Разбирање на аксијалните лежишта
A аксијален лежај (исто така наречен аксијален лежај) е специјализиран лежај наменет да прифаќа оптоварувања што дејствуваат паралелно со оската на вратилото — аксијални или потисни оптоварувања — и да ја контролира аксијалната положба на ротор. За разлика од радијален клизен лагер, кој прифаќа оптоварувања нормални на вратилото, потисниот лежај има контактни површини нормални на оската на вратилото, така што може да се спротивстави на силите што се обидуваат да го поместат вратилото во која било аксијална насока. Заедно, радијалниот и потисниот лежај го дефинираат целосниот систем ротор-лежиште.
Потисните лежаи се неопходни секаде каде што постојат аксијални сили — пумпи, компресори, турбини, пропелерски вратила и вертикално ориентирана опрема. Дефект или недоволен капацитет на потисниот лежај доведува до прекумерни аксијална вибрација, аксијален зазор на вратилото и потенцијално катастрофални оштетувања кога роторот ќе допре до неподвижните компоненти.
1. Потисен лежај наспроти радијален лежај: Која е разликата?
Најјасниот начин да се разбере потисниот лежај е да се спореди со радијалниот лежај со кој работи заедно. Двата се дефинираат според насоката на оптоварувањето што се изградени да го носат, а не според нивната големина или конструкција.
- Радијален лежај (како на пример клизен лагер) носи оптоварување нормално на вратилото — тежината на роторот и сите радијални сили од дебаланс. Неговите носечки површини се цилиндрични и го обвиткуваат вратилото.
- Потисен лежај носи оптоварување паралелно на вратилото — аксијалниот потисок долж централната оска. Неговите носечки површини се рамни (или обликувани) чела поставени под прав агол во однос на вратилото, кои налегнуваат на прстен или рамо на роторот.
Типична машина ги има потребни и двата: два радијални лежаи го позиционираат вратилото странично и ја поддржуваат неговата тежина, додека еден потисен лежај ја фиксира аксијалната положба на роторот и ја апсорбира нето аксијалната сила. Некои конструкции ги комбинираат двете функции — аголно-контактен или конусно-валјакаст лежај носи радијално и аксијално оптоварување истовремено — но кај големите турбомашини потисниот лежај речиси секогаш е посебна компонента, одвоена од радијалните лежаи, бидејќи аксијалните сили се преголеми за да се делат.
2. Видови потисни лежаи
Потисните лежаи се делат на две широки фамилии: типови со тркалачки елементи што го носат оптоварувањето преку топчиња или валјаци, и типови со флуиден филм што го носат роторот на филм од масло под притисок. Изборот меѓу нив главно зависи од оптоварувањето, брзината и големината на машината.
Потисни лежаи со тркалачки елементи
Тие го пренесуваат потисокот преку топчиња или валјаци и се вообичаени кај машините со умерено оптоварување за општа намена. Нивната состојба може да се следи преку истите дефекти на тркалачки елементи потписи што се користат за радијалните лежаи.
- Топчести потисни лежаи: топчестите елементи се движат меѓу рамни или изжлебени потисни подлошки. Умерен капацитет на оптоварување, средна до висока брзина, добра точност на аксијалното позиционирање. Се користат кај алатните машини, автомобилските трансмисии и други примени со умерен потисок.
- Цилиндрично-валјакасти потисни лежаи: валјаците меѓу потисните подлошки даваат многу висок капацитет преку линиски контакт наместо точкест контакт, но само при ниска до средна брзина. Се користат кај тешката механизација, вертикалните пумпи и куките на кранови.
- Конусно-валјакасти потисни лежаи: конусните валјаци даваат вистинско тркалачко дејство што одговара на комбинирани и високи аксијални оптоварувања. Еден лежај носи и радијални и аксијални оптоварувања, а преднапрегањето може да се прилагоди преку растојанието. Вообичаени кај главчините на автомобилските тркала, менувачите и ситуациите со комбинирано оптоварување.
- Сферично-валјакасти потисни лежаи: валјаците во форма на буре и заоблената патека на тркалање прифаќаат многу високо аксијално оптоварување, а истовремено толерираат несоосност на вратилото — корисни кај долгите, малку свиткани вратила во тешката индустрија.
