Tõukejõu laagrite mõistmine
A tõukelaager (mida nimetatakse ka teljeliseks laagriks) on spetsiaalne laager, mis on mõeldud telje teljega paralleelselt mõjuvate koormuste – teljeliste või tõukekoormuste – kandmiseks ning rootor. Erinevalt radiaalsest liuglaagri, mis talub võlli suhtes risti suunatud koormusi, on tõukelaagril võlli teljega risti asetsevad kontaktpinnad, mistõttu suudab see vastu seista jõududele, mis püüavad võlli mõlemas suunas nihutada. Radiaal- ja tõukelaagrid moodustavad koos tervikliku rootori-laagri süsteem.
Tõukelaagrid on hädavajalikud kõikjal, kus esinevad telgsuunalised jõud – pumbad, kompressorid, turbiinid, propellerivõllid ja vertikaalselt paigaldatud seadmed. Tõukelaagri rike või ebapiisav kandevõime põhjustab liigset aksiaalne vibratsioon, võlli lõtk ning potentsiaalselt katastroofilised kahjustused, kui rootor puutub kokku paikseadmetega.
1. Tõukelaager vs radiaallaager: mis vahe neil on?
Kõige selgem viis tõukelaagri mõistmiseks on võrrelda seda radiaallaagriga, millega see koos töötab. Mõlemad määratletakse suund nende kandevõimeks ettenähtud koormuse suuna järgi, mitte suuruse ega konstruktsiooni järgi.
- Radiaallaager (näiteks liuglaagri) kannab koormust risti võlliga risti — rootori kaal ja kõik radiaalsed jõud tasakaalustamatus. Selle koormust kandvad pinnad on silindrilised ja ümbritsevad võlli.
- Tõukelaager kannab koormust paralleelselt võlli suunas — aksiaalne surve piki keskjoont. Selle koormust kandvad pinnad on lamedad (või kujundatud) pinnad, mis paiknevad võlli suhtes täisnurga all ja toetuvad rootori krae või õla vastu.
Tüüpiline masin vajab mõlemat: kaks radiaallaagrit fikseerivad võlli külgsuunas ja toetavad selle kaalu, samal ajal kui üks tõukelaager määrab rootori aksiaalse asendi ja võtab vastu kogu aksiaalse jõu. Mõnes konstruktsioonis ühendatakse need kaks ülesannet — nurkkontaktiga või koonusrullikuulik laager kannab samaaegselt radiaalset ja aksiaalset koormust — kuid suurtes turbomasinates on tõukelaager peaaegu alati eraldi komponent, mis on radiaallaagritest lahus, sest aksiaalsed jõud on jagamiseks liiga suured.
2. Aksiaallaagrade tüübid
Aksiaalaagrid jagunevad kahte suurde perekonda: veerev-elemendi tüübid, mis kannavad koormust kuulide või rullikute kaudu, ning vedela-kile tüübid, mis lasevad rootori ujuda rõhustatud õlikihil. Valik nende vahel sõltub peamiselt koormusest, kiirusest ja masina suurusest.
Rull-tõukelaagrid
Need kannavad tõukejõudu kuulide või rullide kaudu ja on levinud mõõduka koormusega üldmasinates. Nende seisukorda saab jälgida sama veereelementide defekt radiaallagrite puhul kasutatavad märgistused.
- Kuullaagrid: kuulid liiguvad siledate või soonitud tõukepesade vahel. Mõõdukas koormusvõime, keskmine kuni suur pöörlemiskiirus, hea telgpositsioneerimise täpsus. Kasutatakse tööpinkides, autode käigukastides ja muudes mõõduka tõukejõuga rakendustes.
- Silindrilised tõukelaagrid: Tõukepesade vahel asuvad rullid tagavad tänu joonkontaktile, mitte punktkontaktile, väga suure koormusvõime, kuid seda vaid madalal ja keskmisel pöörlemiskiirusel. Neid kasutatakse rasketehnikas, vertikaalpumpades ja kraanahaakides.
