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可倾瓦块轴承

keqing wakuai zhoucheng
可倾瓦块轴承
tilting-pad bearing

   滑动轴承中的一种液体动压轴承,由若干独立的能绕支点摆动的瓦块组成。按承受载荷的方向，可分为可倾瓦块径向轴承和可倾瓦块推力轴承。
   图[可倾瓦块径向轴承]为可倾瓦块径向轴承。轴承工作时，借助润滑油膜的流体动压力作用在瓦面和轴颈表面间形成承载油楔，它使两表面完全脱离接触。油楔进口和出口处的油膜厚度1和2之比称为间隙比，是影响瓦块承载能力的主要参数。与最大承载能力相应的间隙比称为最优间隙比,其值随瓦宽(瓦块的轴向尺寸)B和瓦长L之比而定,大约在2～3之间变化。瓦块支点的位置应偏于油楔的出口,其值由间隙比确定。当间隙比为2.2时，支点距瓦块的进油边约为 0.58L。随着轴承工作状况的变化，瓦面倾斜度和油膜厚度都会发生变化，但间隙比不变，始终保持设计状态。这是可倾瓦块轴承优于其他成型面多油楔轴承之处。
   可倾瓦块径向轴承的承载能力是各瓦块承载能力的向量和。因此，它比单油楔液体动压径向轴承的承载能力低，但回转精度高，稳定性能好，广泛用于高速轻载的机械中，如汽轮机和磨床等。瓦块数目一般为3～6。瓦块的布置方式有载荷正对相邻瓦块支点之间和载荷正对某一瓦块支点两种。若载荷相同，后者轴的偏心率较小；若承受载荷最大的瓦面最小油膜厚度相同，前者承载能力高、功耗小、温升低。
   可倾瓦块推力轴承的承载能力是各瓦块承载能力之和。瓦块数目最少为 3块。对于瓦块数目较多的大型推力轴承，各瓦块间载荷的均衡十分重要（见推力滑动轴承）。
油膜涡动：
　　油膜的楔形按油的平均流速绕轴瓦中心运动的现象称为油膜涡动，因其平均速度为轴颈圆周速度的一半，故又称为半速涡动。
　　机理：
　　油润滑滑动轴承工作时，以薄的油膜支承轴颈。在轴瓦表面的油膜速度为零（轴瓦静止），而在轴颈表面的油膜速度与轴颈表面相同（轴颈高速旋转）。因此，不论在圆周上的任何剖面，油膜的平均速度均为轴颈圆周速度的一半。
　　轴颈高速旋转时，油膜厚度随楔形变化，但油的平均流速却相对不变。由于油的不可压缩性，多出的油将从轴承两端流出，或者油膜的楔形按油的平均流速绕轴瓦中心运动。
　　如何诊断油膜涡动引起的振动？
　　诊断油膜涡动可从以下的振动特征来判断：
　　（1）油膜涡动的特征频率为略小于转子转速的1/2，并随转速的升高而升高，常伴有1倍频；
　　（2）振动较稳定，次谐波振幅随工作转速的升高而升高；
　　（3）相位较稳定；
　　（4）轴心轨迹为双环椭圆，进动方向为正进动；
　　（5）对轴承润滑油的温度、粘度和压力变化敏感。
　　怎样消除？
　　当前在生产中，可通过以下途径来消除油膜涡动：
　　（1）从结构上，保证轴颈相对于轴瓦处于较大的偏心下工作；
　　（2）采用抑振性能比较好的轴承，如可倾瓦轴承；
　　（3）现场出现问题时，降低润滑油温度，作为应急措施也是行为之有

滑动
滑动轴承
轴承（sliding bearing），在滑动摩擦下工作的轴承。滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。但起动摩擦阻力较大。轴被轴承支承的部分称为轴颈，与轴颈相配的零件称为轴瓦。为了改善轴瓦表面的摩擦性质而在其内表面上浇铸的减摩材料层称为轴承衬。轴瓦和轴承衬的材料统称为滑动轴承材料。常用的滑动轴承材料有轴承合金（又叫巴氏合金或白合金耐磨铸铁、铜基和铝基合金、粉末冶金材料、塑料、橡胶、硬木和碳-石墨，聚四氟乙烯（PTFE）、改性聚甲醛（POM）、等。滑动轴承应用场合一般在低速重载工况条件下，或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部位。
滑动轴承-分类