- Аголно-контактни топчести лежаи: контактот на топчињата е поставен под агол, така што лежајот прифаќа и радијално и аксијално оптоварување, честопати монтиран во парови (грб-на-грб или чело-на-чело). Способен за високи брзини; се користи кај вретената на алатните машини и високобрзинските пумпи.
Аксијални лежишта со флуиден филм
Тие го носат роторот на хидродинамички маслен филм и доминираат кај големите машини со висока моќност. Без метал-на-метал контакт при нормална работа, тие нудат речиси неограничен век на траење и одлично придушување, но по цена на континуирано снабдување со масло под притисок.
- Потисни лежаи со наведнувачки сегменти (честопати наречени Kingsbury или Michell лежаи според нивните пронаоѓачи): повеќе вртливи сегменти, при што секој се навалува за да формира конвергентен маслен клин што го подига потисниот прстен над сегментите. Капацитетот достигнува мегавати кај големите турбини, брзината е практично неограничена (се користат до 30,000+ вртежи во минута), а придушувањето е одлично. Се среќаваат кај парните турбини, гасните турбини, големите компресори и генератори.
- Потисни лежаи со фиксни сегменти (со конусна површина): неподвижните сегменти обработени со конусна рампа го создаваат масленот клин без никакви подвижни зглобови. Висок капацитет, едноставни и робусни без подвижни делови, иако помалку толерантни на промена на насоката на оптоварувањето отколку наведнувачките сегменти. Се користат кај вертикалните пумпи и хидротурбините.
3. Каде се користат потисните лежаи: Примени
Секоја машина чиј ротор доживува нето потисок долж својата оска има потреба од потисен лежај за да ја апсорбира таа сила и да го задржи роторот на место. Најчестите примени се:
- Центрифугални пумпи и компресори: порастот на притисокот низ секое работно коло создава голема аксијална сила кон всисната страна, која потисниот лежај мора да ја носи.
- Парни, гасни и хидротурбини: работниот флуид врши аксијален притисок врз лопаточните редови; аксијалниот лежај — обично од типот со наклонливи сегменти — го држи роторот против оваа сила и против тесно поставените зазори на заптивките и врвовите на лопатките.
- Бродски погон (аксијални лежаи за бродови и чамци): потисокот на елисата го движи целото пловило нанапред преку вратилото на елисата, а робусен бродски аксијален лежај го пренесува тој потисок од вратилото во трупот на бродот. Ова е една од најтешките задачи за аксијален лежај во инженерството.
- Генератори и електрични мотори: кај вертикалните машини аксијалниот лежај дополнително ја носи сопствената тежина на роторот, а кај сите машини се спротивставува на аксијален магнетно привлекување.
- Редуктори: завојните и конусните запченици создаваат аксијални реакции што аксијалните лежаи на вратилото мора да ги апсорбираат.
- Вретена на машински алати, автомобилски погонски склопови и кранови: помалите тркалачки аксијални лежаи го позиционираат вратилото и носат умерени аксијални оптоварувања.
4. Аксијални лежаи за вертикални вратила
Вертикалните машини — вертикални пумпи, хидрогенератори, големи вертикални мотори — поставуваат посебно барање пред аксијалниот лежај бидејќи тој мора да ја носи не само процесната аксијална сила туку и целата статичка тежина на ротирачкиот склоп, која кај голем хидрогенератор може да изнесува стотици тони. Кај хоризонтална машина таа тежина ја носат радијалните лежаи; кај вертикална машина тежината дејствува право надолу по оската на вратилото и паѓа директно врз аксијалниот лежај.
Поради ова вертикалните машини речиси секогаш користат голем аксијален лежај со флуиден филм — обично изведба со наклонливи сегменти — димензиониран за комбинираното оптоварување од тежина плус процес и монтиран на горниот или долниот крај на вратилото. Маслениот филм и ладењето на лежајот мора да бидат проектирани за непрекината работа со полно оптоварување, а неговата температура и аксијална положба се меѓу најпомно следените параметри на целата машина, бидејќи откажувањето на аксијалниот лежај кај вертикално вратило го спушта роторот врз статорот без никаква можност за опоравување.
5. Извори на аксијално оптоварување
Во пумпи и компресори
- Хидрауличен потисок на работното коло: разликата во притисокот низ работното коло создава нето аксијална сила, еден од главните хидраулични сили во пумпа.