- Koonusrull-tõukelaagrid: koonusrullikud tagavad tõelise veerevliikumise, mis sobib kombineeritud ja suure aksiaalkoormusega rakendusteks. Üks laager kannab nii radiaalseid kui aksiaalseid koormusi ning eelpinge on reguleeritav vaheplaatidega. Levinud autode rattanavades, käigukastides ja kombineeritud koormusega rakendustes.
- Sfäärilised rull-tõukelaagrid: tünnkujulised rullikud ja kõverjooneline rajang taluvad väga suurt aksiaalset koormust, võimaldades samal ajal vääntlõõksu kompenseerimist — kasulik pikkadel, kergelt painduvatel võllidel raskustööstuses.
- Nurk-kuullaagrid: kuulide kokkupuutepunkt on paigutatud nurga all, mistõttu laagrid kannavad nii radiaalset kui ka telgsuunalist koormust; paigaldatakse sageli paaridena (selg-selga või näoga vastamisi). Sobivad suure kiiruse jaoks; kasutatakse tööpinkide spindlites ja kiirpumbades.
Vedelikukile tõukelaagrid
Need lasevad rootori ujuda hüdrodünaamiliselt õlikihil ning domineerivad suurtes, suure võimsusega masinates. Normaalse töö käigus puudub metall-metall kontakt, mistõttu on neil peaaegu piiramatu eluiga ja suurepärane summutus, kuid need nõuavad pideva rõhu all oleva õlivarustuse olemasolu.
- Kallutatavate patjadega tõukelaagrid (tuntud ka kui Kingsbury või Michell laagrid leiutajate järgi): mitu pöörduvat padja kallutab, moodustades lähendava õlikiilu, mis tõstab tõukekrae patjadest lahti. Kandvõime ulatub suurtes turbiinides megavattideni, kiirus on praktiliselt piiramatu (kasutatakse kuni 30 000+ rpm juures) ja summutus on suurepärane. Leidub auruturbiinides, gaasiturbiinides, suurtes kompressorites ja generaatorites.
- Fikseeritud padjaga (kõverate servadega) tõukelaagrid: statsionaarsed padjad, millele on freesitud kaldpind, tekitavad õlikiilu ilma liikuvate pöördpunktideta. Suur kandvõime, lihtne ja töökindel ilma liikuvate osadeta, kuid vähem talub koormuse ümberpöördumist kui kaldpadjad. Kasutatakse vertikaalsetel pumpades ja hüdroturbiinides.
3. Kus aksiaalaagrid töötavad: rakendused
Iga masin, mille rootor kogeb netosurvet piki oma telge, vajab aksiaallaagrit selle jõu absorbeerimiseks ja rootori paigal hoidmiseks. Kõige levinumad rakendused on:
- Tsentrifugaalpumbad ja kompressorid: iga juuksiku rõhutõus tekitab suure aksiaalse jõu imemiskülje suunas, mida aksiaallaager peab kandma.
- Auru-, gaasi- ja hüdroturbiinid: tööfluid surub aksiaalselt labastike ridadele; aksiaallaager — tavaliselt kaldpadja tüüpi — hoiab rootori selle jõu vastu ja tihendusvahede ning labaotsade tihedate vahekauguste juures.
- Merelise ajamise tõukejõud (laeva ja paadi aksiaalaagrid): propelleri’ tõukejõud liigutab kogu laeva edasi läbi propellerivõlli ning tugev merenduse aksiaallaager edastab selle tõukejõu võllist kere külge. See on üks nõudlikumaid aksiaallaagrile esitatavaid ülesandeid inseneritöös.
- Generaatorid ja elektrimootorid: vertikaalsetel masinatel kannab aksiaallaager lisaks rootori omakaalust tulenevat raskust ning kõigil masinatel seisab vastu aksiaalsele magnetiline tõmbejõud.