滑动轴承种类很多。①按能承受载荷的方向可分为径向（向心）滑动轴承和推力（轴向）滑动轴承两类。
②按润滑剂种类可分为油润滑轴承、脂润滑轴承、水润滑轴承、气体轴承、固体润滑轴承、磁流体轴承和电磁轴承7类。③按润滑膜厚度可分为薄膜润滑轴承和厚膜润滑轴承两类。
④按轴瓦材料可分为青铜轴承、铸铁轴承、塑料轴承、宝石轴承、粉末冶金轴承、自润滑轴承和含油轴承等。⑤按轴瓦结构可分为圆轴承、椭圆轴承、三油叶轴承、阶梯面轴承、可倾瓦轴承和箔轴承等。
滑动轴承-轴瓦结构和轴承材料

轴瓦分为剖分式和整体式结构。为了改善轴瓦表面的摩擦性质，常在其内径面上浇铸一层或两层减摩材料，通常称为轴承衬，所以轴瓦又有双金属轴瓦和三金属轴瓦。  
轴承材料   
轴瓦或轴承是 动轴承的重要零件，轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。由于轴瓦或轴承衬与轴颈直接接触，一般轴颈部分比较耐磨，因此轴瓦的主要失效形式是磨损。轴瓦的磨损与轴颈的材料、轴瓦自身材料、润滑剂和润滑状态直接相关，选择轴瓦材料应综合考虑这些因素，以提高滑动轴承的使用寿命和工作性能。   
轴承的材料有  
1 金属材料，如轴承合金、青铜、铝基合金、锌基合金等；   
2 多孔质金属材料（粉末冶金材料）；   
3非金属材料。 
其中：
轴承合金：轴承合金又称白合金，主要是锡、铅、锑或其它金属的合金，由于其耐磨型好、塑性高、跑合性能好、导热性好和抗胶和性好及与油的吸附性好，故适用于重载、高速情况下，轴承合金的强度较小，价格较贵，使用时必须浇筑在青铜、钢带或铸铁的轴瓦上，形成较薄的涂层。    多孔质金属材料：多孔质金属是一种粉末材料，它具有多孔组织，若将其浸在润滑油中，使微孔中充满润滑油，变成了含油轴承，具有自润滑性能。多孔质金属材料的韧性小，只适应于平稳的无冲击载荷及中、小速度情况下。   
轴承塑料：常用的轴承塑料有酚醛塑料、尼龙、聚四氟乙烯等，塑料轴承有较大的抗压强度和耐磨性，可用油和水润滑，也有自润滑性能，但导热性差。 
滑动轴承-主要故障

滑动轴承在工作时由于轴颈与轴瓦的接触会产生摩擦，导致表面发热、磨损甚而“咬死”，所以在设计轴承时，应选用减摩性好的滑动轴承材料制造轴瓦，选择合适的润滑剂并采用合适的供应方法，改善轴承的结构以获得厚膜润滑等。
1 、瓦面腐蚀：光谱分析发现有色金属元素浓度异常；铁谱中出现了许多有色金属成分的亚微米级磨损颗粒；润滑油水分超标、酸值超标。 
2 、轴颈表面腐蚀：光谱分析发现铁元素浓度异常，铁谱中有许多铁成分的亚微米颗粒，润滑油水分超标或酸值超标。 
3 、轴颈表面拉伤：铁谱中有铁系切削磨粒或黑色氧化物颗粒，金属表面存在回火色。 
4、 瓦背微动磨损：光谱分析发现铁浓度异常，铁谱中有许多铁成分亚微米磨损颗粒， 润滑油水分及酸值异常。 
5 、轴承表面拉伤：铁谱中发现有切削磨粒，磨粒成分为有色金属。 
6 、瓦面剥落：铁谱中发现有许多大尺寸的疲劳剥落合金磨损颗粒、层状磨粒。 
7 、轴承烧瓦：铁谱中有较多大尺寸的合金磨粒及黑色金属氧化物。 
滑动轴承-结构设计应注意的问题

滑动轴承是面接
滑动轴承
触的，所以接触面间要保持一定的油膜，因此设计时应注意以下这几个问题：
1、要使油膜能顺利地进入摩擦表面。  
2、油应从非承载面区进入轴承。  
3、不要使全环油槽开在轴承中部。  
4、如油瓦，接缝处开油沟。  
5、要使油环给油充分可靠。  
6、加油孔不要被堵。 
7、不要形成油不流动区。  
8、防止出现切断油膜的锐边和棱角。
滑动轴承-性能与选用

