Pochopenie axiálnych ložísk
A axiálne ložisko (nazývané aj axiálne ložisko) je špecializované ložisko určené na prenášanie zaťaženia pôsobiaceho rovnobežne s osou hriadeľa — axiálne alebo ťahové zaťaženie — a na riadenie axiálnej polohy rotor. Na rozdiel od radiálneho klzné ložisko, ktoré prenáša zaťaženie kolmo na hriadeľ, axiálne ložisko má styčné plochy kolmé na os hriadeľa, takže môže odolávať silám, ktoré sa snažia tlačiť hriadeľ v oboch axiálnych smeroch. Radiálne a axiálne ložiská spoločne definujú celý hriadeľ. systém rotora a ložísk.
Axiálne ložiská sú nevyhnutné všade tam, kde pôsobia axiálne sily - čerpadlá, kompresory, turbíny, hriadele vrtúľ a vertikálne orientované zariadenia. Porucha alebo nedostatočná kapacita axiálneho ložiska vedie k nadmernému axiálne vibrácie, koncovú vôľu hriadeľa a potenciálne katastrofické poškodenie pri kontakte rotora so stacionárnymi komponentmi.
1. Axiálne ložisko vs. radiálne ložisko: Aký je medzi nimi rozdiel?
Najjasnejšie pochopíte axiálne ložisko, ak ho porovnáte s radiálnym ložiskom, s ktorým pracuje. Tieto dve ložiská sú definované smer zaťaženia, na ktoré sú konštruované, nie podľa ich veľkosti alebo konštrukcie.
- Radiálne ložisko (ako napr. klzné ložisko) nesie náklad kolmý na hriadeli - hmotnosť rotora a prípadné radiálne sily od nevyváženosť. Jeho nosné plochy sú valcové a obtáčajú hriadeľ.
- Axiálne ložisko nesie náklad paralelné k hriadeľu - axiálny tlak pozdĺž osi. Jeho nosné plochy sú ploché (alebo tvarované) plochy nastavené v pravom uhle k hriadeľu, ktoré sa opierajú o golier alebo rameno na rotore.
Typický stroj potrebuje oboje: dve radiálne ložiská umiestňujú hriadeľ do strán a nesú jeho hmotnosť, zatiaľ čo jedno axiálne ložisko fixuje axiálnu polohu rotora’s a absorbuje čistú axiálnu silu. Niektoré konštrukcie kombinujú tieto dve úlohy - a s uhlovým stykom alebo kužeľíkové valčekové ložisko prenáša radiálne a axiálne zaťaženie súčasne - ale vo veľkých turbosústrojenstvách je axiálne ložisko takmer vždy samostatným komponentom, oddeleným od radiálnych ložísk, pretože axiálne sily sú príliš veľké na to, aby sa mohli zdieľať.
2. Typy axiálnych ložísk
Axiálne ložiská sa delia na dve veľké skupiny: ložiská s valivými prvkami, ktoré prenášajú zaťaženie prostredníctvom guľôčok alebo valčekov, a ložiská s fluidnou vrstvou, ktoré vznášajú rotor na tlakovom olejovom filme. Výber medzi nimi sa riadi najmä zaťažením, rýchlosťou a veľkosťou stroja.
Axiálne ložiská s valivými prvkami
Tie prenášajú ťah prostredníctvom guľôčok alebo valčekov a sú bežné vo všeobecných strojových zariadeniach so stredným zaťažením. Ich stav možno sledovať prostredníctvom rovnakého defekt valivého prvku podpisy používané pre radiálne ložiská.
- Guľôčkové axiálne ložiská: guľôčkové prvky sa pohybujú medzi plochými alebo drážkovanými prítlačnými podložkami. Stredná nosnosť, stredná až vysoká rýchlosť, dobrá presnosť axiálneho polohovania. Používa sa v obrábacích strojoch, automobilových prevodovkách a iných stredne ťažkých zariadeniach.
