Hiểu về ổ trục trượt
A ổ trục — còn được gọi là một vòng bi trơn, vòm bi tay áo, hoặc vòm bi phim chất lỏng — hỗ trợ một trục quay trên một bộ phim bôi trơn mỏng, bị ép thay vì trên các yếu tố lăn. Phần quay của trục bên trong vòm bi là trục; nó được giữ rõ ràng khỏi bề mặt vòm bi tĩnh bằng một phim dầu thủy động lực học mà trục tự tạo ra khi nó kéo bôi trơn vào một khoảng cách hình nêm hội tụ. Rằng nêm tạo áp lực mang đầy đủ rôto tải không có tiếp xúc kim loại-kim loại. Vì bộ phim dầu cũng cung cấp giảm chấn, các vòng bi bánh bánh là lựa chọn tự nhiên cho máy chạy tốc độ cao, tải nặng — các tua bin, máy phát điện, các máy nén lớn — nơi kiểm soát rung động và ổn định rotor là điều quan trọng nhất.
1. Định nghĩa: Vòng bi bánh là gì?
Trong vòng bi bánh, trục không chạm vào vòng bi khi chạy. Thay vào đó, nó nổi, hơi lệch tâm, trên một nêm chất bôi trơn chỉ dày hàng chục micromet. Sự thật đơn lẻ này phân biệt nó với vòng bi lăn, vòng bi này chịu tải thông qua các quả cầu hoặc con lăn trong tiếp xúc Hertzian. Những điểm mạnh của vòng bi bánh phát sinh trực tiếp từ bộ phim dầu: dung lượng tải rất cao, ma sát cực kỳ thấp khi bộ phim được thiết lập, chạy yên tĩnh, và sự tắt dần làm cho có thể chạy các rotor lớn trơn tru qua và trên tốc độ tới hạn. Hành vi của trục và các vòng bi của nó cùng nhau được nghiên cứu như một hệ thống ổ trục rôto, vì không ai trong số đó có thể được hiểu riêng biệt.
2. Nguyên tắc hoạt động: Bôi trơn Hydrodynamic
Màng dầu hình thành như thế nào
Vòng bi bánh dựa vào bôi trơn hydrodynamic, phát triển theo một chuỗi dự đoán được khi trục tăng tốc:
- Tiếp xúc ban đầu: khi đứng yên, trục nằm trên đáy lỗ dưới trọng lượng của nó, với kim loại chạm kim loại.
- Quay tròn bắt đầu: khi trục bắt đầu quay, sự dính kết kéo chất bôi trơn vào khoảng trống.
- Hình thành nêm: hình dạng hội tụ giữa trục và lỗ ép dầu đó vào không gian hình nêm.
- Sinh áp suất: dầu ép vào nêm hẹp phát triển áp suất hydrodynamic.
- Nâng khỏi bề mặt: khi lực áp suất đó vượt quá trọng lượng trục, bánh bánh nâng cao và nổi trên bộ phim đầy đủ.
- Trạng thái ổn định: trục nổi trên bộ phim có áp lực, tìm vị trí cân bằng lệch so với tâm lỗ, không có tiếp xúc kim loại.
Vị trí mà bánh bánh định cư vào — độ lệch tâm của nó trong khoảng trống — không được sửa chữa. Nó thay đổi theo tải và tốc độ, và sự cân bằng thay đổi đó là gốc rễ của hành vi động học phức tạp của vòng bi được mô tả dưới đây.
Độ dày màng dầu
- Độ dày bộ phim tối thiểu điển hình là 10–100 micrômét (0.0004–0.004 in) — cực kỳ mỏng, tuy nhiên đủ để giữ các bề mặt tách biệt.
- Màng dầu không đều: nó thay đổi xung quanh chu vi, đạt mức tối thiểu tại điểm tiếp cận gần nhất giữa trục và lỗ.
- Độ dày phụ thuộc vào tốc độ, tải, độ nhớt của chất bôi trơn và khe hở ổ trục — tăng tốc độ hoặc độ nhớt thì màng dầu dày hơn; tăng tải thì nó mỏng hơn.
