Înțelegerea lagărelor cu alunecare
A lagăr cu alunecare — denumit și lagăr simplu, lagăr cu bucșă sau lagăr cu film fluid — susține un arbore rotativ pe un film subțire de lubrifiant sub presiune, în loc să se bazeze pe elemente de rulare. Partea rotativă a arborelui din interiorul lagărului este journal; acesta este menținut la distanță de suprafața fixă a lagărului printr-un film hidrodinamic de ulei generat chiar de arbore, pe măsură ce acesta antrenează lubrifiantul într-un spațiu convergent, în formă de pană. Această pană sub presiune suportă întreaga rotor sarcină fără contact metal-metal. Deoarece pelicula de ulei asigură, de asemenea, o cantitate generoasă amortizare, lagărele cu alunecare reprezintă alegerea firească pentru utilajele care funcționează la viteze mari și suportă sarcini mari — turbine, generatoare, compresoare de mari dimensiuni — unde controlul vibrații iar stabilizarea rotorului este cel mai important aspect.
1. Definiție: Ce este un lagăr cu alunecare?
Într-un lagăr cu alunecare, arborele nu atinge lagărul la viteza de funcționare. În schimb, acesta plutește, ușor descentrat, pe o pană de lubrifiant cu o grosime de doar câteva zeci de micrometri. Acest singur aspect îl deosebește de un rulment cu elemente de rulare, care suportă sarcina prin bile sau role aflate în contact hertzian. Punctele forte ale lagărului cu alunecare decurg direct din pelicula de ulei: capacitate de sarcină foarte mare, frecare extrem de redusă odată ce pelicula s-a stabilit, funcționare silențioasă și amortizarea care face posibilă funcționarea lină a rotoarelor mari la și peste viteze critice. Comportamentul ansamblului format din arbore și lagărele acestuia este studiat ca un sistem rotor-rulment, deoarece niciuna dintre ele nu poate fi înțeleasă separat.
2. Principiul de funcționare: Lubrifiere hidrodinamică
Cum se formează pelicula de ulei
Rulmentul cu alunecare se bazează pe lubrifierea hidrodinamică, care se desfășoară într-o secvență previzibilă pe măsură ce arborele atinge viteza de funcționare:
- Primul contact: În repaus, arborele se așează pe fundul alezajului sub propria greutate, metalul atingând metalul.
- Începe rotația: pe măsură ce arborele începe să se rotească, forța de aderență trage lubrifiantul în spațiul de joc.
- Formarea penei: geometria convergentă dintre arbore și alezaj împinge uleiul într-un spațiu în formă de pană.
- Generarea presiunii: Uleiul împins în pana care se îngustează generează o presiune hidrodinamică.
- Lift-off: Odată ce forța de presiune depășește greutatea arborelui, fusul se ridică și alunecă pe un film complet.
- Steady state: Arborele plutește pe pelicula sub presiune, găsind o poziție de echilibru decalată față de centrul alezajului, fără contact metalic.
Poziția pe care o adoptă fusul — excentricitatea sa în spațiul de joc — nu este fixă. Aceasta se modifică în funcție de sarcină și viteză, iar acest echilibru variabil stă la baza comportamentului dinamic complex al lagărului, descris mai jos.
Grosimea peliculei de ulei
- Grosimea minimă tipică a peliculei este de 10–100 micrometri (0,0004–0,004 in) — extrem de subțire, dar suficient pentru a menține suprafețele la distanță una de alta.
- Pelicula nu are o grosime uniformă: aceasta variază de-a lungul circumferinței, atingând grosimea minimă în punctul de maximă apropiere dintre ax și alezaj.
- Grosimea depinde de viteză, sarcină, vâscozitatea lubrifiantului și jocul rulmentului — dacă crești viteza sau vâscozitatea, pelicula se îngroașă; dacă crești sarcina, aceasta se subțiază.
- Deoarece vâscozitatea scade odată cu încălzirea uleiului, grosimea peliculei este, de asemenea, sensibilă la temperatura de funcționare, motiv pentru care temperatura uleiului la intrare este un parametru monitorizat la utilajele de mari dimensiuni.
3. Tipuri de lagăre cu alunecare
Cilindric simplu (fus complet)
- Cea mai simplă construcție: un canal cilindric simplu, prevăzut cu o canelură de alimentare cu ulei și cu un unghi de înfășurare de 360°.
- Capacitate bună de încărcare, dar pelicula simetrică o face predispusă la instabilitate — vârtej de ulei — la viteză mare și sarcină redusă.
- Se utilizează frecvent la motoare, pompe și echipamente industriale în general, în cazul în care turațiile sunt moderate.