- Valcové axiálne ložiská: valčeky medzi prítlačnými podložkami poskytujú veľmi vysokú kapacitu skôr vďaka kontaktu s vedením ako s bodom, ale len pri nízkych až stredných otáčkach. Používajú sa v ťažkých strojoch, vertikálnych čerpadlách a žeriavových hákoch.
- Kuželíkové axiálne ložiská: kužeľové valčeky poskytujú skutočný valivý účinok, ktorý vyhovuje kombinovaným a vysokým axiálnym zaťaženiam. Jediné ložisko prenáša radiálne aj axiálne zaťaženie a predpätie je nastaviteľné pomocou rozstupu. Bežné v nábojoch automobilových kolies, prevodovkách a v situáciách s kombinovaným zaťažením.
- Súdečkové axiálne ložiská: valčeky v tvare suda a zakrivená dráha prijímajú veľmi vysoké axiálne zaťaženie a zároveň tolerujú vychýlenie hriadeľa - užitočné pri dlhých, mierne vychýlených hriadeľoch v ťažkom priemysle.
- Guľôčkové ložiská s kosoštvorcovým stykom: guľôčkový kontakt je nastavený pod uhlom, takže ložisko preberá radiálne aj axiálne zaťaženie, často namontované v pároch (chrbtom k sebe alebo čelom k sebe). Schopné vysokých otáčok; používajú sa vo vretenách obrábacích strojov a vysokorýchlostných čerpadlách.
Axiálne ložiská s olejovým filmom
Tie vznášajú rotor na hydrodynamickom olejovom filme a dominujú veľkým strojom s vysokým výkonom. Vďaka tomu, že pri bežnej prevádzke nedochádza ku kontaktu kovu s kovom, ponúkajú takmer neobmedzenú životnosť a vynikajúce tlmenie za cenu nepretržitého prívodu tlakového oleja.
- Axiálne ložiská s naklápacou podložkou (často nazývané Kingsburyho alebo Michellove ložiská podľa ich vynálezcov): viacero otočných podložiek sa nakláňa tak, aby vytvorili zbiehajúci sa olejový klin, ktorý nadvihuje prítlačný golier nad podložkami. Kapacita dosahuje vo veľkých turbínach megawattov, otáčky sú v podstate neobmedzené (používa sa viac ako 30 000 ot./min.) a tlmenie je vynikajúce. Nachádza sa v parných turbínach, plynových turbínach, veľkých kompresoroch a generátoroch.
- Axiálne ložiská s pevnou podložkou (kuželovité): stacionárne podložky opracované s kužeľovou rampou vytvárajú olejový klin bez pohyblivých čapov. Vysoký výkon, jednoduchosť a robustnosť bez pohyblivých častí, hoci sú menej tolerantné voči zmene smeru zaťaženia ako naklápacie podložky. Používajú sa vo vertikálnych čerpadlách a vodných turbínach.
3. Kde sa používajú axiálne ložiská: Aplikácie
Každý stroj, ktorého rotor je vystavený čistému tlaku pozdĺž svojej osi, potrebuje axiálne ložisko, ktoré túto silu absorbuje a udržiava rotor na mieste. Najbežnejšie aplikácie sú:
- Odstredivé čerpadlá a kompresory: nárast tlaku v každom obežnom kolese vytvára veľkú axiálnu silu smerom k strane sania, ktorú musí prenášať axiálne ložisko.
- Parné, plynové a vodné turbíny: pracovná kvapalina tlačí v axiálnom smere na rady lopatiek; axiálne ložisko - zvyčajne typu naklápacích podložiek - drží rotor proti tejto sile a proti tesne nastaveným vôľam tesnení a hrotov lopatiek.
- Lodný pohon (axiálne ložiská lodí a člnov): Ťah lodnej skrutky poháňa celé plavidlo dopredu cez hriadeľ lodnej skrutky a ťažké lodné axiálne ložisko prenáša tento ťah z hriadeľa do trupu. Ide o jednu z najnáročnejších úloh pre axiálne ložisko v strojárstve.