- Käigukastid: spiraalhammastikud ja koonushammastikud tekitavad aksiaalseid reaktsioonijõude, mida võlli aksiaalaagrid peavad absorbeerima.
- Tööpinkide spindlid, autode ajamissüsteemid ja kraanad: väiksemad veerev-elemendi aksiaalaagrid paiknevad võlli ning kannavad mõõdukaid aksiaalseid koormusi.
4. Aksiaalaagrid vertikaalsetel võllidel
Vertikaalsed masinad — vertikaalsed pumbad, hüdrogeneraatorid, suured vertikaalsed mootorid — esitavad aksiaallaagrile erinõudeid, kuna see peab kandma mitte ainult protsessi aksiaalset jõudu, vaid ka pöörduva koostiku täielikku staatilist kaalu, mis suure hüdrogeneraatori puhul võib ulatuda sadade tonnideni. Horisontaalsel masinal kannavad radiaallaagreid seda kaalu; vertikaalselt masinal toimib raskusjõud otse pöörlemistelge mööda ja langeb täpselt aksiaallaagrile.
Seetõttu kasutavad vertikaalsed masinad peaaegu alati suurt vedelfiltri aksiaallaagreid — tavaliselt kaldpatjaga konstruktsiooni —, mis on mõõdistatud kombineeritud kaalu ja protsesskoormuse jaoks ning paigaldatud võlli üla- või alaotsa. Laagri õlikile ja jahutus peavad olema projekteeritud pidevaks täiskoormusel töötamiseks ning selle temperatuur ja aksiaalne asend on kogu masina kõige tähelepanelikumalt jälgitavate parameetrite hulgas, kuna vertikaalse võlliga aksiaallaagri rike laseb rootori ilma mingit taastamisruumi andmata staatoripositsiooni kukkuda.
5. Aksiaalkoormus allikad
Pumpades ja kompressorites
- Turbinilabade hüdrauliline tõukejõud: tiiviku mõlemal pool valitsev rõhuerinevus tekitab neto-teljele suunatud jõu, mis on üks peamisi hüdraulilised jõud pumbas.
- Suurusjärk: see võib ulatuda tuhandete naeladeni isegi keskmise suurusega pumba puhul.
- Suund: tavaliselt imupoolele.
- Tasakaalustamine: Tasakaalustusavad, tagalabad või vastandlikud tiivikud vähendavad netojõudu
Turbiinides
- Auru- või gaasivool tekitab labadele teljele suunatud survet — see on osa aerodünaamilised jõud mis mõjutab rootorit.
- Tõukejõu suurus suureneb võimsuse kasvades.
- Võib käivitamisel või koormuse muutumisel suunda muuta
- Selle vastu võitlemiseks kasutatakse tühikkolbe või tasakaalustuskolbe.
Käigukastides
- Spiraalsed hammasrattad tekitavad edastatava pöördemomendiga proportsionaalset teljetõukejõudu.
- Koonilised hammasrattad tekitavad teljele suunatud jõukomponente.
- Tõukejõu suund sõltub hammaste suunast (spiraalinurga suunast).
Muud allikad
- Magnetiline tõmme: elektrimootorites, magnetiline tasakaalutus tekitab telgijõude.
- Propellerid ja ventilaatorid: töövooliku kiirendamisest tulenev aerodünaamiline tõukejõud.
- Rihmülekanded: nurga all asetsevad rihmad tekitavad teljele suunatud jõukomponente.
- Joondusviga: nurgeline joondusviga ühendustes tekitab võnkuvaid teljele suunatud jõude.
6. Aksiaallaagri probleemid ja diagnostika
Tavalised rikkeviisid
- Ülekoormus: tõukejõud ületab laagri’ nimikoormusvõimsuse — sageli seetõttu, et protsessihäire või kulunud tasakaalustusseade laseb netaksiaalsel jõul kasvada üle projekteerimispiiri.
- Ebapiisav määrimine: ebapiisav õlivool või määrdeaine nälg põhjustab kontaktis õlikile kokkuvarisemise ja pindade kokkupuute.
