Разбиране на аксиалните лагери
A аксиален лагер (наричан още аксиален лагер) е специален лагер, предназначен да понася натоварвания, действащи успоредно на оста на вала — аксиални или натискови натоварвания — и да регулира аксиалното положение на ротор. За разлика от радиалния лагер на плъзгача, който поема натоварвания, перпендикулярни на вала, аксиалният лагер има контактни повърхности, перпендикулярни на оста на вала, така че може да удържа сили, които се опитват да изтласкат вала в някоя от аксиалните посоки. Заедно радиалният и аксиалният лагер определят цялостната система с роторни лагери.
Упорните лагери са от съществено значение навсякъде, където действат аксиални сили — в помпи, компресори, турбини, валове на витла и вертикално разположени съоръжения. Отказът или недостатъчната носеща способност на упорния лагер води до прекомерно аксиални вибрации, ход на вала и потенциално катастрофални повреди при допир на ротора до неподвижни елементи.
1. Осева лагерна опора срещу радиална лагерна опора: Каква е разликата?
Най-ясният начин да разберете осева лагерна опора е да я противопоставите на радиалната лагерна опора, с която работи. Двете се дефинират по direction на натоварването, което са изградени да носят, а не по техния размер или конструкция.
- Радиално лагерче (such as a лагер на плъзгача) carries load perpendicular към вала — теглото на ротора и всички радиални сили от дисбаланс. Неговите носещи повърхности са цилиндрични и обхващат вала.
- Аксиално лагерче carries load parallel към вала — аксиалният натиск по оста. Неговите носещи повърхности са плоски (или оформени) лица, намиращи се под прав ъгъл към вала, опиращи се на манжета или подпора на ротора.
Типична машина изисква и двете: две радиални лагерчета позиционират вала настрани и поддържат неговото тегло, докато едно аксиално лагерче фиксира аксиалното положение на ротора и абсорбира нетната аксиална сила. Някои конструкции комбинират двата вида — едно angular-contact или tapered-roller лагерче носи радиална и аксиална натиск едновременно — но при голям турбомашинизъм аксиалното лагерче почти винаги е отделен компонент, отделен от радиалните лагерчета, тъй като аксиалните сили са твърде големи, за да бъдат разпределени.
2. Видове аксиални лагерчета
Аксиалните лагерчета се разделят на две основни семейства: видове с подвижни елементи, които носят натиск чрез топчета или ролки, и видове с течен филм, които плават ротора на пресирано масло филм. Изборът между тях се определя главно от натиска, скоростта и размера на машината.
Лагери с ролкови елементи за напречно натоварване
Те поемат напречното усилие чрез шайби или ролки и се използват често в машини за общо предназначение с умерено натоварване. Състоянието им може да се следи чрез същия дефект в търкалящите се елементи типове, използвани при радиалните лагери.
- Сферични упорни лагери: Сачмените елементи се движат между плоски или канализирани упорни шайби. Умерена товароносимост, средна до висока скорост, добра точност на аксиалното позициониране. Използват се в металорежещи машини, автомобилни трансмисии и други приложения с умерено аксиално натоварване.
- Цилиндрични ролкови упорни лагери: Ролките между упорните шайби осигуряват много висока товароносимост благодарение на линейния контакт, а не на точков, но само при ниски до средни обороти. Използват се в тежката техника, вертикалните помпи и куките на крановете.
- Конични лагерчета с ролки за аксиално натиск: коничните ролки осигуряват истинско подвижно действие, което отговаря на комбинирани и високи аксиални натискане. Едно лагерче носи както радиалния, така и аксиалния натиск, а предварителното натоварване е регулируемо чрез разстояние. Често в автомобилни главини на колелата, скоростни кутии и ситуации с комбиниран натиск.
- Сферични лагерчета с ролки за аксиално натиск: цилиндричните ролки и извита пистата приемат много висок аксиален натиск, докато толерира смещение на вала — полезно на дълги, леко отклоняващи се валове в тежката промишленост.
