Laagrite mõistmine
A liuglaagri — mida nimetatakse ka liuglaagriks, hülsslaagriks või vedelikukilelaagriks — toetab pöörlevat võlli õhukese, rõhu all oleva määrdekilega, mitte veeremiselementidega. Võlli pöörlev osa laagri sees on ajakiri; see hoitakse paigalseisvast laagripinnast eemal hüdrodünaamilise õlikile abil, mille tekitab võll ise, tõmmates määrdeainet kokku jooksvasse kiilukujulisse pilusse. See rõhu all olev kiil kannab kogu rootor koormus ilma metallidevahelise kokkupuuteta. Kuna õlikile tagab ka piisava summutamine, liuglaagrid on loomulik valik kiiretel ja suure koormusega masinatel – turbiinidel, generaatoritel, suurtel kompressoritel –, kus on vaja reguleerida vibratsioon ja rootori stabiliseerimine on kõige olulisem.
1. Mõiste: Mis on liuglaager?
Liuglaagris ei puutu võll töökäigul laagriga kokku. Selle asemel liigub võll kergelt nihkes, vaid mõnekümne mikromeetri paksusel määrdeainekihil. Just see eristabki seda veerelaagrist, mis kannab koormust Hertzi-kontaktis olevate kuulide või rullide abil. Liuglaagri tugevused tulenevad otseselt õlikilest: väga suur koormusvõime, äärmiselt madal hõõrdumine, kui kilet on tekkinud, vaikus töötamisel ja summutamine, mis võimaldab suurtel rootoritel töötada sujuvalt läbi ja üle nende kriitilised kiirused. Võlli ja selle laagrite koosmõju uuritakse kui rootori-laagri süsteem, sest kumbagi neist ei saa eraldi vaadelda.
2. Tööpõhimõte: hüdrodünaamiline määrimine
Kuidas õlifilm moodustub
Liuglaager toimib hüdrodünaamilise määrimise põhimõttel, mis areneb etteaimatavas järjekorras, kui võll saavutab töökäigu:
- Esmane kontakt: Puhkeasendis toetub võll omaenda raskuse mõjul ava põhja, nii et metall puutub kokku metalliga.
- Pöörlemine algab: kui võll hakkab pöörlema, tõmbab hõõrdumine määrdeaine vahekohta.
- Kiilukujuline struktuur: Võlli ja ava kokkujooksev geomeetria surub selle õli kiilukujulisse ruumi.
- Rõhu tekitamine: kitsenevasse kiilu surutud õli tekitab hüdrodünaamilist survet.
- Tõusmine: Kui see surujõud ületab võlli kaalu, tõuseb võllikael vabaks ja liigub täieliku õlikile peal.
- Stabiilne seisund: võll ujub rõhu all oleva kilel, leides tasakaalupositsiooni, mis on nihutatud ava keskpunktist eemale, ilma et metallid omavahel kokku puutuksid.
Laagritapi asend – selle eksentrilisus vabaruumis – ei ole kindlaks määratud. See muutub koormuse ja kiiruse muutudes ning see muutuv tasakaal on allpool kirjeldatud laagri keeruka dünaamilise käitumise põhjuseks.
Õlifilmi paksus
- Tüüpiline kile miinimumkõrgus on 10-100 mikromeetrit (0,0004–0,004 tolli) — äärmiselt õhuke, kuid piisav, et pindasid eraldada.
- Kilepaksus ei ole ühtlane: see varieerub ümbermõõdu ulatuses, saavutades minimaalse paksuse telje ja ava lähimast kokkupuutepunktist.
- Paksus sõltub kiirusest, koormusest, määrdeaine viskoossusest ja laagri kliirens — kui suurendada kiirust või viskoossust, muutub kile paksemaks; kui suurendada koormust, muutub see õhemaks.
- Kuna õli viskoossus väheneb soojenemisel, sõltub õlikile paksus ka töötemperatuurist, mistõttu jälgitakse suurte masinate puhul õli sissetuleva temperatuuri.
3. Liuglaagrite tüübid
Tavaline silindriline (täisvõll)
- Kõige lihtsam konstruktsioon: silinderkujuline ava, millel on õlitoitekanal ja täis 360° ümbritsev nurk.
- Hea kandevõime, kuid sümmeetriline kile muudab selle ebastabiilseks — õli keeris — suurel kiirusel ja kerge koormuse juures.
- Levinud mootorites, pumpades ja üldistes tööstusseadmetes, kus pöörlemiskiirus on mõõdukas.