- Saastumine: osakesed õlis kriimustuvad ja kahjustavad aksiaalse laagri pindu.
- Kulumine ja väsimus: pinna halvenemine abrasiivse kulumise või tsüklilise koormuse tõttu, alates aukude tekitamine läbi kuni killumine babitti või rajapinna pinnalt.
- Joondusviga: aksiaallaagri krae, mis ei ole võlli suhtes täisnurgaline, koormab patju ebaühtlaselt ja ülekuumendab ühte poolt.
- Elektriline erosioon: läbi õlikile kulgevad voolud söövitavad laagri pindu, mis on muutumas üha suuremaks probleemiks muutuvsagedusajamiga masinatel.
- Ülekuumenemine: enamiku eelnimetatu lõpptulemus — liigne hõõrdumine või ebapiisav jahutus, mis pehmendab babitti ja kustutab patjad.
Nende režiimide suhtes jäävat varu saab kvantitatiivselt kontrollida. Kui laagrit mõjutavad nii radiaal- kui ka telgkoormus, siis laagrite ekvivalentset dünaamilist koormust arvutav kalkulaator ühendab need üheks väärtuseks, see staatilise ohutusteguri kalkulaator kaitseb seisva tõukejõu korral brinellingu tekkimise eest ning L10 laagri kasutusaja kalkulaator prognoosib eeldatavat kasutusiga.
Vibratsiooni ja aksiaalse mõõtmise sümptomid
- Suur telgvibratsioon: aksiaallaagri probleemi esmane indikaator, tavaliselt kõige paremini nähtav aksiaalne suund mitte radiaalset.
- Tõusev aksiaalasend: vedelfiltri masinatel on patjade kulumise tõttu nihkuv võll oma piirnormi suunas otsene laagri kulumise mõõt.
- Madalsageduslik võnkumine: võll liigub teljeliselt oma liikumisvaru piires.
- Löögid: kui aksiaalne mänguruum on liigne, põrkub võll oma peatustesse, tekitades teravaid tippe vibratsioon signaal.
- Mõõtmine: aksiaalne lähedusandurid või kiirendusmõõturid paljastavad need sümptomid.
Muud näitajad
- Temperatuuri tõus: survelaagrile kuumeneb — sageli on see vedelkile laagri kõige esimene sümptom.
- Müra: ebatavalised helid tõukelaagri piirkonnast.
- Aksiaalluue: telje mõõdetav liikumine telje suunas.
- Õli kvaliteet: määrdeaines esinevad metallosakesed.
7. Survelaagri seisukorra mõõtmine välikeskkonnas
Kokkupandud masinatel hinnatakse tõukelaagri seisukorda pigem kohapeal tehtud teljemõõtmiste põhjal kui katsestendil. Näiteks selline kaasaskantav kahekanaliline analüsaator nagu Balanset-1A võimaldab inseneril registreerida aksiaalkehiku amplituudi ja faas surveotsas, võrrelda seda radiaalsete näitudega ning eristada tegelikku survelaagri häiret aksiaalsest vibratsioonist, mida joondusviga või kõver võll samuti põhjustada võib — kõik see ilma tootmist lammutustööks peatamata. Kuna sama instrument talletab laiema vibratsioon pildi ja suudab rootori tasakaalustada selle enda laagrites, kui tasakaalustamatus on kinnitust leidnud, seob see survemõõtmise tulemuse masina üldise seisukorraga.
8. Seire ja hooldus
Kriitilised jälgimisparameetrid
- Teljevibratsioon: mõõdetakse pidevalt või perioodilise marsruudi raames osana vibratsiooni jälgimine programm.
- Aksiaalne asend: lähendusandurid, mis jälgivad võlli aksiaalset asendit survelaagri suhtes.
- Tõukelaagri temperatuur: RTD- või termopaari seire, mis on sageli esimene märk häireolukorrast (vt temperatuuriandurid).