- Магнитуда: ова може да достигне илјадници фунти дури и кај пумпа со умерена големина.
- Насока: обично кон всисната страна.
- Балансирање: отворите за израмнување, задните лопатки или спротивставените работни кола го намалуваат нето потисокот.
Во турбини
- Протокот на пареа или гас создава аксијален притисок врз лопатките — дел од аеродинамички сили што дејствува врз роторот.
- Големината на потисокот се зголемува со излезната моќност.
- Тој може да ја смени насоката при стартување или при промени на оптоварувањето.
- Фиктивни клипови или баланс клипови се користат за негово компензирање.
Во редуктори
- Завојните запченици создаваат аксијален потисок пропорционален на пренесениот вртежен момент.
- Конусните запченици создаваат компоненти на аксијална сила.
- Насоката на потисокот зависи од ориентацијата на запченикот (насоката на завојниот агол).
Други извори
- Магнетно привлекување: кај електричните мотори, магнетна неурамнотеженост создава аксијални сили.
- Елиси и вентилатори: аеродинамичен потисок од забрзувањето на работниот флуид.
- Ременски погони: закосените ремени создаваат компоненти на аксијална сила.
- Несоосност: аголна неосовиненост во спојниците создава осцилаторни аксијални сили.
6. Проблеми со аксијалните лежаи и дијагностика
Вообичаени начини на откажување
- Преоптоварување: потисокот го надминува номиналниот капацитет на лежајот — често затоа што нарушување на процесот или истрошен уред за израмнување дозволува нето аксијалната сила да порасне над проектната вредност.
- Несоодветно подмачкување: недоволен проток на масло или маст го изгладнува контактот, дозволувајќи маслениот филм да колабира и површините да се допрат.
- Контаминација: честичките во маслото ги гребат и оштетуваат потисните површини.
- Абење и замор: деградација на површината од абразија или циклично оптоварување, во опсег од питинг сè до лупење на бабитот или патеката на тркалање.
- Несоосност: потисна јака што не е под прав агол во однос на вратилото ги оптоварува сегментите нерамномерно и прегрева едната страна.
- Електрична ерозија: струите во вратилото што минуваат низ маслениот филм создаваат јамички на површините на лежајот, сè поголем проблем кај машините со фреквентно регулиран погон.
- Прегревање: крајниот резултат на повеќето од горенаведеното — прекумерно триење или недоволно ладење што го омекнува бабитот и ги размачкува сегментите.
Маргината на димензионирање против овие режими може да се провери квантитативно. Кога лежајот е изложен и на радијално и на аксијално оптоварување, калкулаторот за еквивалентно динамичко оптоварување на лежајот ги комбинира во една единствена вредност, калкулаторот за статички фактор на безбедност штити од бринелирање при потисок во мирување, а калкулаторот за L10 век на траење на лежајот го проектира очекуваниот работен век.
Симптоми од вибрации и аксијални мерења
- Висока аксијална вибрација: примарниот индикатор за проблем со потисен лежај, обично најдобро видлив во аксијалниот правец наместо во радијалниот.
- Растечка аксијална позиција: кај машините со маслен филм, поместувањето на вратилото кон својата граница како што се трошат сегментите е директна мерка за истрошеноста на лежајот.
- Нискофреквентна осцилација: вратилото што аксијално лебди во рамките на својот зазор.
- Удирање: ако аксијалниот зазор е прекумерен, вратилото удира во своите граничници, создавајќи остри врвови во вибрации сигнал.
- Мерење: аксијално сонди за близина или акцелерометри ги откриваат овие симптоми.
Други индикатори
- Пораст на температурата: потисниот лежај се загрева — често првиот симптом кај лежај со маслен филм.
- Бучава: необични звуци од местото на потисниот лежај.
- Аксијална лабавост: мерливо поместување на вратилото во аксијален правец.
- Квалитет на маслото: метални честички што се појавуваат во мазивото.
