Înțelegerea rulmenților axiali
A rulment axial (denumit și rulment axial) este un rulment special conceput pentru a suporta sarcini care acționează paralel cu axa arborelui — sarcini axiale sau de împingere — și pentru a controla poziția axială a unui rotor. Spre deosebire de un radial lagăr cu alunecare, care suportă sarcini perpendiculare pe ax, un rulment axial prezintă suprafețe de contact perpendiculare pe axa arborelui, astfel încât poate rezista forțelor care încearcă să împingă arborele în orice direcție axială. Împreună, rulmenții radiali și cei axiali definesc ansamblul sistem rotor-rulment.
Rulmenții de forță sunt indispensabili oriunde acționează forțe axiale — pompe, compresoare, turbine, arbori de elice și echipamente orientate vertical. Defecțiunea sau capacitatea insuficientă a unui rulment de forță duce la vibrații axiale, jocul axial al arborelui și avarii potențial catastrofale în cazul în care rotorul intră în contact cu componentele fixe.
1. Lagăr axial vs. lagăr radial: Care este diferența?
Cel mai clar mod de a înțelege un lagăr axial este să îl comparați cu lagărul radial alături de care funcționează. Cele două sunt definite de direction sarcinii pe care sunt construite să o suporte, nu de dimensiunea sau construcția lor.
- Un lagăr radial (such as a lagăr cu alunecare) carries load perpendicular pe arbore — greutatea rotorului și orice forțe radiale provenite din dezechilibru. Suprafețele sale portante sunt cilindrice și înconjoară arborele.
- Un rulment axial carries load parallel pe arbore — împingerea axială de-a lungul liniei centrale. Suprafețele sale portante sunt fețe plate (sau profilate) așezate în unghi drept față de arbore, care se sprijină pe un guler sau pe un umăr al rotorului.
O mașină tipică are nevoie de ambele: două lagăre radiale poziționează arborele lateral și îi susțin greutatea, în timp ce un singur lagăr axial fixează poziția axială a rotorului’ și absoarbe forța axială netă. Unele construcții combină cele două funcții — un angular-contact sau tapered-roller lagăr preia simultan sarcina radială și axială — însă în turbomașinile de mari dimensiuni lagărul axial este aproape întotdeauna o componentă dedicată, separată de lagărele radiale, deoarece forțele axiale sunt prea mari pentru a fi împărțite.
2. Tipuri de lagăr axial
Lagărele axiale se împart în două mari familii: tipurile cu elemente de rulare, care preiau sarcina prin bile sau role, și tipurile cu peliculă de fluid, care susțin rotorul pe o peliculă de ulei sub presiune. Alegerea dintre ele este determinată în principal de sarcină, viteză și dimensiunea mașinii.
Rulmenți axiali cu elemente de rulare
Acestea transmit forța de împingere prin bile sau role și sunt utilizate frecvent în utilajele de uz general, supuse unor sarcini moderate. Starea lor poate fi monitorizată prin același defect al elementelor de rulare tipare folosite pentru rulmenții radiali.
- Rulmenți cu bile de împingere: Elementele cu bile se deplasează între șaibe de reacție plane sau canelate. Capacitate de încărcare moderată, viteză medie spre mare, precizie bună de poziționare axială. Se utilizează în mașini-unelte, transmisii auto și alte aplicații cu forțe de reacție moderate.
- Rulmenți axiali cu role cilindrice: Rolele dintre șaibele de reacție asigură o capacitate foarte mare datorită contactului liniar, în locul celui punctual, dar numai la viteze mici și medii. Se utilizează în utilaje grele, pompe verticale și cârlige de macara.
- Rulmenți axiali cu role conice: rolele conice asigură o acțiune de rulare reală, potrivită pentru sarcini axiale combinate și ridicate. Un singur lagăr preia atât sarcina radială, cât și cea axială, iar pretensionarea este reglabilă prin distanțare. Frecvent întâlnit la butucii roților auto, la cutiile de viteze și în situații cu sarcină combinată.
- Rulmenți axiali cu role butoi: rolele în formă de butoi și calea de rulare curbată preiau sarcini axiale foarte mari, tolerând în același timp dezalinierea arborelui — utile pe arbori lungi, cu deflexiuni ușoare, din industria grea.
- Rulmenți cu bile cu contact unghiular: Contactul bilelor este dispus în unghi, astfel încât rulmentul suportă atât sarcini radiale, cât și axiale; adesea se montează în perechi (spate în spate sau față în față). Potrivit pentru viteze mari; utilizat la arborii mașinilor-unelte și la pompele de mare viteză.