- Generátory a elektromotory: vo vertikálnych strojoch axiálne ložisko navyše nesie vlastnú hmotnosť rotora a vo všetkých strojoch odoláva axiálnemu magnetický ťah.
- Prevodovky: šikmé a kužeľové prevody vytvárajú axiálne reakcie, ktoré musia absorbovať axiálne ložiská hriadeľa.
- Vretená obrábacích strojov, automobilové hnacie ústrojenstvo a žeriavy: menšie axiálne ložiská s valivými prvkami polohujú hriadeľ a prenášajú mierne axiálne zaťaženie.
4. Axiálne ložiská pre vertikálne hriadele
Vertikálne stroje - vertikálne čerpadlá, hydrogenerátory, veľké vertikálne motory - kladú na axiálne ložisko osobitné nároky, pretože musí prenášať nielen procesnú axiálnu silu, ale aj celá statická hmotnosť rotujúcej zostavy, čo pri veľkých vodných generátoroch môže predstavovať stovky ton. V horizontálnom stroji nesú túto hmotnosť radiálne ložiská; vo vertikálnom stroji pôsobí hmotnosť priamo po osi hriadeľa a dopadá priamo na axiálne ložisko.
Z tohto dôvodu sa vo vertikálnych strojoch takmer vždy používa veľké axiálne ložisko s fluidnou fóliou - zvyčajne v prevedení s naklápacou podložkou - dimenzované na kombinovanú hmotnosť plus procesné zaťaženie a namontované v hornej alebo dolnej časti hriadeľa. Olejový film ložiska a jeho chladenie musia byť navrhnuté na nepretržitú prevádzku pri plnom zaťažení a jeho teplota a axiálna poloha patria k najsledovanejším parametrom celého stroja, pretože pri poruche vertikálneho hriadeľa s ťahovým ložiskom padá rotor na stator bez možnosti obnovy.
5. Zdroje osového zaťaženia
V čerpadlách a kompresoroch
- Hydraulický ťah obežného kolesa: tlakový rozdiel na obežnom kolese vytvára čistú axiálnu silu, ktorá je jednou z hlavných hydraulické sily v čerpadle.
- Veľkosť: to môže dosiahnuť až tisíce libier aj pri stredne veľkom čerpadle.
- Smer: zvyčajne smerom k strane nasávania.
- Vyvažovanie: Vyvažovacie otvory, zadné lopatky alebo protiľahlé obežné kolesá znižujú čistý ťah
V turbínach
- Prúdenie pary alebo plynu vytvára axiálny tlak na lopatky - časť aerodynamické sily pôsobiace na rotor.
- Veľkosť ťahu sa zvyšuje s výkonom.
- Môže zmeniť smer počas spustenia alebo zmien zaťaženia
- Na jej potlačenie sa používajú atrapy piestov alebo vyvažovacie piesty.
V prevodovkách
- Šikmé prevody vytvárajú axiálny ťah úmerný prenášanému krútiacemu momentu.
- Kuželové prevody vytvárajú axiálne zložky sily.
- Smer ťahu závisí od orientácie ozubenia (smeru sklonu zubov).
Iné zdroje
- Magnetický ťah: v elektromotoroch, magnetická nerovnováha vytvára axiálne sily.
- Vrtule a ventilátory: aerodynamický ťah z urýchľovania pracovnej kvapaliny.
- Pásové pohony: šikmé remene vytvárajú axiálne zložky sily.
- Nesprávne zarovnanie: uhlové nesprávne zarovnanie v spojkách vytvára oscilačné axiálne sily.
6. Problémy s axiálnymi ložiskami a diagnostika
Bežné spôsoby porúch
- Preťaženie: ťah prekračuje menovitú kapacitu ložiska - často preto, že porucha procesu alebo opotrebované vyvažovacie zariadenie umožňuje, aby čistá axiálna sila narástla nad rámec návrhu.
- Nedostatočné mazanie: nedostatočný prietok oleja alebo maziva spôsobí, že sa kontakt rozpadne a povrchy sa budú dotýkať.
