Łożyska ślizgowe czopowe — wprowadzenie
A łożysko ślizgowe - zwane również łożyskiem ślizgowym, łożyskiem tulejowym lub łożyskiem z filmem olejowym - wspiera obracający się wał na cienkiej, znajdującej się pod ciśnieniem warstwie smaru zamiast na elementach tocznych. Obracająca się część wału wewnątrz łożyska to dziennik; Jest on utrzymywany z dala od nieruchomej powierzchni łożyska przez hydrodynamiczny film olejowy, który generuje sam wał, wciągając środek smarny do zbiegającej się szczeliny w kształcie klina. Ten klin pod ciśnieniem przenosi cały wirnik obciążenie bez kontaktu metal-metal. Ponieważ film olejowy zapewnia również tłumienie, łożyska ślizgowe są naturalnym wyborem dla wysokoobrotowych, wysokoobciążonych maszyn — turbin, generatorów, dużych sprężarek — w których sterowanie wibracja i stabilizacja wirnika mają największe znaczenie.
1. Definicja: Co to jest łożysko ślizgowe?
W łożysku poprzecznym wał nie dotyka łożyska przy prędkości obrotowej. Zamiast tego unosi się lekko poza środkiem, na klinie smaru o grubości zaledwie kilkudziesięciu mikrometrów. Ten jeden fakt odróżnia je od łożysk tocznych, które przenoszą obciążenie przez kulki lub wałeczki w styku Hertza. Mocne strony łożyska poprzecznego wynikają bezpośrednio z filmu olejowego: bardzo wysoka nośność, ekstremalnie niskie tarcie po utworzeniu filmu, cicha praca i tłumienie, które umożliwia płynną pracę dużych wirników przez i ponad nimi. prędkości krytyczne. Zachowanie wału i jego łożysk jest badane wspólnie jako system wirnik-łożysko, ponieważ żadnego z nich nie można zrozumieć w oderwaniu od innych.
2. Zasada działania: smarowanie hydrodynamiczne
Jak powstaje klин olejowy
Łożysko poprzeczne opiera się na smarowaniu hydrodynamicznym, które rozwija się w przewidywalnej sekwencji, gdy wał nabiera prędkości:
- Pierwszy kontakt: W stanie spoczynku wał znajduje się na dnie otworu pod własnym ciężarem, a metal styka się z metalem.
- Rozpoczyna się rotacja: Gdy wał zaczyna się obracać, przyczepność wciąga smar do szczeliny luzu.
- Formacja klinowa: Zbieżna geometria między wałem a otworem wyciska olej do przestrzeni w kształcie klina.
- Generowanie ciśnienia: Olej wtłaczany do zwężającego się klina wytwarza ciśnienie hydrodynamiczne.
- Oderwanie: Gdy siła nacisku przekroczy ciężar wału, czop podnosi się i porusza się na pełnej warstwie olejowej.
- Stan ustalony: Wał unosi się na warstwie olejowej pod ciśnieniem, znajdując pozycję równowagi przesuniętą od środka otworu, bez kontaktu z metalem.
Pozycja, w której osadza się czop - jego mimośród w luzie - nie jest stała. Zmienia się ona wraz z obciążeniem i prędkością, a ta zmieniająca się równowaga jest źródłem złożonego dynamicznego zachowania łożyska opisanego poniżej.
Grubość warstwy olejowej
- Typowa minimalna grubość powłoki wynosi 10-100 mikrometrów (0,0004-0,004 cala) - bardzo cienka, ale wystarczająca, aby utrzymać powierzchnie oddzielone od siebie.
- Powłoka nie jest jednolita: zmienia się na obwodzie, osiągając minimum w punkcie największego zbliżenia między czopem a otworem.
- Grubość zależy od prędkości, obciążenia, lepkości środka smarnego i luz łożyska - Zwiększ prędkość lub lepkość, a film zgęstnieje; zwiększ obciążenie, a film się rozrzedzi.
- Ponieważ lepkość spada wraz z nagrzewaniem się oleju, grubość warstwy jest również wrażliwa na temperaturę roboczą, dlatego temperatura zasilania olejem jest parametrem monitorowanym w dużych maszynach.
3. Rodzaje łożysk czopowych
Zwykły walcowy (pełny czop)
- Najprostsza konstrukcja: gładki cylindryczny otwór z rowkiem doprowadzającym olej i pełnym kątem opasania 360°.
- Dobra nośność, ale symetryczna warstwa sprawia, że jest podatny na niestabilność - wir olejowy - przy dużej prędkości i niewielkim obciążeniu.
- Powszechnie stosowane w silnikach, pompach i ogólnym sprzęcie przemysłowym, gdzie prędkości są umiarkowane.
