Разбиране на плъзгащите се лагери
A лагер на плъзгача — наричан още плъзгащ лагер, втулен лагер или лагер с течна смазка — поддържа въртящ се вал върху тънък слой смазка под налягане, вместо върху търкалящи се елементи. Въртящата се част на вала вътре в лагера е списание; той се поддържа на разстояние от неподвижната опорна повърхност благодарение на хидродинамичен маслен филм, който самият вал създава, като изтласква смазочното масло в стесняваща се клиновидна междина. Този клиновиден канал под налягане поема цялото ротор натоварване без контакт между метални повърхности. Тъй като масленият филм също осигурява достатъчно затихване, плъзгащите лагери са естественият избор за машини с висока скорост и голямо натоварване — турбини, генератори, големи компресори — където контролирането вибрация а стабилизирането на ротора е от най-голямо значение.
1. Определение: Какво представлява плъзгащият лагер?
При плъзгащия лагер валът не докосва лагера при работна скорост. Вместо това той се движи, леко изместен от центъра, върху слой смазка с дебелина само няколко десетки микрометра. Точно този факт го отличава от лагера с търкалящи се елементи, който понася натоварването чрез топчета или ролки, намиращи се в херциев контакт. Предимствата на лагера с плъзгаща повърхност произтичат директно от масления филм: много висока товароносимост, изключително ниско триене, след като филмът се установи, тиха работа и амортизация, която позволява на големи ротори да работят плавно в рамките и над техните критични скорости. Поведението на вала и лагерите му като цяло се изследва като система с роторни лагери, защото нито едното, нито другото не може да се разбере изолирано.
2. Принцип на действие: Хидродинамично смазване
Как се образува масленият филм
Плъзгащият лагер се основава на хидродинамично смазване, което протича по предсказуема последователност, докато валът достига работна скорост:
- Първи контакт: В покой валът лежи на дъното на отвора под собствената си тежест, като металът допира метал.
- Започва ротацията: когато валът започне да се върти, сцеплението вкарва смазката в зазора.
- Формация „Клин“: Конвергентната геометрия между вала и отвора притиска маслото в клиновидно пространство.
- Създаване на налягане: маслото, изтласкано в стесняващия се клин, създава хидродинамично налягане.
- Отделяне: когато силата на налягането надвиши теглото на вала, лагерният шип се повдига и започва да се движи върху пълна маслена пяна.
- Установен режим: валът плава върху наляганата мембрана, като намира равновесно положение, изместено от центъра на отвора, без да влиза в контакт с метал.
Позицията, в която се установява лагерът — неговата ексцентричност в рамките на работното пространство — не е фиксирана. Тя се променя в зависимост от натоварването и скоростта, а това променящо се равновесие е в основата на сложното динамично поведение на лагера, описано по-долу.
Дебелина на масления филм
- Типичната минимална дебелина на слоя е 10–100 микрометра (0,0004–0,004 инча) — изключително тънък, но достатъчен, за да поддържа разстояние между повърхностите.
- Слоят не е равномерен: дебелината му варира по периферията, като достига най-малка стойност в точката на най-голямо сближаване между лагера и отвора.
- Дебелината зависи от скоростта, натоварването, вискозитета на смазката и хлабина на лагера — ако се увеличи скоростта или вискозитетът, филмът се сгъстява; ако се увеличи натоварването, той се изтънява.
- Тъй като вискозитетът намалява при затопляне на маслото, дебелината на масления филм също зависи от работната температура, поради което температурата на подаваното масло се следи при големите машини.
3. Видове плъзгащи лагери
Обикновен цилиндричен (с пълен лагер)
- Най-простата конструкция: гладка цилиндрична кухина с канал за подаване на масло и ъгъл на обхващане от 360°.
- Добра товароносимост, но симетричната гума го прави податлив на нестабилност — маслен вихър — при висока скорост и леко натоварване.
- Често се използва в двигатели, помпи и общопромишлено оборудване, където скоростите са умерени.
Лагери с частична дъга
- Опорната повърхност обхваща само част от обиколката, обикновено 120–180°.
