Разбиране на амортисьорите с филмово покритие
A амортисьор за филм за стягане (SFD) е пасивен затихване устройство, използвано във въртящи се машини за разсейване на вибрационната енергия и контрол вибрация амплитуди - най-вече по време на преминаване през критични скорости. Той се състои от тънък слой масло, уловен в тясна пръстеновидна хлабина, която обгражда корпуса на лагера. Когато лагерът и прикрепените към него ротор вибрира, корпусът се колебае в рамките на тази хлабина и притиска масления филм; вискозното съпротивление на притискането разсейва енергията и демпферира роторната система, без да добавя значителна твърдост. Демпфери с изстискващ филм се използват в самолетни двигатели, промишлени газови турбини и други високоскоростни машини, където е необходимо допълнително демпфиране за укротяване на резонанса и предотвратяване на нестабилност на ротора.
1. Физически принцип на работа
Действието на изстискване
За разлика от лагер на плъзгача, чийто маслен филм носи постоянен радиален товар, демпферът с изстискващ филм работи чрез циклично изстискване на филм, който не носи статичен товар:
- Вибрация на ротора: небалансираният или възбуден по друг начин ротор упражнява колебателни сили върху лагера.
- Предложение за жилище: корпусът на лагера се върти или осцилира радиално в хлабината на амортисьора.
- Изстискване на маслени филми: при движението на корпуса навътре фолиото се компресира; при движението му навън фолиото се разширява.
- Вискозно съпротивление: Маслото се съпротивлява на изтласкването си от междината, създавайки пропорционална на скоростта демпферна сила.
- Разсейване на енергията: вибриращата енергия се превръща в топлина в маслото и се отвежда от потока на подаване.
Тъй като съпротивителната сила е пропорционална на скоростта, а не на преместването, демпферът се противопоставя на движение без да се държи като пружина - отличителната черта, която отличава демпфирането от твърдостта.
По какво се различава от челния лагер
- Лагер на дневника: пренася статични и динамични натоварвания чрез хидродинамичното налягане на филма, като допринася за твърдостта и демпфирането.
- Натиснете филмовия амортисьор: осигурява демпфиране с минимална твърдост и не носи постоянно натоварване.
- Комбинация: лагер с търкалящи се елементи (за поемане на натоварването) и SFD (за осигуряване на демпфиране) представлява идеална двойка за много високоскоростни конструкции, тъй като търкалящите се лагери не осигуряват почти никакво собствено демпфиране.
2. Строителство и проектиране
Основни компоненти
- Вътрешна писта (корпус на лагера): външната повърхност на корпуса на лагера с търкалящи се елементи, която може да се движи свободно в радиално направление.
- Външна писта (корпус на амортисьора): неподвижен корпус с точно определен цилиндричен отвор.
- Клиренс на пръстена: радиалната междина между вътрешните и външните направляващи, обикновено 0,1-0,5 mm.
- Доставка на масло: масло под налягане, подавано в свободното пространство.
- Крайни уплътнения: О-пръстени или подобни уплътнения, които задържат маслото в аксиална посока.
- Центриращи елементи: пружини или фиксиращи елементи, които предотвратяват прекомерното движение и поддържат концентричния характер на дюбела в покой.
Параметри на дизайна
- Радиална хлабина (c): определя коефициента на демпфиране - по-малка междина осигурява много по-голямо демпфиране.
- Дължина (L): осевата дължина на амортисьора - по-голямата дължина осигурява по-голямо демпфиране.
- Диаметър (D): по-големият диаметър осигурява по-голямо затихване.
- Вискозитет на маслото (µ): По-високият вискозитет осигурява по-голямо затихване.
- Тип на крайното уплътнение: определя аксиалното изтичане на масло и следователно ефективното демпфиране.
3. Коефициент на демпфиране
Силата на затихване, която произвежда демпферът с изстискващо фолио, е с първо приближение:
Fзатихване = C × скоростта, където коефициентът на затихване C ∝ (µ - D - L³) / c³.
