量会使失稳的转速降低。
另外适当小的油膜粘度和轴承间隙也可以抑制油膜振荡。

(1) 油膜振荡发生于转轴两倍临界转速以上，其甩动方向与转轴旋转方向一致；
(2) 油膜振荡的甩转角速度与转轴旋转角速度无关，约等于转轴临界转速时的角速度；
(3) 油膜振荡与转轴在临界转速下产生的振动不同，一旦发生，转速增加也不会停止； 而涡动可以通过提高转速很快冲过去。
    一般来说，油膜涡动的振幅小于振荡的振幅，虽然涡动的危害不如振荡，但转子系统长期在油膜涡动下工作会给机器造成动力负荷、噪声和震动，进而引发零件疲劳、松动或降低机器效率。油膜涡动的频率随转速增加而增加，且略小于转动角频率的1/2，但油膜振荡的频率与转动角速度无关，约为2倍一阶临界转速。

在工程故障诊断中，尤其是汽轮发电机组里，针对油膜失稳的解决办法有：
（1）通过使用反涡旋技术来干扰圆周方向的油流
（2）使用一个较大的偏心。例如，增加预载或人为的不对中
（3）增加油膜温度以减小粘度。一般情况下提高油温会消除失稳，少数情况下影响不大。
（4）增加转子刚度、
(5) 轴瓦间隙　轴瓦间隙影响轴承的稳定性，主要是由于影响轴承运行的最小间隙，最小间隙是稳定工作的重要依据。最小间隙越小，轴承工作越稳定。

chunshui2003

伤痕累累 发表于 2012-12-13 19:34

                               
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学长你好，看了你的描述，我不知道你所说的基频具体指的是什么，是一阶临界转速吗？
既然考虑了油膜力，系 ...

  非常感谢你的回答。我之前对油膜振荡和涡动的了解只能说停留在初级阶段，毕竟对于水轮发电机组而言，由于其转速很低，很难有工作在一阶临界转速之上的情况发生，所以对于油膜引起系统的一些非线性情况我们不是很关注（有时候在建模的时候油膜力往往会处理为数据库的形式，即当做常量，非线性也就无从考虑了）。不过随着学习的深入，特别是看了许多转子动力学的著作后，对此有了较为清楚的认识。
  不过，关于解决油膜失稳的方法我还很少接触过，你介绍的很详细，再次表示感谢。
  PS：请问你是哪个学校的。