- Kontaminácia: častice v oleji spôsobujú zadieranie a poškodzujú ťahové plochy.
- Opotrebovanie a únava: poškodenie povrchu v dôsledku oderu alebo cyklického zaťaženia v rozsahu od jamkovanie do odlupovanie babbittu alebo dráhy.
- Nesprávne zarovnanie: prítlačná manžeta, ktorá nie je kolmá na hriadeľ, nerovnomerne zaťažuje podložky a prehrieva jednu stranu.
- Elektrická erózia: prúdy na hriadeli prechádzajúce cez olejový film na povrchu ložísk, čo je čoraz väčší problém pri strojoch s frekvenčným meničom.
- Prehriatie: konečný výsledok väčšiny z vyššie uvedených - nadmerné trenie alebo nedostatočné chladenie, ktoré zmäkčí babbitt a zotrie podložky.
Rozmerové rozpätie voči týmto režimom sa dá kvantitatívne skontrolovať. Ak je ložisko vystavené radiálnemu aj axiálnemu zaťaženiu. kalkulačka ekvivalentného dynamického zaťaženia ložiska ich spojí do jedinej hodnoty. statická kalkulačka bezpečnostného faktora chráni pred brinellingom pri ťahu v pokoji a Kalkulačka životnosti ložiska L10 predpokladá očakávanú životnosť.
Príznaky vibrácií a axiálneho merania
- Silné axiálne vibrácie: hlavným indikátorom problému s ťahom, ktorý je zvyčajne najlepšie viditeľný v axiálny smer skôr ako radiálne.
- Stúpajúca axiálna poloha: pri strojoch s fluidným filmom je priamy ukazovateľ úbytku ložiska posun hriadeľa smerom k jeho hranici, keď sa opotrebúvajú podložky.
- Nízkofrekvenčné oscilácie: hriadeľ pláva axiálne vo svojej vôli.
- Náraz: ak je axiálna vôľa nadmerná, hriadeľ naráža na svoje dorazy, čo spôsobuje ostré špičky v vibrácie signál.
- Meranie: axiálny bezdotykové sondy alebo akcelerometre odhaliť tieto príznaky.
Ďalšie ukazovatele
- Nárast teploty: zahrievanie axiálneho ložiska - často prvý príznak pri ložisku s fluidným filmom.
- Hluk: nezvyčajné zvuky z miesta axiálneho ložiska.
- Axiálna hra: merateľný pohyb hriadeľa v axiálnom smere.
- Kvalita oleja: kovové častice objavujúce sa v mazive.
7. Meranie stavu nosného ťahu v teréne
Na zmontovaných strojoch sa stav axiálneho ložiska posudzuje na základe axiálnych meraní vykonaných na mieste, a nie na skúšobnom stojane. Prenosný dvojkanálový analyzátor, ako napr. Balanset-1A umožňuje inžinierovi zaznamenávať amplitúdu axiálnych vibrácií a fáza na axiálnom konci, porovnajte ho s radiálnymi údajmi a oddeľte skutočné axiálne vibrácie od axiálnych, ktoré nesprávne zarovnanie alebo ohnutý hriadeľ - a to všetko bez zastavenia výroby kvôli demontáži. Pretože ten istý prístroj zachytáva širšie vibrácie obrázok a môže vyvážiť rotor v jeho vlastných ložiskách, keď nevyváženosť je potvrdený, spája údaj o ťahu s celkovým stavom stroja.
8. Monitorovanie a údržba
Kritické monitorovacie parametre
- Axiálne vibrácie: merané nepretržite alebo na pravidelnej trase ako súčasť monitorovanie vibrácií program.
- Axiálna poloha: približovacie sondy sledujúce axiálnu polohu hriadeľa vzhľadom na axiálne ložisko.
- Teplota axiálneho ložiska: Monitorovanie odporových teplomerov alebo termočlánkov, ktoré často slúžia ako prvé varovanie pred poruchou (pozri snímače teploty).