Łożyska częściowo łukowe
- Powierzchnia łożyska obejmuje tylko część obwodu, zazwyczaj 120-180°.
- Lżejszy i wymagający mniejszego przepływu oleju, ale oferujący niższą sztywność niż pełny czop.
- Nadaje się do lekko obciążonych zastosowań, w których kierunek obciążenia jest dobrze zdefiniowany.
Łożyska uchylne
- Powierzchnia jest podzielona na kilka niezależnych klocków, z których każdy może się swobodnie obracać.
- Każda podkładka tworzy własny klin hydrodynamiczny, który tłumi sprzężenie krzyżowe napędzające wir olejowy.
- Z natury stabilne wobec wirów i biczów, są standardem branżowym dla wysokoobrotowych maszyn turbinowych.
- Droższe i bardziej złożone, ale o znacznie lepszej charakterystyce dynamicznej.
Łożyska tłokowo-zaporowe i przesunięte
- Zmodyfikowane łożyska cylindryczne z cechami geometrycznymi — rowkami, schodkową "zaporą" lub przesuniętym (cytrynowym) rozciięciem — dodanymi w celu poprawy stabilności.
- Te cechy celowo obciążają warstwę, aby zwiększyć efektywne tłumienie.
- Stanowią one praktyczny kompromis między prostym łożyskiem cylindrycznym a kosztowną konstrukcją z podkładką uchylną.
Tam, gdzie nawet łożysko wahliwe nie jest w stanie zapewnić wystarczającego tłumienia dla elastycznego wirnika, projektanci mogą dodać tłumik tłumik filmu ściskanego szeregowo z łożyskiem w celu rozproszenia dodatkowej energii.
4. Charakterystyki dynamiczne
Sztywność
Sztywność łożyska czopowego nie jest pojedynczą liczbą; jest to zestaw współczynników zależnych od prędkości i obciążenia:
- Niska prędkość: niski sztywność - Pozycja czopu zmienia się znacznie wraz ze zmianą obciążenia.
- Wysoka prędkość: wyższa sztywność, gdy pole ciśnienia hydrodynamicznego staje się w pełni rozwinięte.
- Zmienność kierunku: Sztywność różni się w kierunku poziomym i pionowym, więc łożysko reaguje anizotropowo.
- Sztywność sprzężona krzyżowo: Odchylenie w jednym kierunku wytwarza siłę pod kątem prostym do niego. To krzyżowe sprzężenie jest dokładnie tym mechanizmem, który może pompować energię na wirującą orbitę i wyzwalać whirl. niestabilność wirnika.
Tłumienie
Wielką zaletą warstwy jest jej tłumienie:
- Energia jest rozpraszana przez lepkie ścinanie oleju, gdy czop porusza się w luzie.
- Tłumienie wzrasta wraz z prędkością i lepkością oleju.
- Jest to element ograniczający amplitudę drgań, gdy wirnik przechodzi przez prędkość krytyczna.
- Odpowiednie tłumienie jest niezbędne, aby zapobiec nieograniczonemu wzrostowi samowzbudnych niestabilności.
Zależność od prędkości
Ponieważ zarówno sztywność, jak i tłumienie zmieniają się wraz z prędkością, zmienia się także wszystko, co od nich zależy:
- Sztywność wzrasta wraz z prędkością.
- Tłumienie wzrasta wraz z prędkością.
- Systemu częstotliwości własne rosną z prędkością.
- Prędkości krytyczne przesuwają się zatem w górę w miarę przyspieszania maszyny - efekt widoczny na wykresie Diagram Campbella.
5. Zalety i ograniczenia
Film olejowy odpowiada zarówno za wyjątkowe atuty łożyska ślizgowego, jak i za jego szczególne wymagania.
- Wysoka nośność: może obsługiwać bardzo ciężkie wirniki, które zmiażdżyłyby łożysko toczne.
- Możliwość pracy z dużą prędkością: nadaje się do prędkości do 50 000 obr./min i więcej.
- Niskie tarcie przy dużej prędkości: Po utworzeniu filmu hydrodynamicznego współczynnik tarcia jest bardzo niski (około 0,001-0,003).
- Doskonałe tłumienie: kontroluje wibracje przy prędkościach krytycznych i pomaga ustabilizować wirnik.
- Cicha praca: Brak przejścia elementu tocznego oznacza brak hałasu elementu tocznego.
- Odporność na wstrząsy: film olejowy amortyzuje obciążenia przejściowe i udarowe.
- Długa żywotność: Brak kontaktu z metalem podczas pracy sprawia, że zużycie jest minimalne i możliwe są dziesięciolecia pracy.
- Prosta podstawowa konstrukcja: Typ cylindryczny jest mechanicznie prosty i ekonomiczny.