Rulmenți axiali cu peliculă fluidă
Acestea susțin rotorul pe o peliculă hidrodinamică de ulei și domină mașinile mari, de mare putere. Fără contact metal pe metal în funcționarea normală, oferă o durată de viață aproape nelimitată și o amortizare excelentă, cu prețul unei alimentări continue cu ulei sub presiune.
- Rulmenți axiali cu patine oscilante (numite adesea lagăre Kingsbury sau Michell, după inventatorii lor): mai multe sabote pivotante se înclină fiecare pentru a forma o pană de ulei convergentă, care ridică gulerul de fricțiune deasupra sabotelor. Capacitatea atinge megawați în turbinele mari, viteza este practic nelimitată (folosite la peste 30.000 rpm), iar amortizarea este excelentă. Se găsesc în turbinele cu abur, turbinele cu gaz, compresoarele mari și generatoare.
- Rulmenți de împingere cu suprafață de contact fixă (cu suprafață conică): sabotele fixe, prelucrate cu o rampă conică, generează pana de ulei fără niciun pivot mobil. Capacitate ridicată, simple și robuste, fără piese mobile, deși mai puțin tolerante la inversarea sarcinii decât sabotele înclinabile. Folosite în pompe verticale și turbine hidraulice.
3. Unde sunt utilizate lagărele axiale: Aplicații
Orice mașină al cărei rotor este supus unei împingeri nete de-a lungul axei sale are nevoie de un lagăr axial care să preia această forță și să mențină rotorul în poziție. Cele mai frecvente aplicații sunt:
- Pompe centrifuge și compresoare: creșterea de presiune la fiecare rotor de pompare creează o forță axială mare orientată spre partea de aspirație, pe care lagărul axial trebuie să o preia.
- Turbine cu abur, cu gaz și hidraulice: fluidul de lucru împinge axial pe rândurile de palete; lagărul axial — de regulă de tip cu sabote înclinabile — menține rotorul împotriva acestei forțe și împotriva jocurilor strânse ale etanșărilor și ale vârfurilor de palete.
- Propulsie navală (lagăre axiale pentru nave și ambarcațiuni): împingerea elicei’propulsează întreaga navă înainte prin arborele portelice, iar un lagăr axial naval de mare rezistență transmite această împingere de la arbore către corpul navei. Aceasta este una dintre cele mai solicitante sarcini pentru un lagăr axial din ingineri.
- Generatoare și motoare electrice: la mașinile verticale, lagărul axial preia suplimentar greutatea proprie a rotorului, iar la toate mașinile rezistă la solicitări axiale atracție magnetică.
- Cutii de viteze: angrenajele elicoidale și conice generează reacțiuni axiale pe care lagărele axiale ale arborelui trebuie să le preia.
- Arbori principali ai mașinilor-unelte, transmisii auto și macarale: rulmenții axiali mai mici cu corpuri de rostogolire poziționează arborele și preiau sarcini axiale moderate.
4. Rulmenți axiali pentru arbori verticali
Mașinile verticale — pompe verticale, hidrogeneratoare, motoare verticale mari — impun o cerință specială rulmentului axial, deoarece acesta trebuie să preia nu numai forța axială de proces, ci și întreaga greutate statică a ansamblului rotativ, care, la un hidrogenerator mare, poate ajunge la sute de tone. La o mașină orizontală, rulmenții radiali preiau această greutate; la o mașină verticală, greutatea acționează direct în lungul axei arborelui și se descarcă exact pe rulmentul axial.
Din acest motiv, mașinile verticale folosesc aproape întotdeauna un rulment axial mare cu peliculă de fluid — de regulă de tip cu segmenți basculanți — dimensionat pentru sarcina combinată greutate-plus-proces și montat la partea superioară sau inferioară a arborelui. Pelicula de ulei și răcirea rulmentului trebuie proiectate pentru funcționarea continuă la sarcină maximă, iar temperature și poziție axială se numără printre parametrii cei mai atent monitorizați de pe întreaga mașină, deoarece defectarea unui rulment axial cu arbore vertical face ca rotorul să cadă pe stator fără nicio marjă de recuperare.
5. Surse de sarcină axială
În pompe și compresoare
- Forța de împingere hidraulică a rotorului: diferența de presiune de-a lungul unui rotor creează o forță axială netă, una dintre principalele forțe hidraulice in a pump.
- Magnitudine: aceasta poate ajunge la mii de livre-forță chiar și în cazul unei pompe de dimensiuni moderate.