滑动轴承也可用润滑脂来润滑，在选择润滑脂时应考虑下列几点： 
(1）轴承载荷大，转速低时，应选择锥入度小的润滑脂，反之要选择锥入度大的。高速轴承选用锥入度小些、机械安定性好的润滑脂。特别注意的是润滑脂的基础油的粘度要低一些。 
(2）选择的润滑脂的滴点一般高于工作温度20-30℃，在高温连续运转的情况下，注意不要超过润滑脂的允许使用温度范围。 
(3）滑动轴承在水淋或潮湿环境里工作时，应选择抗水性能好的钙基、铝基或锂基润滑脂。 
(4）选用具有较好粘附性的润滑脂。 
2、滑动轴承用
滑动轴承
润滑脂的选择： 
载荷＜1MPa，轴颈圆周速度1m/s以下，最高工作温度75℃，选用3号钙基脂； 
载荷1-6.5MPa，轴颈圆周速度0.5-5m/s，最高工作温度55℃，选用2号钙基脂； 
载荷＞6.5MPa，轴颈圆周速度0.5m/s以下，最高工作温度75℃，选用3号钙基脂； 

载荷＜6.5MPa，轴颈圆周速度0.5-5m/s，最高工作温度120℃， 选用2号锂基脂； 
载荷＞6.5MPa，轴颈圆周速度0.5m/s以下，最高工作温度110℃，选用2号钙-钠基脂； 
载荷1-6.5MPa，轴颈圆周速度1m/s以下，最高工作温度50-100℃，选用2号锂基脂； 
载荷＞5MPa 轴颈圆周速度0.5m/s，最高工作温度60℃，选用2号压延机脂； 
在潮湿环境下，温度在75-120℃的条件下，应考虑用钙-钠基脂润滑脂。在潮湿环境下，工作温度在75℃以下，没有3号钙基脂，也可用铝基脂。工作温度在110-120℃时，可用锂基脂或钡基脂。集中润滑时，稠度要小些。 
3、滑动轴承用润滑脂的润滑周期： 
偶然工作，不重要零件：轴转速＜200r/min，润滑周期5天一次；轴转速＞200r/min，润滑周期3天一次。 
间断工作：轴转速＜200r/min，润滑周期2天一次；轴转速＞200r/min，润滑周期1天一次。 
连续工作，工作温度小于40℃：轴转速＜200r/min，润滑周期1天一次；轴转速＞200r/min，润滑周期每班一次。  连续工作，工作温度40-100℃：轴转速＜200r/min，润滑周期每班一次；轴转速＞200r/min，润滑周期每班二次。
滑动轴承-刮研的技术要求

基本要求 
既要使轴颈与滑动轴承均匀细密接触，又要有一定的配合间隙。 
接触角
是指轴颈与滑动轴承的接触面所对的圆心角。接触角不可太大也不可太小。接触角太小会使滑动轴承压强增加，严重时会使滑动轴承产生较大的变形，加速磨损，缩短使用寿命；接触角太大，会影响油膜的形成，得不到良好的液体润滑。  试验研
滑动轴承
究表明，滑动轴承接触角的极限是120°。当滑动轴承磨损到这一接触角时，液体润滑就要破坏。因此再不影响滑动轴承受压条件的前提下，接触角愈小愈好。从摩擦力距的理论分析，当接触角为60°时，摩擦力矩最小，因此建议，对转速高于500r/min的滑动轴承，接触角采用60°，转速低于500r/min的滑动轴承，接触角可以采用90°，也可以采用60°。 
接触点 
轴颈与滑动轴承表面的实际接触情况，可用单位面积上的实际接触点数来表示。接触点愈多、愈细、愈均匀，表示滑动轴承刮研的愈好，反之，则表示滑动轴承刮研的不好。一般说来接触点愈细密愈多，刮研难度也愈大。生产中应根据滑动轴承的性能和工作条件来确定接触点，下表所列资料可供参考： 
滑动轴承转速 
（r/min） 接触点 
（每25×25毫米面积上的接触点数） 
100以下 3~5 
100~500 10~15 
500~1000 15~20 
1000~2000 20~25  
2000以上 25以上 
Ⅰ级和Ⅱ级精度的机械可采用上表数据，Ⅲ级精度的机械可按上表数据减半。 
滑动轴承-参考资料