Кубичната зависимост от клиренса е фактът от заглавието: коефициентът се променя с 1/c³, така че намаляването на хлабината наполовина увеличава демпферирането приблизително осем пъти. Тази изключителна чувствителност е нож с две остриета - тя дава на конструктора мощни възможности за въздействие, но също така означава, че производствените допуски, топлинният растеж и износването на отвора оказват огромно влияние върху реалната производителност. Затова изборът на оптималната дебелина на филма е основното решение при проектирането и се взема успоредно с прогнозата за ротора. форми на режима.
Центриращи пружини
- Цел: за да не се допусне, че амортисьорът ще влезе в контакт метал-метал при голямо движение.
- Избор на твърдост: Достатъчно мека, за да позволи на амортисьора да се движи и да върши работата си, но достатъчно твърда, за да поддържа центровката на цангата при гравитационни и статични странични натоварвания.
- Общи видове: пружина с клетка (пръстен от периферни лъчеви елементи), винтови пружини и еластомерни елементи.
Подаване и източване на масло
- Захранване под налягане, обикновено 1-5 бара, за поддържане на запълването на свободното пространство.
- Достатъчен поток за отвеждане на топлината, която филмът генерира.
- Правилно отводняване, за да се предотврати наводняване с масло и свръхналягане.
- Въздухоотвеждане за избягване на кавитация във филма.
4. Предимства на демпферите с притискащо фолио
- Добавя демпфериране без твърдост: повишава разсейването на енергията, без да променя значително критичните скорости на ротора.
- Намалява вибрациите при критична скорост: притежава резонанс амплитуди до безопасни нива.
- Предотвратява нестабилността: помага за потискане на маслен вихър, камшик на вала и други самовъзбуждащи се вибрации.
- Изолира предаваната сила: прекъсва вибрациите, които преминават в основата и околната конструкция.
- Съобразява се с преходните процеси: овладява вибрациите при пускане, спиране и промени в натоварването.
- Възможност за преоборудване: Може да се добави към съществуващи машини без основно препроектиране
- Пасивна работа: не се нуждае от система за управление или външно захранване - само от подаване на масло.
5. Приложения
Газови турбини за самолети
- Почти универсален в съвременните авиационни двигатели.
- От съществено значение за контролиране на вибрациите по време на преходи с критична скорост при развъртане.
- Направете лагерите с търкалящи се елементи жизнеспособни за много високоскоростни приложения.
- Компактен и лек дизайн - решаващо предимство за космическата индустрия.
Промишлени газови турбини
- Използват се заедно с лагери с търкалящи се елементи или лагери с накланяща се подложка.
- Контролирайте вибрациите чрез чести пускания и спирания.
- Намаляване на вибрациите, предавани в носещата конструкция.
Високоскоростни компресори
- Добавете демпфериране, което надхвърля това, което осигуряват самите лагери.
- Предотвратяване на нестабилност при слабо натоварени условия.
- Разширяване на използваемия работен диапазон.
Приложения за преоборудване
- Монтират се на съществуващи машини, страдащи от прекомерни вибрации при критична скорост.
- Средство за защита, когато само балансирането и подравняването не могат да намалят достатъчно вибрациите.
- Алтернатива на скъпоструващия нов дизайн на ротора или лагера.
6. Предизвикателства и ограничения
Предизвикателства при проектирането
- Кавитация: фолиото може да кавитира - да се образуват мехурчета пара - което намалява ефективното демпфиране.
- Поглъщане на въздух: увлеченият въздух омекотява филма и намалява овлажняването.
- Зависимост от честотата: ефективността на демпфиране се променя с честотата на вибрациите.
- Нелинейно поведение: производителността се променя с амплитудата, а големите орбити, които се приближават до границата на клирънс, се държат много нелинейно.
Оперативни предизвикателства
- Чувствителност към температура: вискозитетът на маслото спада с повишаването на температурата, което директно намалява демпферирането.
- Чистота: Замърсяването може да блокира подаването или да повреди прецизните повърхности.
- Зависимост от доставките на петрол: загубата на налягане на маслото елиминира напълно амортизацията.
- Износване на уплътнението: крайните уплътнения се разрушават с течение на времето, като постепенно намаляват ефективността си.
Изисквания за поддръжка
- Следете налягането и температурата на маслото.
- Периодично проверявайте крайните уплътнения.
- Проверявайте хлабините по време на основен ремонт.
