Łożyska ślizgowe czopowe — wprowadzenie
Przenośna wyważarka i analizator drgań Balanset-1A
Balanset-1A to przenośny analizator drgań i urządzenie do wyważania zasilane przez USB, przeznaczone do wyważania jedno- i dwupłaszczyznowego wirników we własnych łożyskach. Zestaw pełny (Full Kit) obejmuje jednostkę interfejsu, dwa czujniki drgań, optyczny tachometr laserowy, taśmę odblaskową, oprogramowanie do wyważania dla systemu Windows na nośniku USB, statyw magnetyczny, wagę cyfrową oraz walizkę transportową. Wymaga zgodnego komputera z systemem Windows z wolnym portem USB; komputer …
Czujnik wibracji
Czujnik drgań do urządzeń wyważających typu Balanset, oparty na akcelerometrze ADXL335. Standardowo dostarczany z kablem o długości 5 m do pomiaru drgań podczas wyważania wirnika i analizy. Dostępna jest opcja z kablem o długości 10 m.
Czujnik optyczny (tachometr laserowy)
Optyczny czujnik laserowy do urządzeń do wyważania Balanset, oparty na zmodyfikowanym tachometrze HS2234. Mierzy prędkość obrotową bezdotykowo za pomocą znacznika odblaskowego umieszczonego na wirniku. Standardowo dostarczany z kablem o długości 5 m; dostępna jest opcja z kablem 10 m.
Balanset-4
Balanset-4 to czterokanałowy analizator drgań i system wyważania umożliwiający korektę w jednej do czterech płaszczyznach. Przeznaczony do wałów kardanowych i wirników opartych na czterech łożyskach, może również służyć jako układ pomiarowy dla wyważarki. Zestaw zawiera cztery czujniki drgań, optyczny tachometr laserowy, interfejs USB, oprogramowanie, stojak magnetyczny, wagę oraz walizkę transportową.
Stojak magnetyczny Insize-60-kgf
Regulowany stojak magnetyczny służący do ustawiania laserowego czujnika prędkości obrotowej w zestawach wyważających Balanset. Przełączalna podstawa magnetyczna zapewnia siłę przytrzymania do 60 kgf na odpowiednich powierzchniach ferromagnetycznych. Regulowane ramiona i przeguby ułatwiają wyrównanie czujnika względem znaku odblaskowego na wirniku.
Taśma odblaskowa
Srebrna samoprzylepna taśma odblaskowa do optycznego tachometru laserowego w zestawach wyważających Balanset. Należy przykleić niewielki kawałek taśmy do wirnika, aby uzyskać odblaskowy punkt odniesienia do pomiaru prędkości obrotowej. Dostarczana w odcinku o długości 1 m, co pozwala na wykonanie wielu ustawień.
Wyważarka dynamiczna "Balanset-1A" OEM
Balanset-1A OEM to podstawowy zestaw pomiarowy do wyważania wirników jedno- i dwupłaszczyznowego oraz analizy drgań. Obejmuje jednostkę interfejsu USB, dwa czujniki drgań, optyczny tachometr laserowy, taśmę odblaskową oraz oprogramowanie do wyważania dla systemu Windows na nośniku USB. W porównaniu z zestawem pełnym nie zawiera statywu magnetycznego, wagi cyfrowej ani walizki transportowej. Wymaga zgodnego komputera z systemem Windows z …
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 czopowe; 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 podtrzymuje cały wirnik bez przenoszenia obciążeń przez kontakt 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 ich prędkości krytyczne i ponad nimi. 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 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 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 opcjonalne, 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 elementu: 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.