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1　可倾瓦的结构与特点

可倾瓦通常由3～5块或更多块能在支点上自由倾斜的弧形巴氏合金瓦块组成。瓦块在工作时可以随转速、载荷及轴承温度的不同而自由摆动，在轴径四周形成多个油楔。每一块瓦块通过其背面的球面销及垫片支撑在轴承套中，瓦块可以绕其球面支撑销摆动；轴承中分面上部瓦块、背面分别装有弹簧，从瓦块一端压迫瓦块，人为地建立油楔。润滑油从各瓦块之间的间隙进入轴承，从轴承的两端油封环开孔处排出。如果忽略瓦块的惯性，支点的磨擦力及油膜剪切内磨擦力等的影响，每个瓦块作用到轴径上的油膜作用力总是通过轴径的中心，不会产生引起轴径涡动的失稳力，因此具有较高的稳定性，理论上可以完全避免油膜震荡的产生。另外，由于瓦块可以自由摆动增加了支撑柔性，还具有吸收转轴振动能量的能力，即具有很好的减振性。可倾瓦剖面图如图1所示。

可倾瓦有许多优点，但结构复杂、安装检修较困难、成本较高等是可倾瓦的不足之处。但是，随着大功率机组轴承在稳定性、功耗及承载力等方面的要求愈来愈高，可倾瓦正在被越来越多的大功率机组采用。可倾瓦轴承在稳定性、承载力及功耗等性能方面均居各种支持轴承之首，三油楔轴承、椭圆轴承次之，圆筒形轴承最差。

2　可倾瓦的问题及处理

a. 1999-01-28，#1机组大修发现：#1轴承各瓦块调整垫片凸面磨损较严重，磨成了平面；#2轴承下瓦B侧调整垫片被振碎。处理：更换全部调整垫片，测量，配瓦。

b. 1999-12-09，#2机组大修中发现，#2瓦下瓦块温度探头穿透乌金，调整垫片磨损严重。处理：更换新瓦块、调整垫片，重新配瓦。

c. 2001-01-24，#4机组大修，发现#1瓦乌金磨损严重，4个瓦块温度探头穿透乌金。处理：更换新瓦块、调整垫片，重新配瓦。

d. 2002-01-16，#1机组因发电机碳刷滑环绝缘着火停机。造成#2瓦乌金堆积，下瓦乌金碾压严重，中分面与轴径间有乌金堆积。处理：修刮乌金，测量垫片厚度，重新配垫片。

e. 2002-10-01，#1机组大修，#2瓦乌金接触不好，瓦振动较大。处理：更换4块新瓦块以及调整垫片、弹簧，重新配瓦。

通过大修和抢修，向哈尔滨汽轮机厂学习了可倾瓦的调整及配瓦工艺，并在以后的检修中实践使用，积累了一定经验。

根据经验，可倾瓦的缺陷主要有：瓦块乌金磨损严重需要更换瓦块；调整垫片或销磨损严重，凸面磨损或垫片碎裂需要更换新销与垫片；机组大修找中心轴瓦位置需要大幅调整，轴承垫铁接触不良，振动大等。其中前两者均属于更换新配件，归为可倾瓦的配瓦；后者属于在原有基础上的调整、刮研，归为可倾瓦的调整。

3　可倾瓦的检修

3.1配瓦

可倾瓦的配瓦原则是：瓦块乌金接触良好；各瓦块与轴心对正要好，瓦块对中偏差不能超过0.02 mm，即4个瓦块的乌金面相对轴心距离偏差不能超过0.02 mm。

3.1.1准备工作

不管是更换新瓦块、销还是调整垫片，都需要重新测量、计算，重新配瓦。

可倾瓦乌金一般是厂家加工好的，表面不会有太大刮研量。在简单修刮乌金接触合格后，清理新瓦块、新垫片、新销及瓦壳，特别是瓦壳体与瓦块之间调整垫片和销的凹槽。要清理所有污垢，不允许有毛刺。最后用酒精擦拭干净。

3.1.2测量

测量工具是针对某种可倾瓦的专用量具：一个带有标准厚度垫片的深度尺，垫片大小应能宽松地放入凹坑内；一个专用千分尺，它是根据所测量可倾瓦瓦块厚度定做的，可保证量程在瓦块厚度以上100 mm以内，且张口大小、测爪长度能测量可倾瓦瓦块中间带垫片的总厚度。测量目的是保证4瓦块与轴心距离相等，通过调整平垫片的厚度来调整偏差值。