- Direcţie: de obicei spre partea de aspirație.
- Echilibrarea: Găurile de echilibrare, palele posterioare sau rotoarele opuse reduc împingerea netă
În turbine
- Fluxul de abur sau de gaz exercită o presiune axială asupra palelor — parte a forțe aerodinamice care acționează asupra rotorului.
- Intensitatea forței de împingere crește odată cu puterea de ieșire.
- Poate inversa direcția în timpul pornirii sau al modificărilor de sarcină
- Pentru a contracara acest fenomen se utilizează pistoane false sau pistoane de echilibrare.
În cutii de viteze
- Angrenajele elicoidale generează o forță de împingere axială proporțională cu cuplul transmis.
- Angrenajele conice generează componente ale forței axiale.
- Direcția de împingere depinde de sensul danturii (sensul unghiului de înclinare al elicei).
Alte surse
- Atracție magnetică: în motoarele electrice, dezechilibru magnetic generează forțe axiale.
- Elice și ventilatoare: forța de tracțiune aerodinamică generată de accelerarea fluidului de lucru.
- Belt drives: curelele înclinate generează componente ale forței axiale.
- Nealiniere: unghiular nealiniere în cuplaje generează forțe axiale oscilante.
6. Probleme și diagnoză ale rulmenților axiali
Moduri frecvente de defectare
- Suprasarcină: forța axială depășește capacitatea nominală a rulmentului — adesea pentru că o perturbare a procesului sau un dispozitiv de echilibrare uzat permite forței axiale nete să crească peste valoarea de proiectare.
- Lubrifiere necorespunzătoare: debitul insuficient de ulei sau unsoare înfometează contactul, permițând prăbușirea peliculei de ulei și atingerea suprafețelor.
- Contaminare: particulele din ulei zgârie și deteriorează suprafețele axiale.
- Uzură și oboseală: deteriorarea suprafeței prin abraziune sau încărcare ciclică, variind de la ciupituri through to exfoliere a aliajului antifricțiune (babbitt) sau a căii de rulare.
- Nealiniere: un guler de sprijin axial care nu este perpendicular pe arbore încarcă neuniform segmenții și supraîncălzește o parte.
- Eroziune electrică: curenții de arbore care trec prin pelicula de ulei provoacă ciupituri (pitting) pe suprafețele rulmentului, o problemă tot mai frecventă la mașinile cu variatoare de frecvență.
- Supraîncălzire: rezultatul final al majorității celor de mai sus — frecare excesivă sau răcire insuficientă care înmoaie aliajul antifricțiune (babbitt) și uzează segmenții.
Marja de dimensionare pentru aceste moduri poate fi verificată cantitativ. Atunci când un rulment este supus atât la sarcini radiale, cât și la sarcini axiale, calculator pentru sarcina dinamică echivalentă a rulmentului le combină într-o singură valoare, iar calculator al coeficientului de siguranță static previne apariția efectului Brinell în condiții de forță de împingere în repaus, iar Calculator pentru durata de viață a rulmentului L10 prezice durata de viață estimată.
Simptome de vibrație și de măsurare axială
- Vibrații axiale ridicate: indicatorul principal al unei probleme la rulmentul axial, de obicei vizibil cel mai bine în direcție axială mai degrabă decât radială.
- Poziție axială în creștere: la mașinile cu lagăre cu peliculă de fluid, deplasarea arborelui spre limita sa pe măsură ce segmenții se uzează este o măsură directă a pierderii lagărului.
- Oscilație de joasă frecvență: arbore care se deplasează axial în spațiul liber al acestuia.
- Impact: dacă jocul axial este excesiv, arborele lovește opritoarele, producând vârfuri ascuțite în vibrații semnal.
- Măsurare: axial sonde de proximitate sau accelerometre dezvăluie aceste simptome.
Alți indicatori
- Creșterea temperaturii: supraîncălzirea rulmentului axial — adesea primul simptom la un lagăr cu peliculă de fluid.
- Zgomot: sunete neobișnuite provenind din zona rulmentului axial.
- Axial play: deplasarea măsurabilă a arborelui pe direcția axială.
- Calitatea uleiului: prezența particulelor metalice în lubrifiant.