- По-леки и изискващи по-малък дебит на маслото, но с по-ниска твърдост в сравнение с лагерите с пълна втулка.
- Подходящ за приложения с малък товар, при които посоката на натоварване е ясно определена.
Лагери с накланящи се подложки
- Повърхността е разделена на няколко независими секции, всяка от които може свободно да се завърта.
- Всяка подложка образува свой собствен хидродинамичен клин, който потиска кръстосаното взаимодействие, което предизвиква въртенето на маслото.
- Благодарение на своята присъща устойчивост срещу въртене и удряне, те са индустриален стандарт за високоскоростни турбомашини.
- По-скъп и сложен, но с значително по-добри динамични характеристики.
Лагери за налягане и лагери с преместване
- Модифицирани цилиндрични лагери с геометрични елементи — канали, стъпаловидна „преграда“ или разделителна вдлъбнатина (тип „лимон“) — добавени с цел подобряване на стабилността.
- Тези елементи са специално монтирани във филма, за да се повиши ефективното затихване.
- Те представляват практичен компромис между обикновения цилиндричен лагер и скъпата конструкция с накланящи се подложки.
Когато дори лагерът с накланящи се подложки не може да осигури достатъчно амортизиране за гъвкав ротор, конструкторите могат да добавят амортисьор с пресован филм в серия с лагера, за да се отведе допълнителната енергия.
4. Динамични характеристики
Скованост
Твърдостта на лагерите не се изразява с една единствена стойност; тя представлява набор от коефициенти, зависещи от скоростта и натоварването:
- Ниска скорост: нисък скованост — положението на направляващата се променя значително при промяна на натоварването.
- Висока скорост: по-голяма твърдост, когато хидродинамичното налягане достигне пълния си размер.
- Отклонение по посока: твърдостта е различна в хоризонтална и вертикална посока, поради което лагерът реагира анизотропно.
- Твърдост при кръстосано свързване: отклонение в една посока поражда сила, перпендикулярна на нея. Именно това кръстосано взаимодействие е механизмът, който може да вкара енергия във въртяща се орбита и да предизвика нестабилност на ротора.
Затихване
Голямото предимство на филма е успокояващият ефект, който оказва:
- Енергията се разсейва чрез вискозно срязване на маслото, докато лагерният вал се движи в зазора.
- Амортизацията нараства с увеличаване на скоростта и с повишаване на вискозитета на маслото.
- Това е това, което ограничава амплитудата на вибрациите, когато роторът преминава през критична скорост.
- Подходящото затихване е от съществено значение, за да се предотврати безконтролното нарастване на самовъзбуждащите се нестабилности.
Зависимост от скоростта
Тъй като както твърдостта, така и амортизацията се променят с скоростта, същото важи и за всичко, което зависи от тях:
- Твърдостта нараства с увеличаване на скоростта.
- Амортизацията нараства с увеличаване на скоростта.
- Системата собствени честоти да се издигне бързо.
- Следователно критичните скорости се повишават с ускоряването на машината — ефект, който става видим на Диаграма на Кембъл.
5. Предимства и ограничения
Масленият филм е причината както за изключителните предимства на лагера с плъзгаща повърхност, така и за специфичните изисквания към него.
- Висока товароносимост: може да издържи на много тежки ротори, които биха смачкали лагер с търкалящи се елементи.
- Възможност за работа при висока скорост: подходящ за обороти до 50 000 об./мин. и повече.
- Ниско триене при висока скорост: след като се образува хидродинамичният филм, коефициентът на триене е много нисък (около 0,001–0,003).
- Отлично амортизиране: контролира вибрациите при критичните скорости и спомага за стабилизирането на ротора.
- Безшумна работа: липсата на канали за търкалящи се елементи означава липса на шум от тях.
- Устойчивост на удар: масленият слой амортизира преходните и ударните натоварвания.
- Дълъг експлоатационен живот: тъй като по време на експлоатация няма контакт с метал, износването е минимално и се осигурява дългогодишна експлоатация.