Osalise kaarega laagrid
- Toetuspind hõlmab vaid osa ümbermõõdust, tavaliselt 120–180°.
- Kergem ja nõuab vähem õlivoolu, kuid pakub väiksemat jäikust kui täislaager.
- Sobib kergelt koormatud rakendustele, kus koormuse suund on selgelt määratletud.
Kallutatavad laagrid
- Pind on jagatud mitmeks eraldiseisvaks plaadiks, millest igaüks saab vabalt pöörata.
- Iga padja ümber tekib oma hüdrodünaamiline kiil, mis summutab õlipööriseid tekitavat ristseost.
- Need on loomult pöörlemis- ja piitsutamisvastased ning kujutavad endast tööstusstandardit kiirpöörlevate turbiinmasinate valdkonnas.
- Kallim ja keerulisem, kuid märkimisväärselt paremate dünaamiliste omadustega.
Surve- ja nihkelagrid
- Muudetud silindrilised laagrid, millele on stabiilsuse parandamiseks lisatud geomeetrilised elemendid – sooned, astmeline „tamm” või nihutatud (lemon-bore) lõhe.
- Need elemendid koormavad filmi tahtlikult, et suurendada efektiivset summutust.
- Need on praktiline kompromiss lihtsa silindrilise laagri ja kuluka kallutatava padja konstruktsiooni vahel.
Kui isegi kallutatava padjaga laagri abil ei ole võimalik paindlikule rootorile piisavat summutust tagada, võivad konstruktorid lisada survekile-summuti järjestikku laagriga, et hajutada lisanduvat energiat.
4. Dünaamilised omadused
Jäikus
Laagrite jäikus ei ole üksainus arv, vaid kiirusest ja koormusest sõltuvate koefitsientide kogum:
- Madal kiirus: madal jäikus — laagritapi asend muutub koormuse muutudes märkimisväärselt.
- Suur kiirus: suurem jäikus, kui hüdrodünaamiline rõhuväli on täielikult välja kujunenud.
- Suunamuutus: jäikus on horisontaalsuunas ja vertikaalsuunas erinev, mistõttu laagri reaktsioon on anisotroopne.
- Ristisidestusjäikus: ühe suuna kõrvalekalle tekitab sellega risti asetseva jõu. Just see ristseos ongi mehhanism, mis suudab pöörlevasse orbiiti energiat suunata ja vallandada rootori ebastabiilsus.
Summutus
Selle kile suurim eelis on summutus:
- Energia hajub õli viskoosse nihkumise tagajärjel, kui laagritapp liigub vahekauguses.
- Summutamine suureneb kiiruse ja õli viskoossuse kasvades.
- See on see, mis piirab vibratsiooni amplituudi, kui rootor läbib kriitiline kiirus.
- Piisav summutamine on hädavajalik, et vältida isepõhjustatud ebastabiilsuste piiramatut suurenemist.
Kiiruse sõltuvus
Kuna nii jäikus kui ka summutamine muutuvad kiiruse muutudes, muutub ka kõik, mis neist sõltub:
- Jäikus suureneb kiiruse kasvades.
- Summutamine suureneb kiiruse kasvades.
- Süsteemi omasagedused tõusma kiiresti.
- Seega nihkuvad kriitilised kiirused masina kiirendamisel ülespoole – see efekt on nähtav Campbelli diagramm.
5. Eelised ja piirangud
Õlikile on põhjuseks nii liuglaagri silmapaistvatele eelistele kui ka selle eritingimustele.
- Suur kandevõime: suudab kanda väga raskeid rootoreid, mis purustaksid veerelaagri.
- Kiiruse võime: sobib kiirustele kuni 50 000 p/min ja rohkem.
- Väike hõõrdumine suurel kiirusel: Kui hüdrodünaamiline kile on tekkinud, on hõõrdetegur väga madal (umbes 0,001–0,003).
- Suurepärane summutamine: vähendab vibratsiooni kriitiliste pöörlemiskiiruste juures ja aitab rootorit stabiliseerida.
- Vaikne töö: Kui veeremiselemente ei ole, ei teki ka veeremiselementidest tulenevat müra.
- Löögikindlus: õlikile summutab hetkelisi ja löökkoormusi.
- Pikk eluiga: Kuna töötamise ajal puudub metallide kokkupuude, on kulumine minimaalne ja seadme kasutusiga võib ulatuda kümnetesse aastatesse.
- Lihtne põhiline disain: Tavaline silindriline mudel on konstruktsioonilt lihtne ja ökonoomne.