Z tym wiążą się praktyczne wyzwania:
- Wysokie tarcie początkowe: nie ma filmu w stanie spoczynku, więc maszyna musi pokonać moment zrywający i krótkotrwałe zużycie smaru granicznego przy każdym uruchomieniu.
- Wymagany system smarowania: ciągły dopływ czystego, chłodnego oleju pod odpowiednim ciśnieniem jest obowiązkowy; smarowanie łożysk nie jest opcjonalny, ale ma kluczowe znaczenie dla projektu.
- Ryzyko wirowania oleju i trzaskania: Łożyska ślizgowe cylindryczne są podatne na zawirowania oleju i, w pobliżu dwukrotnej prędkości krytycznej, na drganie giętne wału (shaft whip).
- Niższa sztywność przy niskich prędkościach: Miękka warstwa olejowa sprawia, że łożysko jest bardziej podatne niż łożysko toczne przy niskiej prędkości, co spowalnia reakcję.
- Wrażliwość na temperaturę: wydajność śledzi temperaturę oleju poprzez jej wpływ na lepkość.
- Wrażliwość na zanieczyszczenia: twarde cząstki mogą zarysować miękką powierzchnię stopu łożyskowego (babbitu) lub zablokować kanały olejowe.
- Brak utwierdzenia osiowego: Łożysko czopowe ustala wał tylko promieniowo; obciążenia osiowe wymagają oddzielnego łożyska osiowego. łożysko oporowe.
6. Gdzie stosowane są łożyska czopowe
Łożyska czopowe są standardem wszędzie tam, gdzie wirniki są duże, szybkie lub jedno i drugie:
- Turbiny parowe i gazowe: wielomegawatowe jednostki wytwarzania energii.
- Duże generatory: generatory synchroniczne w elektrowniach.
- Sprężarki odśrodkowe: wysokoobrotowe maszyny przemysłowe o wysokim obciążeniu.
- Duże silniki elektryczne: Silniki o mocy powyżej około 500 KM często z nich korzystają.
- Napęd morski: łożyska wału napędowego i łożyska rury rufowej.
- Maszyny papiernicze: duże rolki, które przenoszą wstęgę.
- Silniki spalinowe: łożyska główne wału korbowego i korbowodu.
7. Związek z dynamiką wirnika i balansowaniem w terenie
Ponieważ ich sztywność i tłumienie określają tak wiele z zachowania wirnika, łożyska ślizgowe znajdują się w samym sercu dynamika wirnika:
- Umieszczanie prędkości krytycznej: Sztywność i tłumienie łożyska określają, gdzie występują prędkości krytyczne i jak wysokie są tam szczyty wibracji.
- Stabilność: Typ łożyska w dużej mierze decyduje o podatności na wiry olejowe i bicie wału; charakterystyczne częstotliwości podsynchroniczne, które wytwarzają, można oszacować za pomocą dedykowanego urządzenia Kalkulator częstotliwości występowania uszkodzeń łożysk ślizgowych.
- Mapowanie częstotliwości: Wykres Campbella pokazuje, jak częstotliwości drgań własnych zmieniają się wraz z prędkością, gdy zmienia się sztywność łożyska.
- Odpowiedź równoważąca: charakterystyka łożyska kształtuje współczynniki wpływu które regulują sposób, w jaki wirnik reaguje na obciążnik korekcyjny.
Ten ostatni punkt to miejsce, w którym łożysko spotyka się z codzienną konserwacją. Gdy turbina lub sprężarka pracująca na łożyskach ślizgowych wykazuje podwyższone 1× niewyważenie Reakcja jest wyważana w miejscu, we własnych łożyskach, przy prędkości roboczej. Przenośny dwukanałowy analizator, taki jak Balanset-1A mierzy amplitudę synchroniczną i faza na każdym łożysku, oblicza współczynniki wpływu wirnika na podstawie próbnego uruchomienia i oblicza potrzebne obciążniki korekcyjne — rejestrując prawdziwą reakcję zmontowanego układu wirnik-łożysko, w tym sztywność i tłumienie filmu, których wyważarka nigdy nie byłaby w stanie odtworzyć. Wynik, zweryfikowany zgodnie z odpowiednią klasą wyważenia ISO 21940-11, odzwierciedla rzeczywiste zachowanie maszyny podczas pracy.
Łożyska ślizgowe to dojrzała, wyrafinowana technologia, która pozostaje niezastąpiona w krytycznych maszynach o wysokiej wydajności. Ich unikalne połączenie nośności, prędkości i tłumienia uzasadnia złożoność ich smarowania i dynamicznego zachowania, a praktyczne zrozumienie tego zachowania jest niezbędne dla każdego, kto diagnozuje lub wyważa duży sprzęt obrotowy.