Lagăre cu arc parțial de cerc
- Suprafața de contact acoperă doar o parte din circumferință, de obicei între 120 și 180°.
- Mai ușor și necesitând un debit mai mic de ulei, dar oferind o rigiditate mai redusă decât un lagăr complet.
- Potrivit pentru aplicații cu sarcină redusă, în care direcția de încărcare este bine definită.
Lagăre cu segmenți basculanți
- Suprafața este împărțită în mai mulți segmenți independenți, fiecare putându-se înclina liber.
- Fiecare segment își creează propria pană hidrodinamică, care elimină cuplajul încrucișat ce generează vârtejul de ulei (oil whirl).
- Fiind intrinsec stabile la vârtej și bici, acestea reprezintă standardul industrial pentru turbomașinile de mare viteză.
- Mai scump și mai complex, dar cu caracteristici dinamice net superioare.
Lagăre cu prag de presiune și lagăre cu alezaj decalat
- Lagăre cilindrice modificate, prevăzute cu elemente geometrice — caneluri, un „prag” (dam) în trepte sau o despicare decalată (cu alezaj în formă de lămâie) — adăugate pentru a îmbunătăți stabilitatea.
- Aceste caracteristici sunt concepute special pentru a spori amortizarea efectivă.
- Acestea reprezintă un compromis practic între lagărul cilindric simplu și modelul costisitor cu segmenți basculanți.
În cazul în care nici măcar un lagăr cu segmenți basculanți nu poate asigura o amortizare suficientă pentru un rotor flexibil, proiectanții pot adăuga un amortizor cu peliculă de compresie în serie cu lagărul, pentru a disipa energia suplimentară.
4. Caracteristici dinamice
Rigiditate
Rigiditatea lagărului cu jurnal nu este o singură valoare; este un set de coeficienți care depind de viteză și de sarcină:
- Low speed: scăzut rigiditate — poziția jurnalului se modifică semnificativ odată cu variația sarcinii.
- Viteză mare: o rigiditate mai mare pe măsură ce câmpul de presiune hidrodinamic ajunge la maturitate.
- Variația direcțională: Rigiditatea diferă în direcțiile orizontală și verticală, astfel încât lagărul reacționează anizotrop.
- Rigiditate cuplată transversal: o deviere într-o direcție generează o forță perpendiculară pe aceasta. Această interacțiune transversală este tocmai mecanismul care poate injecta energie într-o orbită de vârtej și poate declanșa instabilitatea rotorului.
Amortizare
Marea calitate a filmului este amortizarea pe care o oferă:
- Energia se disipă prin forfecarea vâscoasă a uleiului pe măsură ce fusul se deplasează în spațiul liber.
- Amortizarea crește odată cu viteza și cu vâscozitatea uleiului.
- Acesta este elementul care limitează amplitudinea vibrațiilor atunci când rotorul trece printr-un viteză critică.
- O amortizare adecvată este esențială pentru a împiedica instabilitățile autoexcitate să se amplifice fără limite.
Dependența de viteză
Deoarece atât rigiditatea, cât și amortizarea variază în funcție de viteză, la fel se întâmplă și cu tot ceea ce depinde de ele:
- Rigiditatea crește odată cu viteza.
- Amortizarea crește odată cu viteza.
- Sistemul frecvențe naturale cresc odată cu viteza.
- Prin urmare, vitezele critice cresc odată cu accelerarea mașinii — un efect care devine vizibil pe un Diagrama Campbell.
5. Avantaje și limitări
Pelicula de ulei este responsabilă atât pentru avantajele remarcabile ale lagărului cu jurnal, cât și pentru cerințele specifice ale acestuia.
- Capacitate mare de încărcare: poate suporta rotoare foarte grele, care ar distruge un rulment cu elemente de rulare.
- Capacitate de viteză mare: potrivit pentru viteze de până la 50.000 rpm și mai mari.
- Fricțiune redusă la viteză: Odată ce se formează pelicula hidrodinamică, coeficientul de frecare este foarte scăzut (aproximativ 0,001–0,003).
- Amortizare excelentă: controlează vibrațiile la turațiile critice și contribuie la stabilizarea rotorului.
- Funcționare silențioasă: Absența unui canal de rulare înseamnă absența zgomotului produs de elementele de rulare.
- Rezistență la șocuri: Pelicula de ulei amortizează sarcinile tranzitorii și de șoc.
- Long life: fără contact cu metalul în timpul funcționării, uzura este minimă, iar durata de viață poate ajunge la zeci de ani.
- Design simplu și esențial: Modelul cilindric simplu este simplu din punct de vedere mecanic și economic.