- Сачмени лагери с ъглово съприкосновение: Контактът на топките е под ъгъл, така че лагерът поема както радиално, така и аксиално натоварване; често се монтират по двойки (гръб в гръб или лице в лице). Подходящи за високи обороти; използват се в шпинделите на металорежещи машини и във високооборотни помпи.
Аксиални лагери с флуидно-слойно покритие
Те плават ротора на хидродинамичен масло филм и доминират голямите, високомощни машини. Без метално-метално контакт при нормална работа, те предлагат практически неограничен живот и отлично амортизиране, с цената на непрекъсната пресирана маслена подача.
- Аксиални лагерчета с наклонящи се подложки (често наречени лагерчета на Kingsbury или Michell по имената на техните изобретатели): множество въртящи се подложки, които всяка се наклонява, за да образува събегаща маслена клин, която повдига упорния ринг ясно на подложките. Капацитетът достига мегаватове при големи турбини, скоростта е практически неограничена (използвана до 30,000+ об/мин), и амортизирането е отлично. Намират се в парни турбини, газови турбини, големи компресори и генератори.
- Упорни лагери с фиксирани повърхности (с конусни плоскости): неподвижни подложки, обработени с конична рампа, генериран маслената клин без никакви движещи се въртели. Висок капацитет, прост и здрав без движещи се части, макар че по-малко толерантен на обръщане на натиск от наклоняващите се подложки. Използвани в вертикални помпи и хидроелектрични турбини.
3. Където се използват аксиални лагерчета: приложения
Всяка машина, чийто ротор изпитва нетен натиск по оста си, се нуждае от аксиално лагерче, за да абсорбира тази сила и да държи ротора на място. Най-честите приложения са:
- Центрофугални помпи и компресори: повишаването на налягането във всеки работен орган създава голяма аксиална сила към вакуумната страна, която должава упорния лагер.
- Парни, газови и хидротурбини: работния флуид натиска аксиално върху редовете лопатки; упорния лагер — обикновено от тип клатушка подложка — задържа ротора срещу тази сила и срещу плътно подравнените хлабини на уплътненията и върховете на лопатките.
- Морски пропулсия (упорни лагери на кораб и лодка): тягата на пропелера задвижва целия съд напред чрез вала на пропелера, и мощен морски упорен лагер предава тази тяга от вала в корпуса. Това е една от най-тежките упорни лагерни задачи в инженерството.
- Генератори и електродвигатели: в вертикалните машини упорния лагер допълнително носи мъртвото тегло на ротора и във всички машини се съпротивлява на аксиалния магнитно привличане.
- Скоростни кутии: хелични и конични зъбни колела генерират аксиални реакции, които валовите упорни лагери трябва да поглътнат.
- Шпиндели на металообработващи машини, автомобилни трансмисии и кранове: по-малки валцови упорни лагери позиционират вала и носят умерени аксиални натоварвания.
4. Упорни лагери за вертикални валове
Вертикалните машини — вертикални помпи, хидрогенератори, големи вертикални електродвигатели — поставят специално изискване към упорния лагер, защото той трябва да носи не само процесната аксиална сила, но и цялото статично тегло на ротиращия се механизъм, което при голям хидрогенератор може да бъде стотици тонове. В хоризонтална машина радиалните лагери носят това тегло; в вертикална машина теглото действа директно надолу по оста на вала и пада по уши върху упорния лагер.
По тази причина вертикалните машини почти винаги използват голям флуидния упорен лагер — обикновено от конструкция на тип клатушка подложка — размерен за комбинираното тегло-плюс-процесно натоварване и монтиран на върха или дъното на вала. Масленият филм на лагера и охлаждането трябва да бъдат проектирани за непрекъсната работа при пълно натоварване, и неговите temperature и аксиално положение са сред най-внимателно наблюдаваните параметри на цялата машина, защото отказ на упорния лагер на вертикален вал събаря ротора върху статора без възможност за възстановяване.
5. Източници на аксиално натоварване
В помпи и компресори
- Хидравлично налягане на работното колело: разликата в налягането от двете страни на работното колело създава нетна аксиална сила, една от основните хидравлични сили in a pump.
- Величина: това може да струва хиляди лири дори при помпа със среден размер.