3.1.3计算

以西电#1轴承为例说明测量与计算过程，配瓦计算时参见图2。

a. 按图纸查得以下标准数据备用：#1瓦壳体内径ø（463.55±0.05）mm，则半径r1=231.77 mm；瓦块内径ø（304.8+0.05） mm，则半径r2=152.4 mm。

b. 用记号笔将4块瓦块、瓦壳体凹窝以及各自配套垫片、销编号并做记录，如分别记作：1-1、2-2、3-3、4-4，以免混淆。

c. 测量1-1壳体凹窝的深度。将标准垫片（厚度为8.8 mm）放入凹窝内，用深度尺测量，显示深度9.91 mm。则壳体凹窝深度为（9.91+8.8）mm，做好记录。

d. 将带凸起的销子放入瓦块凹窝内，用千分尺测量销子与瓦块的总厚度。测量需有经验人员进行，测出最高点数值即为总厚度m。记作m=瓦块厚度+销子厚度=86.9mm。

e. 计算平垫片的厚度。σ1-1=壳体凹窝深度+壳体半径r1-瓦块与销子厚度m-瓦块半径r2=9.91+8.8+231.77-86.9-152.4=11.18 mm。

f. 同样求出σ2-2、σ3-3、σ4-4。根据数据修磨平垫片的厚度，将4个平垫片的厚度之差调整到0.02 mm以内即可。

3.1.4注意事项

a. 测量手法要一致，4块瓦块要由同一个有经验的人员测量。

b. 测量前要校对好千分尺和深度尺；使用前应擦净千分尺和深度尺的测量面，当测量面与工件接触后必须使用棘轮；使用后，将测量面擦净，两测量面不应接触。

c. 测量前一定要将各部位清理干净，不能有毛刺。

d. 做好各瓦块、垫片的测量记录，不可混淆。

3.2可倾瓦的调整与垫铁刮研

检修中如果发现垫铁接触不好，就要进行刮研。如果在轴系找中心时，可倾瓦上下或左右的调整量较大，则除对垫铁进行调整外还要进行刮研。

3.2.1可倾瓦的调整

仍以图1所示可倾瓦为例。下半有3块调整垫铁，上瓦2块，分布于45°角方向。可以通过改变下半轴瓦上3块调整垫铁的垫片厚度来移动轴瓦位置。两侧垫铁的中心线和垂直中心线夹角为45°，其关系如图3所示。



a. 垂直方向移向y时，下部垫铁垫片加减值同y，两侧垫铁垫片厚度加减为ycosα,对应上半两侧垫铁各减去ycosα。

b. 水平方向移动x时，下部垫铁不动，两侧垫铁垫片加减xsinα。向右移动时，下半右侧垫铁垫片减xsinα，下半左侧垫铁加xsinα。上半同样。

3.2.2垫铁刮研

该可倾瓦设有5块垫铁，刮研工作相对较重，耗费工时较多，应提高刮研水平，注意技巧，以提高工作效率。

由于轴瓦调整量过大时，对垫铁接触影响较大。因此，刮研垫铁应与找中心工作同时进行。可以先测量中心，根据中心调整要求，计算出轴瓦下部3块垫铁内垫片的调整数。根据计算结果，再加上接触情况，用估计的研磨量预先调整垫片厚度。预留研刮量不宜过大，在0.10 mm左右即可。

由于垫铁是三点接触，下部垫铁稍高可使两侧垫铁产生间隙，这样轴瓦会发生摆动，接触点不真实。因此在刮研垫铁时应使两侧垫铁接触，下部垫铁可稍有间隙。先将侧垫铁刮研基本合格后，再重点刮研下部垫铁。

另外，垫铁刮研至最后阶段时，应注意底部垫铁和侧垫铁的修刮量，一般应增加底部垫铁的修刮次数以保证底部垫铁和侧垫铁同时达到接触面的要求。

垫铁刮研的验收标准：接触痕迹应占总面积的70%以上，接触点呈点状均匀分布；不放转子时，两侧垫铁0.03 mm塞不进，底部垫铁0.05 mm塞不进；放转子后，所有垫铁0.03 mm塞不进。

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