- Опростен основен дизайн: Обикновеният цилиндричен тип е механично прост и икономичен.
На фона на това стоят практическите предизвикателства:
- Високо начално триене: филмът не е в покой, затова машината трябва да преодолее началния въртящ момент и краткотрайното износване при гранично смазване при всяко пускане.
- Необходима смазочна система: задължително е непрекъснатото подаване на чисто, охладено и с подходящо налягане масло; смазване на лагерите не е просто допълнение, а е в основата на дизайна.
- Риск от завихряне и разпръскване: обикновените цилиндрични лагери са податливи на възникване на маслени вихри, а при скорост, близка до двойно по-висока от критичната, към камшик на вала.
- По-ниска твърдост при ниски обороти: еластичната мембрана прави лагера по-мек от лагера с търкалящи се елементи при ниска скорост, което забавя реакцията.
- Чувствителност към температура: системата следи температурата на маслото чрез нейното влияние върху вискозитета.
- Чувствителност към замърсяване: твърдите частици могат да надраскат меката повърхност от бабит или да запушат маслените канали.
- Без аксиално фиксиране: лагерът с плъзгане фиксира вала само в радиално направление; за аксиалните натоварвания е необходим отделен аксиален лагер.
6. Приложение на плъзгащите лагери
Гладките лагери са стандартно решение при ротори, които са големи, бързовъртими или и двете:
- Парови и газови турбини: енергийни блокове с мощност от няколко мегавата.
- Големи генератори: синхронни генератори в електроцентрали.
- Центробежни компресори: високоскоростни промишлени машини за работа при голямо натоварване.
- Големи електродвигатели: Двигателите с мощност над около 500 к.с. често ги използват.
- Морски задвижващи системи: лагери на вала на витлото и на кърмовата тръба.
- Хартиени машини: големите ролки, които пренасят лентата.
- Двигатели с вътрешно горене: главните лагери на коляновия вал и лагерите на биелите.
7. Връзка с динамиката на ротора и балансирането на магнитното поле
Тъй като тяхната твърдост и амортизиращи свойства определят в голяма степен поведението на ротора, плъзгащите лагери са в сърцевината на динамика на ротора:
- Поставяне при критична скорост: твърдостта на лагера и настройката на амортизацията определят при кои обороти се достигат критичните скорости и колко високи са пиковете на вибрациите при тях.
- Стабилност: Типът на лагера до голяма степен определя податливостта към маслени вихри и вибрации на вала; характерните субсинхронни честоти, които те предизвикват, могат да бъдат изчислени с помощта на специален калкулатор за честотата на дефектите при лагерите.
- Картографиране на честотите: Диаграмата на Кембъл показва как собствените честоти се променят в зависимост от скоростта при промяна на твърдостта на лагера.
- Отговор за балансиране: характеристиките на лагера определят коефициенти на влияние които определят как роторът реагира на коригиращото тегло.
Именно в тази последна точка лагерът се свързва с ежедневната поддръжка. Когато турбина или компресор, работещи с плъзгащи лагери, показват повишени стойности на 1× дисбаланс при реакция той се стабилизира на място, в собствените си лагери, при работна скорост. Преносим двуканален анализатор като Balanset-1A измерва амплитудата на синхронния сигнал и фаза при всеки лагер изчислява коефициентите на влияние на ротора въз основа на пробно въртене и определя необходимите коригиращи тежести — като отразява реалната реакция на сглобената система „ротор-лагер“, включително твърдостта и амортизацията на самата маслена пленка, които балансиращата машина никога не би могла да възпроизведе. Проверен спрямо съответния клас на балансиране по ISO 21940-11, резултатът отразява действителното поведение на машината при експлоатация.
Плъзгащите лагери представляват изпитана и усъвършенствана технология, която остава незаменима в критично важни машини с висока производителност. Уникалното съчетание на товароносимост, скоростни характеристики и амортизация оправдава сложността на тяхното смазване и динамично поведение, а практическото разбиране на това поведение е от съществено значение за всеки, който диагностицира или балансира големи въртящи се съоръжения.