Nendega vastanduvad praktilised väljakutsed:
- Suur alghõõrdumine: kuna kile puudub seisuolekus, peab masin iga käivitamise korral ületama paigaltvõtumomendi ja lühiajalise piirmäärimise kulumise.
- Nõutav määrdesüsteem: puhas, jahe ja õige rõhuga õli pidev varustamine on kohustuslik; laagrite määrimine ei ole valikuline, vaid disaini keskne osa.
- Pöörlemis- ja peksmisrisk: tavalised silindrilised laagrid on tundlikud õli keerlemise suhtes ning kriitilise pöörlemiskiiruse lähedal ka võlli piits.
- Väiksem jäikus madalatel pöörlemiskiirustel: painduv kile muudab laagri madalatel pöörlemiskiirustel veerelaagrist pehmemaks, aeglustades selle reaktsiooni.
- Temperatuuri tundlikkus: talitlus sõltub õli temperatuurist selle mõju kaudu viskoossusele.
- Saastumisele tundlikkus: kõvad osakesed võivad pehme babbitti pinda kriimustada või õlikanaleid ummistada.
- Teljelist fikseerimist ei ole: liuglaager hoiab võlli paigas ainult radiaalsuunas; telgsuunaliste koormuste jaoks on vaja eraldi tõukelaager.
6. Kui kasutatakse liuglaagreid
Liuglaagrid on standardlahenduseks kõikjal, kus rootorid on suured, kiired või mõlemad:
- Auru- ja gaasiturbiinid: mitme megavati võimsusega elektritootmisüksused.
- Suured generaatorid: sünkroongeneraatorid elektrijaamades.
- Tsentrifugaalkompressorid: kiiresti töötavad ja suure koormusega tööstusmasinad.
- Suured elektrimootorid: neid kasutatakse sageli mootorites, mille võimsus on umbes 500 hj või rohkem.
- Laevamootorid: propellerivõlli ja ahtritoru laagrid.
- Paberimasinad: suured rullid, mis kannavad pabeririba.
- Sisepõlemismootorid: väntvõlli põhi- ja kepsulaagrid.
7. Seos rootori dünaamika ja väljatasakaalustamisega
Kuna nende jäikus ja summutamisvõime mõjutavad oluliselt rootori käitumist, on laagrid rootori dünaamika:
- Kriitilise kiiruse määramine: laagri jäikus ja summutus määravad, kus kriitilised pöörlemiskiirused tekivad ja kui suured on seal vibratsiooni tippväärtused.
- Stabiilsus: Laagritüüp määrab suures osas vastuvõtlikkuse õlikeerisele ja võlli piitsutamisele; nende tekitatavaid iseloomulikke subsünkroonseid sagedusi on võimalik hinnata spetsiaalse laagrite defektide esinemissageduse kalkulaator.
- Sageduskaart: Campbell’i diagramm näitab, kuidas omavõnkesagedused muutuvad kiiruse suurenemisel, kui laagri jäikus muutub.
- Tasakaalustav vastus: laagrite omadused määravad mõjukoefitsiendid mis määravad, kuidas rootor reageerib korrigeerivale raskusele.
Just see viimane punkt ongi koht, kus laagri hooldus põimub igapäevase hooldusega. Kui laagril töötav turbiin või kompressor näitab kõrgenenud 1× tasakaalustamatus reageerimisel püsib see töökäigul paigal, oma laagrites. Selline kaasaskantav kahekanaliline analüsaator nagu Balanset-1A mõõdab sünkroonset amplituudi ja faas iga laagri puhul arvutab katsetuse põhjal välja rootori mõjukoefitsiendid ja vajalikud korrigeerimiskoefitsiendid, kajastades kokkupandud rootori-laagri süsteemi tegelikku käitumist, sealhulgas ka õhukese õlikile jäikust ja summutust, mida tasakaalustusseade kunagi ei suudaks jäljendada. Tulemus, mis on kontrollitud vastavalt asjakohasele ISO 21940-11 tasakaalustuskategooriale, peegeldab seadme tegelikku käitumist töös.
Liuglaagrid on väljakujunenud ja arenenud tehnoloogia, mis on endiselt asendamatu kriitilise tähtsusega suure jõudlusega masinates. Nende kandevõime, kiiruse taluvuse ja summutamisvõime ainulaadne kombinatsioon õigustab nende määrimise ja dünaamilise käitumise keerukust, ning selle käitumise põhjalik mõistmine on hädavajalik kõigile, kes tegelevad suurte pöörlevate seadmete diagnostika või tasakaalustamisega.