- Prietok a tlak oleja: v prípade axiálnych ložísk s fluidným filmom je strata dodávky okamžitým alarmovým stavom.
Postupy údržby
- Overte si dostatočné mazanie a prívod oleja do axiálnych ložísk.
- Počas generálnej opravy skontrolujte axiálne vôle.
- Skontrolujte, či sú ťahové plochy opotrebovanie alebo poškodenie.
- Ak je to možné, zmerajte skutočné ťahové zaťaženie pomocou tenzometrov alebo snímačov zaťaženia.
- Trend údajov o teplote a vibráciách a potvrdenie zistení pomocou podrobných analýza vibrácií, ako súčasť monitorovanie stavu program.
Axiálnym ložiskám sa často venuje menej pozornosti ako radiálnym ložiskám, ale sú rozhodujúce pre riadenie axiálnej polohy a prenášanie axiálneho zaťaženia v rotujúcich strojoch. Pochopenie dostupných typov, zdrojov ťahu a spôsobov porúch umožňuje správny výber ložiska, účinné monitorovanie a včasnú údržbu - predchádzanie poruchám, ktoré sa končia kontaktom rotora so statorom a zničením stroja.
9. Často kladené otázky
Čo robí axiálne ložisko?
Axiálne ložisko prenáša axiálne zaťaženie - silu pôsobiacu rovnobežne s hriadeľom - a fixuje axiálnu polohu rotora. Absorbuje čistý tlak, ktorý vytvára proces (ťah obežného kolesa, ťah lopatiek, ťah vrtule), a zabraňuje unášaniu hriadeľa do nepohyblivých častí.
Aký je rozdiel medzi axiálnym a radiálnym ložiskom?
Smer zaťaženia. Radiálne ložisko prenáša zaťaženie kolmo na hriadeľ (hmotnosť rotora a bočné sily); axiálne ložisko prenáša zaťaženie rovnobežne s hriadeľom (axiálny tlak). Vo väčšine strojov sa používajú obidva typy a niekoľko typov s kombinovaným zaťažením, ako sú napríklad ložiská s kosoštvorcovým stykom alebo valčekové ložiská, vykonáva obe úlohy naraz.
Aké sú hlavné typy axiálnych ložísk?
Dve rodiny. Typy valivých prvkov - guľôčkové, valčekové, kužeľové, guľôčkové a s uhlovým kontaktom - sú vhodné pre mierne zaťaženie a všeobecné strojové zariadenia. Typy s tekutým filmom - s naklápacím tanierom (Kingsbury) a s pevným tanierom s kužeľovým povrchom - vznášajú rotor na olejovom filme a zvládajú veľmi vysoké zaťaženia veľkých turbín, kompresorov a vertikálnych strojov.
Prečo potrebujú vertikálne stroje špeciálne axiálne ložisko?
Na vertikálnom hriadeli axiálne ložisko prenáša nielen procesnú axiálnu silu, ale aj celú statickú hmotnosť rotora, ktorá pôsobí priamo v osi hriadeľa. Preto sa vo vertikálnych čerpadlách a hydrogenerátoroch používajú veľké fluidné axiálne ložiská dimenzované na kombinované zaťaženie.
Ako sa zistí porucha axiálneho ložiska?
Najvýraznejšími príznakmi sú rastúce axiálne vibrácie, posun meranej axiálnej polohy hriadeľa a zvýšenie teploty ložiska. Axiálne sondy priblíženia, akcelerometre a teplotné snímače majú časový trend a prenosný analyzátor môže potvrdiť diagnózu na bežiacom stroji.
Čo spôsobuje poruchy axiálnych ložísk?
Preťaženie nad menovitú kapacitu, porucha mazania, znečistenie oleja, únava povrchu (jamky a odlupovanie), nesprávne nastavenie axiálneho goliera a elektrická erózia spôsobená prúdením hriadeľa. Prehriatie je zvyčajne bežným koncovým bodom, ktorý zlikviduje ložisko.