7. Мерење на состојбата на потисниот лежај на терен
Кај склопените машини, состојбата на потисниот лежај се проценува од аксијални мерења направени на самото место наместо на испитен стенд. Преносен двоканален анализатор како што е Balanset-1A му овозможува на инженерот да ја снима амплитудата на аксијалните вибрации и фаза во потисниот крај, да ги спореди со радијалните отчитувања и да ја одвои вистинската неисправност на потисниот лежај од аксијалните вибрации што неосовиненост или свиткано вратило исто така може да ги предизвика — сè тоа без запирање на производството заради расклопување. Бидејќи истиот инструмент ја опфаќа пошироката вибрации слика и може да го балансира роторот во сопствените лежаи штом дебаланс се потврди, го поврзува отчитувањето на потисокот назад со целокупната состојба на машината.
8. Следење и одржување
Критични параметри за следење
- Аксијални вибрации: мерени континуирано или по периодична рута како дел од мониторинг на вибрации програма.
- Аксијална положба: сензори за близина што ја следат аксијалната позиција на вратилото во однос на потисниот лежај.
- Температура на потисниот лежај: следење со RTD или термопар, често најраното предупредување за неисправност (види сензори за температура).
- Проток и притисок на маслото: за потисни лежаи со маслен филм, губењето на снабдувањето е услов за итен аларм.
Практики за одржување
- Проверете дали има соодветно подмачкување и снабдување со масло на потисниот лежај.
- Проверувајте ги аксијалните зазори при ремонти.
- Прегледувајте ги потисните површини за абење или оштетување.
- Мерете ги вистинските аксијални оптоварувања каде што е можно, со помош на мерни ленти или мерни ќелии за оптоварување.
- Следете ги трендовите на податоците за температура и вибрации и потврдете ги наодите со детална анализа на вибрации, како дел од мониторинг на состојбата програма.
Потисните лежаи често добиваат помалку внимание од радијалните лежаи, но сепак се клучни за контролирање на аксијалната позиција и носење на аксијалното оптоварување кај ротирачките машини. Разбирањето на достапните типови, изворите на потисокот и режимите на откажување овозможува правилен избор на лежај, ефективно следење и навремено одржување — спречувајќи го оној вид дефект што завршува со контакт меѓу роторот и статорот и уништување на машината.
9. Често поставувани прашања
Што прави потисниот лежај?
Потисниот лежај презема аксијално оптоварување — сила што дејствува паралелно со вратилото — и ја фиксира аксијалната положба на роторот. Тој ја апсорбира нето силата на потисок што ја создава процесот (потисок од работното коло, потисок од лопатките, потисок од елисата) и спречува вратилото да се измести во неподвижните делови.
Која е разликата помеѓу потисен лежај и радијален лежај?
Насоката на оптоварувањето. Радијалниот лежај презема оптоварување нормално на вратилото (тежината на роторот и страничните сили); потисниот лежај презема оптоварување паралелно со вратилото (аксијалниот потисок). Повеќето машини користат и двата, а неколку типови за комбинирано оптоварување, како лежаите со кос допир или конусно-валчестите лежаи, ги вршат двете задачи истовремено.
Кои се главните типови потисни лежаи?
Две фамилии. Типовите со тркалачки елементи — топчести, цилиндрично-валчести, конусно-валчести, сферично-валчести и со кос допир — се погодни за умерени оптоварувања и општи машини. Типовите со флуиден филм — со нагибни сегменти (Kingsbury) и со фиксни сегменти со конусна рамнина — го носат роторот на маслен филм и се справуваат со многу високите оптоварувања на големите турбини, компресори и вертикални машини.
Зошто вертикалните машини бараат посебен потисен лежај?
Кај вертикално вратило потисниот лежај презема не само аксијалната сила од процесот, туку и целата статичка тежина на роторот, која дејствува право надолу по оската на вратилото. Затоа вертикалните пумпи и хидрогенераторите користат големи потисни лежаи со флуиден филм димензионирани за комбинираното оптоварување.
Како се открива потисен лежај кој откажува?
Најјасните знаци се пораст на аксијалните вибрации, поместување во измерената аксијална положба на вратилото и зголемување на температурата на лежајот. Аксијалните безконтактни сонди, акцелерометрите и температурните сензори се следат во текот на времето, а преносен анализатор може да ја потврди дијагнозата на машина во работа.
Што предизвикува откажување на потисните лежаи?
Преоптоварување над номиналниот капацитет, откажување на подмачкувањето, контаминација на маслото, површински замор (питинг и лупење), неисоосност на потисниот прстен и електрична ерозија од струи во вратилото. Прегревањето обично е заедничката крајна точка што го уништува лежајот.