- Проверете състоянието на центриращите пружини.
- Почистете маслените канали и филтри.
7. Разширени дизайни
Демпфери с бутални пръстени
- Използвайте бутални пръстени вместо уплътнения с О-пръстени.
- Позволява контролирано изтичане на масло за по-добро разпределение на налягането.
- Намалете склонността към кавитация.
Демпфери с отворен край
- Без крайни уплътнения - маслото тече свободно в аксиална посока.
- По-прост дизайн без проблеми с износването на уплътненията.
- Изискват по-високи дебити на маслото.
- Осигурява по-постоянно и предсказуемо амортизиране.
Вградени амортисьори
- Демпфиращият филм се образува директно между задната част на лагера и неговия корпус.
- Не е необходим отделен компонент на амортисьора.
- Компактна, но с ограничени възможности за амортизация.
8. Ефективност и изпълнение
Намаляване на вибрациите
- Може да намали вибрациите при критична скорост с 50-80%.
- Особено ефективен за контролиране на резонанса.
- Разширява пика на критичната скорост, като го прави по-малко остър.
- Позволява по-безопасно и по-спокойно преминаване през критични скорости - видимо като по-плосък връх на Диаграма на Боде по време на старта.
Подобряване на стабилността
- Повишава началната (праговата) скорост за нестабилности.
- Може да предотврати маслен вихър в комбинация с лагери с търкалящи се елементи.
- Добавя положително демпфериране, което противодейства на дестабилизиращите напречно свързани сили.
9. Проектиране, анализ и проверка на място
Правилното проектиране на амортисьор с изстискващ филм изисква интегрирано проучване на цялото система с роторни лагери:
- Роторно-динамичен анализ: съвместно моделиране на ротора, лагерите и амортисьора, за да се предскаже реакцията и стабилността.
- Анализ на флуидното фолио: Решения по уравнението на Рейнолдс за разпределението на налягането във филма.
- Нелинеен анализ: отчитане на кавитацията и зависимото от амплитудата поведение.
- Термичен анализ: повишаване на температурата на маслото и разсейване на топлината.
- Специализиран софтуер: Пакетите за ротординамика, като DyRoBeS и XLTRC, включват SFD модели.
Колкото и добра да е конструкцията, истинската ѝ задача е да поддържа измерените вибрации в приемливи граници, което се потвърждава на работещата машина, а не на хартия. Преносим двуканален анализатор като този на Балансет-1а е практическият инструмент за тази проверка: с акселерометри в корпусите на лагерите улавя амплитудата и фаза чрез изкачване или спускане, което позволява на инженера да наблюдава колко широк и колко нисък всъщност е демпфираният пик на критичната скорост и да потвърди, че роторът преминава безопасно през резонанса. Ако остатъчният дисбаланс захранва резонанса, същият инструмент може да баланс на полето ротора - защото и най-добрият амортисьор работи по-добре, когато силата, която трябва да поеме, е сведена до минимум.
10. Кога да се използва и кога да не се използва
Препоръчителни приложения
- Високоскоростни машини: работа при критични скорости или над тях.
- Лагерни системи с търкалящи се елементи: където самите лагери осигуряват малко демпфериране.
- Гъвкави ротори: движение над първата критична скорост.
- Проблеми със стабилността: където нестабилността на ротора представлява реален риск.
- Контрол на преходните процеси: намаляване на вибрациите при пускане и спиране.
Не се препоръчва, когато
- Работата е с ниска скорост и амортизацията не е от решаващо значение.
- Ограниченията в пространството възпрепятстват монтажа.
- Няма надеждна система за снабдяване с масло.
- Ресурсите за поддръжка са ограничени - демпферите добавят маслена система за поддръжка.
- По-прости мерки, като например точни балансиране или подравняване, вече вършат работа.
Демпферът с изстискващ филм е елегантен отговор на въпроса за контрола на вибрациите във високоскоростни въртящи се машини. Осигурявайки значително демпфиране без почти никаква допълнителна твърдост, той позволява безопасна работа при критични скорости, потиска деструктивните нестабилности и разширява работната среда - всичко това в компактен, пасивен пакет, който не изисква нищо повече от чисто, постоянно подаване на масло.
