Xcite液压激振器在滑动轴承油膜力频率特性测试中的应用

大型汽轮发电机中，轴承主要有圆瓦，椭圆瓦，可倾瓦和组合式轴承等几种形式，其示意图如下所示，圆瓦由上下半整圆加工而成，结构简单，制造加工方便，承载能力强，稳定性好；椭圆瓦由上下分别偏心加工或中间垫垫片加工而成，结构复杂，制造难度较大，它的承载能力较圆瓦略弱，主要应用重载，因偏心率大，所以其稳定性比圆瓦好，且油流量大，温升低；可倾瓦一般由3-5块单独瓦块组成，结构复杂，制造难度大且成本高，它的称重能力较弱，主要应用于中载、轻载，稳定性比圆瓦，椭圆瓦都要好，油流量更大，轴承损耗高。

圆瓦示意图 椭圆瓦示意图 可倾瓦示意图

倾瓦轴承是一种摆动轴瓦式轴承，由3～5个或更多个能在支点上自由倾斜的弧形瓦块组成。可倾瓦滑动轴承是发电机转子系统的重要组成部件，在运行过程中，因平滑的转子和轴承之间存在着强烈频率相关的反作用力，其频率动态特性受到充入的油膜刚度和油膜阻尼的影响，油膜力不对称会导致整个转子系统的各阶临界转速、不平衡响应及稳定性问题，

为了能够更好的从试验角度对滑动轴承的油膜力动态特性来进行研究，目前普遍采用的方法是“激励定子”的方法：通过在一定的频率范围内施加动态力激励来研究动刚度和频率之间的关系，美国XCITE公司生产制造的1200-6主要由1207-8-T/C激振头，1204-MOD4控制器，液压油泵站1201B三部分组成，其激振头高度289mm，设计小巧坚固便于安装,附带力和位移传感器，在1204-MOD4控制器的控制下，其可以输出静态890kg力，在此静态力的基础上，还可以添加890kg的动态力，激振器的位移行程50mm，和力参数一样，位移同样可以在施加静位移的基础上，叠加输出一个动态位移，可根据被测负载刚度灵活选择激振器的工作模式。

Xcite液压激振器的产品图片如下：

在所搭建的试验台架中，试验轴承位于转子的中心，转子两端由混合润滑的陶瓷球轴承支撑，且试验轴承被支撑在一个外壳中，外壳通过俯仰稳定器连接到两个支撑轴承座上，俯仰稳定器由两对三个相反的螺母套筒组成，这些转扣在外壳周围以120度的弧度间隔，这样就使被测轴承只能在径向方向上自由移动，阻止其在轴向，俯仰，摆动自由度上产生移动。动力由65kW（90HP)的汽轮机通过柔性联轴器输送到转子，转速范围16000rpm.

图2 试验台正面示意图

如图3气动加载机在y轴方向上施加高达22kN的稳定拉伸静载荷，2个液压激振器成90度角布置，向轴承壳体提供平行和垂直于静载荷方向的动态力，动态力通过激振头传递到轴承壳体上，激振头自带力传感器，可以得到恒定动态力值。

液压激振器的输入信号为一个包含20-320Hz（20Hz间隔）的伪随机波形信号，波形的振幅和相位是确定的，这样能使所要求的液压激振器峰值力最小的情形下，轴承中可以形成足够的响应

如图3所示，2个压电加速度计安装在轴承壳体上，在x，y方向上，电涡流接近探头用来测量轴和轴承的相对位移，2个探头位于驱动端平面内，另外2个位于非驱动端平行平面内。因为测试是在两个平行平面上进行的，因此在测试前，定子外壳相对于转轴的俯仰度和横摆度可以测试且被调整到最小。

图3液压激振器连接到轴承壳体上，在+y向上施加Fs静态力

这些动态数据被用来确定转子动态刚度，阻尼和附加质量系数，其频域模型，

（1）

在低频时，等式(1)预测流体膜刚度k被因子k1/（k + k1）降低了，阻尼c被[k1/（k + k1）]²降低了。在较高的频率下，K_eff和C_eff分别随着频率的增加而增加和减少。

将牛顿第二定律应用于定子给出：

对于上述方程等式，假设外壳组件为刚体，并且测试结果和该假设一致，方程中M_s是定子的质量，ẍ_s ,是定子的加速度，f_x。f_y是液压激振器的出力，f_bx，f_by是反作用力，假设轴承的反作用力采用以下[m][c][k]模型建模

(3)

上式中轴承定子的相对位移通过电涡流位移探头测出，将方程（3）代入方程（2)中并通过FFT计算得到：

这两个方程的四个动刚度函数H_ij为未知数，激振器在x，y方向上交替的激励提供了四个独立的方程，这些动刚度函数H_ij和转子动态系数相关。

H_ij= K_ij-Ω²M_ij+j(ΩC_ij) (5)

被测倾瓦滑动轴承参数如下表：

根据试验测试数据，其动刚度实部及虚部绘制曲线图如下：

结论：

在整个试验过程中，激励器出力控制及轴承动态响应稳定，实验中所产生的数据，通过不同[m][c][k]模型分析数据，可以得到准确度的刚度，阻尼频率相关性，这对汽轮发电机轴承的研发制造生产，带来了极大的好处。