- Vì độ nhớt giảm khi dầu nóng lên, độ dày màng dầu cũng nhạy cảm với nhiệt độ hoạt động, đó là lý do tại sao nhiệt độ cung cấp dầu là một thông số được giám sát trên các máy lớn.
3. Các loại vòng bi trục
Hình trụ đơn giản (Vòng bi đầy)
- Thiết kế đơn giản nhất: lỗ hình trụ đơn giản với rãnh cấp dầu và góc bao phủ 360° đầy đủ.
- Khả năng chịu tải tốt, nhưng màng dầu đối xứng làm cho nó dễ không ổn định — xoáy dầu — ở tốc độ cao và tải nhẹ.
- Phổ biến trong các động cơ, bơm và thiết bị công nghiệp chung nơi tốc độ vừa phải.
Vòng Bi Cung Tròn Một Phần
- Bề mặt vòng bi chỉ bao phủ một phần của chu vi, thường là 120–180°.
- Nhẹ hơn và yêu cầu lưu lượng dầu ít hơn, nhưng cung cấp độ cứng thấp hơn vòng bi đầy.
- Thích hợp cho các ứng dụng có tải nhẹ nơi hướng tải được xác định rõ ràng.
Vòng Bi Nêm Nghiêng
- Bề mặt được chia thành một số bộ phận độc lập, mỗi bộ phận tự do xoay vòng.
- Mỗi bộ phận phát triển nêm thủy động lực riêng của nó, nó làm dập tắt sự ghép nối chéo khiến dầu xoáy.
- Vốn có tính ổn định chống xoáy và chuyển động quay, chúng là tiêu chuẩn công nghiệp cho máy tuabin tốc độ cao.
- Tốn kém hơn và phức tạp hơn, nhưng có đặc tính động lực vượt trội rõ ràng.
Vòng bi áp lực-đập và lệch
- Vòng bi hình trụ được sửa đổi với các đặc trưng hình học — rãnh, bước “đập”, hoặc lệch (lỗ hình quả chanh) chia tách — được thêm vào để cải thiện tính ổn định.
- Những đặc trưng này có chủ ý tải màng dầu để nâng cao giảm xóc hiệu quả.
- Chúng là một sự thỏa hiệp thực tế giữa vòng bi trụ đơn giản và thiết kế vòng bi nghiêng có chi phí cao.
Khi ngay cả vòng bi nghiêng cũng không thể cung cấp đủ giảm chấn cho rotor linh hoạt, các nhà thiết kế có thể thêm bộ giảm chấn màng dầu ép nối tiếp với vòng bi để tiêu hao năng lượng bổ sung.
4. Các Đặc Tính Động Lực
Độ cứng
Độ cứng của vòng bi báo chí không phải là một con số duy nhất; nó là một tập hợp các hệ số phụ thuộc vào tốc độ và tải:
- Tốc độ thấp: thấp độ cứng — vị trí báo chí thay đổi rất nhiều khi tải thay đổi.
- Tốc độ cao: độ cứng cao hơn khi trường áp suất thủy động lực phát triển đầy đủ.
- Biến thiên theo hướng: độ cứng khác nhau theo hướng ngang và hướng dọc, vì vậy vòng bi phản ứng không đẳng hướng.
- Độ cứng chéo: một độ uốn theo một hướng tạo ra một lực vuông góc với nó. Sự liên kết chéo này chính xác là cơ chế có thể bơm năng lượng vào quỹ đạo xoáy và kích hoạt sự mất ổn định của rôto.
Giảm chấn
Ưu điểm tuyệt vời của màng là giảm chấn mà nó cung cấp:
- Năng lượng được tiêu hao bởi cắt nhớt của dầu khi báo chí chuyển động trong khoảng trống.
- Giảm chấn tăng theo tốc độ và độ nhớt của dầu.
- Đây là điều giới hạn biên độ rung động khi rotor đi qua một tốc độ tới hạn.
- Giảm chấn đầy đủ là cần thiết để ngăn chặn sự mất ổn định tự kích thích phát triển không giới hạn.