Pe de altă parte, există provocările practice:
- Fricțiune inițială ridicată: nu există nicio peliculă de lubrifiere la repaus, astfel încât mașina trebuie să depășească cuplul de pornire și uzura scurtă cauzată de lubrifierea de contact la fiecare pornire.
- Sistemul de lubrifiere necesar: este obligatorie alimentarea continuă cu ulei curat, rece și la presiunea corespunzătoare; lubrifierea rulmenților nu este opțional, ci reprezintă un element central al proiectului.
- Riscul de oscilație a peliculei de ulei (whirl) și de instabilitate (whip): Lagărele cilindrice simple sunt sensibile la efectul de vârtej al uleiului (oil whirl) și, în apropierea dublului turației critice, la biciuirea arborelui.
- Rigiditate redusă la viteze mici: Pelicula elastică face ca lagărul să fie mai moale decât un rulment cu elemente de rulare la viteze mici, încetinind astfel reacția.
- Sensibilitate la temperatură: sistemul monitorizează temperatura uleiului prin prisma efectului acesteia asupra vâscozității.
- Sensibilitatea la contaminare: particulele dure pot zgâria suprafața moale din aliaj Babbitt sau pot bloca canalele de ulei.
- Fără fixare axială: un lagăr cu alunecare asigură ghidarea arborelui doar pe direcție radială; sarcinile axiale necesită un element separat rulment axial.
6. Unde se utilizează lagărele cu alunecare
Lagărele cu alunecare sunt folosite în mod obișnuit oriunde rotorii sunt mari, se rotesc cu viteză mare sau ambele:
- Turbine cu abur și cu gaz: unități de producere a energiei electrice de mai multe megawați.
- Generatoare de mare putere: generatoare sincrone în centralele electrice.
- Compresoare centrifuge: mașini industriale de mare viteză și cu sarcină mare.
- Motoare electrice de mare putere: Motoarele cu o putere de peste aproximativ 500 CP le utilizează frecvent.
- Propulsie marină: lagărele arborelui elicei și ale tubului de pupa.
- Mașini de hârtie: rolele mari care transportă banda.
- Motoare cu ardere internă: lagărele principale ale arborelui cotit și ale bielelor.
7. Legătura cu dinamica rotorului și echilibrarea la fața locului
Deoarece rigiditatea și capacitatea de amortizare a acestora determină în mare măsură comportamentul unui rotor, lagărele cu alunecare se află în centrul dinamica rotorului:
- Plasarea la viteza critică: rigiditatea și amortizarea lagărului stabilesc unde se situează vitezele critice și cât de mari sunt vârfurile de vibrație în acele puncte.
- Stabilitate: Tipul lagărului determină în mare măsură susceptibilitatea la efectul de vârtej de ulei și la biciuirea arborelui; frecvențele subsincrone caracteristice generate de acestea pot fi estimate cu ajutorul unui dispozitiv special Calculator al frecvenței defectelor la lagărele cu alunecare.
- Cartografierea frecvențelor: O diagramă Campbell ilustrează modul în care frecvențele naturale variază în funcție de viteză, pe măsură ce se modifică rigiditatea lagărului.
- Răspuns de echilibrare: caracteristicile lagărului determină coeficienți de influență care reglementează modul în care rotorul reacționează la o greutate de corecție.
Acest ultim aspect se referă la legătura dintre lagăr și întreținerea curentă. Atunci când o turbină sau un compresor care funcționează cu lagăre cu alunecare prezintă o valoare crescută a 1× dezechilibru răspuns, acesta este echilibrat la fața locului, în propriile sale lagăre, la viteza de funcționare. Un analizor portabil cu două canale, precum Balanset-1A măsoară amplitudinea sincronă și fază la fiecare lagăr, calculează coeficienții de influență ai rotorului pe baza unei încercări de funcționare și determină greutățile de corecție necesare — surprinzând răspunsul real al sistemului asamblat rotor-lagăr, inclusiv rigiditatea și amortizarea peliculei, pe care o mașină de echilibrare nu le-ar putea reproduce niciodată. Verificat în conformitate cu clasa de echilibrare corespunzătoare din standardul ISO 21940-11, rezultatul reflectă comportamentul real al mașinii în timpul funcționării.
Rulmenții cu alunecare reprezintă o tehnologie matură și sofisticată, care rămâne de neînlocuit în utilajele critice de înaltă performanță. Combinația lor unică de capacitate de încărcare, capacitate de viteză și amortizare justifică complexitatea lubrifierii și a comportamentului lor dinamic, iar o înțelegere practică a acestui comportament este esențială pentru oricine se ocupă de diagnosticarea sau echilibrarea echipamentelor rotative de mari dimensiuni.