- Õlivool ja rõhk: vedelkile survelaagrite puhul on tarnekatkestus viivitamatu häireolek.
Hooldustavad
- Kontrollige survelaagri piisavat määrimist ja õlivarustust.
- Kontrollige kapitaalremondi käigus teljelisi vahekaugusi.
- Kontrollige tõukepindu kandma või kahjustuseni.
- Mõõtke võimaluse korral tegelikke tõukejõukoormusi, kasutades selleks pingemõõtureid või koormusandureid.
- Jälgige temperatuuri ja vibratsiooni andmete trendi ning kinnitage leide üksikasjaliku vibratsioonianalüüs, osana seisundi jälgimine programm.
Tõukelaagrid pälvivad sageli vähem tähelepanu kui radiaallaagrid, kuid need on pöörlevates masinates teljeasendi reguleerimisel ja teljekoormuse kandmisel äärmiselt olulised. Olemasolevate tüüpide, tõukejõu tekkepõhjuste ja rikkeviiside mõistmine võimaldab valida sobiva laagri, tagada tõhusa seire ja teha õigeaegset hooldust – ennetades seeläbi selliseid rikkeid, mis lõppevad rootori ja staatori kokkupuutumisega ning masina hävimisega.
9. Korduma kippuvad küsimused
Mis ülesanne on surveLaagril?
Survelaagrile laetakse aksiaalkoormus — jõud, mis toimib võlliga paralleelselt — ning see fikseerib rootori aksiaalasukoha. See neelab netisurve, mille protsess tekitab (tiivikulõrv, laba lõrv, propelleri lõrv), ja takistab võlli nihkumist statsionaarsete osade suunas.
Mis vahe on surveLaagril ja radiaallaagreil?
Koormuse suund. Radiaallaagrile laetakse koormus risti võlliga (rootori kaal ja külgjõud); surveLaagrile laetakse koormus paralleelselt võlliga (aksiaalne tõukejõud). Enamik masinaid kasutab mõlemat ning mõned kombineeritud koormustüübid, nagu nurgkontakt- või koonilised rullaagrid, täidavad mõlemat ülesannet korraga.
Millised on survelaagrite peamised tüübid?
Kaks perekonda. Veerelementide tüübid — kera-, silindriline rull-, koonus-rull-, sfäärilised rull- ja nurgkontaktaagrid — sobivad mõõdukatele koormustele ja üldmasinaehitusele. Vedelkile tüübid — kalduva padjaga (Kingsbury) ja fikseeritud padjaga koonilise maa-alaga — hõljutavad rootori õlikile peal ning taluvad suurte turbiinide, kompressorite ja vertikaalsete masinate väga kõrgeid koormusi.
Miks vajavad vertikaalsed masinad spetsiaalset aksiaallaagreid?
Vertikaalsel võllil kannab aksiaallager mitte ainult tehnoloogilist aksiaalset jõudu, vaid ka rootori täielikku staatilisi raskust, mis toimib otse mööda võlli telge. Seetõttu kasutatakse vertikaalsetes pumpades ja hüdrogeneraatorites suuri vedelikukile aksiaallagreid, mis on mõõdistatud kombineeritud koormuse jaoks.
Kuidas tuvastatakse riknev aksiaallager?
Kõige selgemad tunnused on kasvav aksiaalne vibratsioon, võlli mõõdetud aksiaalsete asendi nihe ja laagri temperatuuri tõus. Aksiaalse lähedusandureid, kiirendusandureid ja temperatuuriandurite näituseid jälgitakse aja jooksul ning kaasaskantav analüsaator saab diagnoosi kinnitada töötaval masinal.
Mis põhjustab aksiaallaagrite riknemise?
Ülekoormamine üle nimikkoormuse, määrimise rike, õli saastumine, pinnakurnatus (augud ja kihistumine), rõngasvõlli väärasetus ja elektrooniline erosioon võllüvooludest. Ülekuumenemine on tavaliselt ühine lõpp-punkt, mis hävitab laagri.