7. Măsurarea stării rulmentului axial pe teren
La mașinile asamblate, starea rulmentului axial se evaluează pe baza măsurătorilor axiale efectuate la fața locului, și nu pe un banc de încercare. Un analizor portabil cu două canale, precum Balanset-1A permite unui inginer să înregistreze amplitudinea vibrației axiale și fază la capătul axial, să o compare cu citirile radiale și să separe deteriorarea reală a rulmentului axial de vibrația axială pe care nealiniere sau un arbore îndoit o poate produce de asemenea — totul fără a opri producția pentru o demontare. Deoarece același instrument captează vibrații tabloul mai amplu și poate echilibra rotorul în propriile sale lagăre odată ce dezechilibru este confirmat, leagă citirea axială înapoi de starea generală a mașinii.
8. Monitorizare și întreținere
Parametri critici de monitorizare
- Vibrații axiale: măsurat continuu sau pe un traseu periodic ca parte a unui monitorizarea vibrațiilor program.
- Poziția axială: sonde de proximitate care urmăresc poziția axială a arborelui în raport cu rulmentul axial.
- Temperatura rulmentului axial: Monitorizarea prin RTD sau termocuplu, adesea primul semnal de avertizare în caz de avarie (vezi senzori de temperatură).
- Debitul și presiunea uleiului: la rulmenții axiali cu peliculă de fluid, o pierdere a alimentării este o condiție de alarmă imediată.
Practici de întreținere
- Verificați lubrifierea adecvată a rulmentului axial și alimentarea cu ulei.
- Verificați jocurile axiale în timpul reviziilor generale.
- Verificați suprafețele de împingere pentru uzură or damage.
- Măsurați sarcinile axiale reale, acolo unde este posibil, folosind senzori de tensiune sau celule de sarcină.
- Urmăriți tendințele datelor de temperatură și vibrație și confirmați constatările cu o analiza vibrațiilor, ca parte a unui monitorizarea stării program.
Rulmenții axiali beneficiază adesea de mai puțină atenție decât rulmenții radiali, însă sunt esențiali pentru controlul poziției axiale și suportarea sarcinii axiale în mașinile rotative. Înțelegerea tipurilor disponibile, a surselor de forță axială și a modurilor de defectare permite alegerea corectă a rulmenților, monitorizarea eficientă și întreținerea la timp — prevenind astfel defectările care duc la contactul dintre rotor și stator și la distrugerea mașinii.
9. Întrebări frecvente
Ce face un rulment axial?
Un rulment axial preia sarcina axială — forța care acționează paralel cu arborele — și fixează poziția axială a rotorului. Acesta absoarbe împingerea netă creată de proces (împingerea rotorului, împingerea paletelor, împingerea elicei) și împiedică deplasarea arborelui în piesele staționare.
Care este diferența dintre un rulment axial și un rulment radial?
Direcția sarcinii. Un rulment radial preia sarcina perpendiculară pe arbore (greutatea rotorului și forțele laterale); un rulment axial preia sarcina paralelă cu arborele (împingerea axială). Majoritatea mașinilor le folosesc pe ambele, iar câteva tipuri cu sarcină combinată, precum rulmenții cu contact unghiular sau rulmenții cu role conice, îndeplinesc ambele funcții simultan.
Care sunt principalele tipuri de rulment axial?
Două familii. Tipurile cu elemente de rostogolire — cu bile, cu role cilindrice, cu role conice, cu role sferice și cu contact unghiular — sunt potrivite pentru sarcini moderate și mașini de uz general. Tipurile cu film de fluid — cu segmenți oscilanți (Kingsbury) și cu segmenți ficși cu suprafață conică — susțin rotorul pe un film de ulei și fac față sarcinilor foarte mari ale turbinelor mari, compresoarelor și mașinilor verticale.
De ce au mașinile verticale nevoie de un rulment axial special?
Pe un arbore vertical, rulmentul axial preia nu doar forța axială de proces, ci și întreaga greutate statică a rotorului, care acționează direct pe axa arborelui în jos. De aceea, pompele verticale și generatoarele hidroelectrice folosesc rulmenți axiali mari cu film de fluid, dimensionați pentru sarcina combinată.
Cum se detectează un rulment axial care cedează?
Cele mai clare semne sunt creșterea vibrației axiale, o deviere a poziției axiale măsurate a arborelui și o creștere a temperaturii rulmentului. Sondele de proximitate axială, accelerometrele și senzorii de temperatură sunt monitorizate în timp, iar un analizor portabil poate confirma diagnosticul pe o mașină în funcțiune.
Ce cauzează defectarea rulmenților axiali?
Suprasarcina peste capacitatea nominală, defectarea lubrifierii, contaminarea uleiului, oboseala suprafeței (ciupituri și exfolieri), nealinierea gulerului axial și eroziunea electrică din curenții arborelui. Supraîncălzirea este de obicei punctul final comun care distruge rulmentul.