- Посока: обикновено към всмукателната страна.
- Балансиране: Балансиращите отвори, задните лопатки или противоположните работни колела намаляват нетната тяга
В турбините
- Потокът от пара или газ създава аксиално налягане върху лопатките — част от аеродинамични сили действаща върху ротора.
- Силът на тягата нараства с увеличаване на мощността.
- Може да обърне посоката си по време на стартиране или промени в натоварването
- За да се неутрализира този ефект, се използват фалшиви бутала или балансиращи бутала.
В скоростните кутии
- Спираловидните зъбни колела създават аксиално налягане, пропорционално на предаваната въртяща сила.
- Коничните зъбни колела създават компоненти на аксиалната сила.
- Посоката на тягата зависи от посоката на зъбната предавка (посоката на ъгъла на спиралата).
Други източници
- Магнитно привличане: в електродвигателите, магнитен дисбаланс създава аксиални сили.
- Пропелери и вентилатори: аеродинамична тяга, получена при ускоряване на работната течност.
- Belt drives: Наклонените ремъци създават компоненти на аксиалната сила.
- Несъответствие: ъглов несъответствие в съединителите се генерират колебателни аксиални сили.
6. Проблеми и диагностика на упорни лагери
Чести причини за повреди
- Претоварване: тягата превишава номиналния капацитет на лагера — често защото процесно нарушение или износена балансираща устройство позволяват нетната аксиална сила да превиши проектната мощност.
- Недостатъчно смазване: недостатъчния масленост или мазнина лишава контакта, позволяващи масленият филм да се срине и повърхностите да се докосат.
- Замърсяване: частици в маслото задраскват и повреждат упорните повърхности.
- Износване и уморен материал: повърхностно разрушение от абразия или циклично натоварване, варирано от хлъзгане through to лющене на бабита или пътеката на лагера.
- Несъответствие: воротник за осева сила, който не е перпендикулярен на оста на вала, натоварва подложките неравномерно и прегрява едната страна.
- Електрическа ерозия: токове на вала, преминаващи през масляния слой, образуват ямки на повърхностите на лагера, растящ проблем на машини с преобразувател на честотата.
- Прегряване: крайният резултат на повечето от горепосочените — чрезмерно триене или недостатъчно охлаждане, което смекчава бабита и разрушава подложките.
Резервът при избора на размер за тези режими може да се провери количествено. Когато лагерът е подложен както на радиално, така и на аксиално натоварване, калкулатор за динамично натоварване, еквивалентно на лагера ги обединява в една стойност, а калкулатор за статичен коефициент на безопасност предпазва от образуване на вдлъбнатини при натоварване в покой, а Калкулатор за експлоатационен срок на лагери L10 оценява очаквания експлоатационен срок.
Вибрация и симптоми при измерване на осевата позиция
- Силни аксиални вибрации: първичен индикатор на проблем с осевия лагер, обикновено най-добре видим в аксиална посока отколкото в радиалната посока.
- Нарастваща осева позиция: на машини с флуидна подложка, дрейфът на вала към своя лимит с износването на подложките е преки показател на загублата на лагера.
- Нискочестотни колебания: валът се движи свободно в надлъжна посока в рамките на своя ход.
- Въздействие: ако осевият клиранс е прекалено голям, валът удря спирите си, произвеждайки остри пикове в вибрация сигнал.
- Измерване: аксиален сонди за близост или акселерометри разкриват тези симптоми.
Други показатели
- Повишение на температурата: осевият лагер работи горещ — често първи симптом на флуидна подложка на лагера.
- Шум: необичайни шумове от мястото на лагера на тягата.
- Axial play: измеримо преместване на вала в аксиална посока.
- Качество на маслото: появата на метални частици в смазочното средство.
