了解旋转机械中的轴鞭效应

设备

便携式平衡器和振动分析仪 Balanset-1A

部件

振动传感器。

部件

光学传感器（激光转速计）。

设备

Balanset-4

部件

磁座尺寸-60-kgf。

部件

反射胶带。

设备

Dynamic balancer "Balanset-1A" OEM

定义：什么是轴鞭效应？

轴鞭（在流体动力轴承中也称为油鞭）是一种严重的转子不稳定性以暴力为特征自激振动当流体动压轴承中的转子转速超过临界阈值转速时，就会发生这种情况，该临界阈值转速通常约为第一转速的两倍。临界速度. 一旦发生鞭状振动，振动频率就会“锁定”在转子的第一个振动频率上。固有频率即使速度进一步提高，振幅仍然会保持不变，仅受轴承间隙或灾难性故障的限制。.

轴鞭效应是高速旋转机械中最危险的现象之一，因为它突然发生，在几秒钟内振幅迅速增大到破坏性程度，而且无法通过任何方式纠正。平衡或其他常规方法。需要立即停机并对轴承系统进行改造，以防止再次发生。.

发展历程：油旋到轴鞭

第一阶段：稳定运行

转子运行低于不稳定阈值
仅来自正常受力振动不平衡展示
轴承油膜提供稳定的支撑

第二阶段：油雾出现

当速度超过大约 2 倍第一临界速度时：

油膜涡动出现次同步振动，振动频率约为轴转速的 0.43-0.48 倍
振幅最初适中，且与速度相关
频率随轴转速成正比增加
可能是间歇性的，也可能是持续性的。
可与因不平衡引起的正常 1X 振动共存

第三阶段：鞭打过渡

当油涡旋频率增加到与第一固有频率相匹配时：

频率锁定： 振动频率锁定在固有频率
谐振放大： 由于以下原因，振幅急剧增大：谐振
突然发病： 从旋转到鞭打的过渡可以是瞬间完成的。
速度独立性： 速度进一步提高不会改变频率，只会改变振幅。

第四阶段：轴鞭（危急情况）

恒定频率振动（第一固有频率，通常为 40-60 Hz）
振幅比正常不平衡振动高 5-20 倍
轴可能接触轴承间隙极限
轴承和油快速升温
如果不关闭，几分钟内可能发生灾难性故障。

物理机制

油鞭是如何形成的

该机制涉及轴承油膜中的流体动力学：

油楔地层： 当轴旋转时，它会带动轴承周围的油，形成一个加压楔形体。
切向力： 油楔施加一个垂直于径向（切向）的力。
轨道运动： 切向力使轴中心以大约轴转速的一半进行旋转
能量提取： 该系统从轴的旋转中提取能量以维持轨道运动。
共振锁定： 当轨道频率与固有频率相匹配时，共振会放大振动。
极限环： 振动会不断增大，直至达到轴承间隙或发生故障所限制的程度。

诊断识别

振动特征

轴鞭效应会在振动数据中产生特征模式：

光谱: 在次同步频率（第一固有频率）处出现一个大峰值，该峰值不受速度变化的影响。
瀑布图: 次同步分量表现为垂直线（恒定频率）而不是对角线（与速度成正比）。
订单分析： 随着速度的增加而减小的分数阶（例如，从 0.5 倍变为 0.4 倍再变为 0.35 倍）
轨道: 以固有频率运行的大圆形或椭圆形轨道

启动速度

典型阈值： 2.0-2.5倍第一临界速度
轴承相关： 具体阈值随轴承设计、预紧力和油粘度而变化。
突然发病： 速度的微小增加都可能引发从稳定状态到不稳定状态的快速转变。

预防策略

轴承设计修改

1. 倾斜式轴承

防止轴鞭的最有效方法
垫片可独立旋转，消除了不稳定的交叉耦合力。
在宽广的速度范围内都具有固有的稳定性
高速涡轮机械行业标准

2. 压力坝轴承

带沟槽或挡板的改进型圆柱轴承
提高有效阻尼和刚度
比倾斜垫便宜，但效果也较差。

3. 轴承预紧力

对轴承施加径向预紧力可提高其刚度。
提高不稳定性的阈值速度
可通过偏置孔设计实现。

4. 挤压膜阻尼器

轴承周围的外部阻尼元件
无需改变轴承设计即可提供额外的阻尼。
适用于改造应用

操作措施

速度限制： 将最大运行速度限制在阈值以下（通常为 < 1.8× 第一个临界值）
负载管理： 尽可能在高轴承载荷下运行（增加阻尼）
油温控制： 油温降低会增加粘度和阻尼。
监控： 对振动进行连续监测，并对次同步部件设置报警。

后果和损害

直接影响

剧烈震动： 振幅可达数毫米（数百密耳）。
噪音： 发出与正常操作不同的响亮、独特的声音
轴承快速加热： 轴承温度可在几分钟内升高 20-50°C。
石油劣化： 高温和剪切作用会降低润滑剂的性能。

潜在故障

轴承擦拭： 轴承巴氏合金材料熔化并被擦掉
轴损坏： 划痕、擦伤或永久弯曲
密封失效： 轴的过度运动会损坏密封件。
轴断裂： 剧烈振荡引起的高周疲劳
耦合损坏： 传递力会损坏联轴器

案例研究：压缩机轴鞭动

设想： 采用滑动圆柱轴承的高速离心式压缩机

正常运行： 转速 12,000 转/分，振动速度 2.5 毫米/秒
速度提升： 操作员转速提高至 13,500 转/分，以提高产能
发病： 转速达到 13,200 转/分时，突然出现剧烈振动。
症状： 振动频率为 45 Hz（恒定），振动速度为 25 mm/s，轴承温度在 3 分钟内从 70°C 升至 95°C
紧急行动： 立即停机避免了轴承故障
根本原因： 第一临界转速为 2700 转/分 (45 Hz)；鞭状阈值转速为 2 倍临界转速 = 5400 转/分，已超过该值。
解决方案 用可倾斜瓦轴承替换了滑动轴承，使机器能够在高达 15,000 转/分的转速下安全运转。

标准和行业惯例

API 684： 需要对高速涡轮机械进行稳定性分析
API 617： 规定压缩机的轴承类型和稳定性要求
ISO 10814： 为稳定性轴承的选择提供指导
行业实践： 倾斜瓦轴承是运行速度高于第一临界速度 2 倍的设备的标准配置。

轴鞭效应是一种灾难性的故障模式，必须通过正确的轴承选型和设计来预防。识别其独特的亚同步、频率锁定振动特征，有助于快速诊断和采取适当的应急措施，从而避免对关键的高速旋转设备造成昂贵的损坏。.

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什么是轴鞭效应？严重的转子不稳定性详解

由 admin 于 10 月 28, 2025 10 月 28, 2025 发布