7. Измерване на здравето на осевия лагер на място
При сглобени машини състоянието на упорните лагери се оценява въз основа на аксиални измервания, извършени на място, а не на изпитателен стенд. Преносим двуканален анализатор, като например Балансет-1а позволява на инженер да записа амплитуда на осева вибрация и фаза на осевия край, да я сравни срещу радиалните отчети, и да отдели истински дистрес на осевия лагер от осева вибрация, която несъответствие или изкривен вал могат да произведат — всичко без спиране на производството за разглобяване. Защото един и същия инструмент заснема по-широката вибрация картина и може да балансира ротора в неговите собствени лагери веднага дисбаланс е потвърдено, което свързва отчета на тягата обратно с цялостното състояние на машината.
8. Мониторинг и поддържане
Критични параметри за мониторинг
- Аксиални вибрации: измерени непрекъснато или периодично по маршрут като част от мониторинг на вибрациите programme.
- Аксиална позиция: сензори за близост проследяващи осевата позиция на вала спрямо упорния лагер.
- Температура на лагера: Мониторинг чрез RTD или термодвойка, често най-ранният сигнал за неизправност (вж. температурни датчици).
- Дебит и налягане на маслото: при течнинни упорни лагери загубата на захранване е условие за незабавна аларма.
Практики за поддръжка
- Проверете достатъчна смазка на упорния лагер и маслено захранване.
- При основен ремонт проверявайте аксиалните зазори.
- Проверете повърхностите на натиска за износване or damage.
- Когато е възможно, измервайте действителните тягови натоварвания с помощта на тензодатчици или тензодатчици.
- Следете температурата и данните за вибрации и потвърдете резултатите с подробна анализ на вибрациите, as part of a мониторинг на състоянието programme.
Аксиалните лагери често остават на заден план в сравнение с радиалните лагери, но въпреки това са от решаващо значение за контролирането на аксиалното положение и понасянето на аксиалното натоварване във въртящите се машини. Познаването на наличните типове, източниците на аксиално натоварване и начините на повреда позволява правилния избор на лагери, ефективното им наблюдение и навременната поддръжка — като по този начин се предотвратяват повреди, които водят до контакт между ротора и статора и до разрушаване на машината.
9. Често задавани въпроси
Какво прави упорният лагер?
Упорният лагер поддържа осева натоварване — сила, действаща успоредно на вала — и фиксира осевата позиция на ротора. Той абсорбира нетната тяга, която процесът създава (тяга на импелер, тяга на лопатка, тяга на винт) и предотвратява вала да се отдалечи в неподвижните части.
Каква е разликата между упорния лагер и радиалния лагер?
Посока на натоварването. Радиалният лагер поддържа натоварване перпендикулярно на вала (теглото и страничните сили на ротора); упорният лагер поддържа натоварване успоредно на вала (осевата тяга). Повечето машини използват и двата, а няколко комбинирани типа, като лагери с ъглов контакт или конични ролкови лагери, изпълняват и двете функции наведнъж.
Какви са основните типове упорни лагери?
Два семейства. Типове с подвижни елементи — топковидни, цилиндрични ролкови, конични ролкови, сферични ролкови и с ъглов контакт — подходящи за умерени натоварвания и обща техника. Течнинни типове — наклонени накладки (Kingsbury) и неподвижни накладки с конични гребени — носят ротора на маслена тънка слойка и вземат на себе си много високите натоварвания на големи турбини, компресори и вертикални машини.
Защо вертикалните машини се нуждаят от специален упорен лагер?
При вертикален вал упорният лагер поддържа не само осевата сила на процеса, но и цялото статично тегло на ротора, което действа право по оста на вала. Това е причината вертикалните помпи и хидрогенератори да използват големи течнинни упорни лагери, оразмерени за комбинираното натоварване.
Как се открива неуспешен упорен лагер?
Най-ясните признаци са растяща осева вибрация, отместване в измерената осева позиция на вала и повишение на температурата на лагера. Осевите датчици за близост, акселерометри и температурни датчици се следят във времето и преносим анализатор може да потвърди диагнозата на работещата машина.
Какво причинява отказ на упорни лагери?
Претоварване над номиналния капацитет, отказ на смазката, замърсяване на маслото, повърхностна умора (ямки и отслаивания), неправилно подравняване на упорния хомут и електрическа ерозия от токове на вала. Прегряване обикновено е обичайния край, който унищожава лагера.