Sự phụ thuộc vào tốc độ
Bởi vì cả độ cứng và giảm chấn đều thay đổi theo tốc độ, mọi thứ phụ thuộc vào chúng cũng thế:
- Độ cứng tăng theo tốc độ.
- Độ tắt dần tăng theo tốc độ.
- Của hệ thống tần số tự nhiên tăng theo tốc độ.
- Do đó, các tốc độ tới hạn thay đổi hướng lên khi máy tăng tốc — một hiệu ứng được làm rõ ràng trên một Biểu đồ Campbell.
5. Ưu điểm và Hạn chế
Màng dầu chịu trách nhiệm cho cả những điểm mạnh tuyệt vời và những yêu cầu đặc thù của vòng bi báo chí.
- Khả năng chịu tải cao: có thể hỗ trợ các rotor rất nặng mà sẽ làm hỏng vòng bi phần tử lăn.
- Khả năng tốc độ cao: phù hợp cho tốc độ lên đến 50.000 rpm và cao hơn.
- Ma sát thấp ở tốc độ cao: khi màng thủy động lực được hình thành, hệ số ma sát rất thấp (khoảng 0,001–0,003).
- Dản tính cực tốt: kiểm soát độ rung qua các tốc độ tới hạn và giúp ổn định roto.
- Hoạt động yên tĩnh: không có đường chuyển động của phần tử lăn nghĩa là không có tiếng ồn từ phần tử lăn.
- Khả năng chống sốc: màng dầu giảm tác động của tải trọng tạm thời và tác động.
- Tuổi thọ cao: khi không có tiếp xúc kim loại trong quá trình hoạt động, mài mòn tối thiểu và có thể hoạt động trong nhiều thập kỷ.
- Thiết kế cơ bản đơn giản: loại trụ trơn đơn giản về cơ học và tiết kiệm.
Nhưng đối với những thách thức thực tế:
- Ma sát bắt đầu cao: không có màng khi đứng yên, vì vậy máy phải vượt qua mô-men tách vỡ và mài mòn ranh giới bôi trơn ngắn hạn ở mỗi lần khởi động.
- Hệ thống bôi trơn bắt buộc: phải cung cấp dầu sạch, mát lạnh và có áp suất đúng liên tục; bôi trơn vòng bi không phải là tùy chọn mà là trung tâm của thiết kế.
- Nguy hiểm quay vòng và xoáy chiều: các ổ trục trơn trụ đơn giản dễ bị xoáy chiều dầu và, gần gấp đôi tốc độ tới hạn, bị roi trục.
- Độ cứng ở tốc độ thấp thấp hơn: màng tuân thủ làm cho ổ mềm hơn ổ lăn ở tốc độ thấp, làm chậm phản ứng.
- Độ nhạy nhiệt độ: hiệu suất theo dõi nhiệt độ dầu thông qua tác động của nó đối với độ nhớt.
- Độ nhạy cảm với nhiễm bẩn: các hạt cứng có thể làm cấscore bề mặt babbitt mềm hoặc chặn các lỗ dầu.
- Không có giới hạn trục: ổ trục chỉ định vị trí puly theo chiều bán kính; tải trọng trục cần một ổ trục đẩy.
6. Nơi Sử Dụng Ổ Trục
Các ổ trục là tiêu chuẩn ở bất cứ nơi nào các roto lớn, nhanh hoặc cả hai:
- Các turbine hơi nước và khí: các đơn vị phát điện công suất đa megawatt.
- Máy phát điện lớn: các máy phát điện đồng bộ trong các nhà máy điện.
- Máy nén ly tâm: máy móc công nghiệp tốc độ cao, tải trọng cao.
- Động cơ điện lớn: các động cơ trên khoảng 500 mã lực thường sử dụng chúng.
- Động lực hàng hải: các ổ trục cánh và ổ ống phía sau.
- Máy giấy: các con lăn lớn mang theo lớp vải.
- Động cơ đốt trong: ổ trục chính của trục khuỷu và các ổ thanh nối.
7. Mối quan hệ giữa Động lực học Rotor và Cân bằng Tại Chỗ
Vì độ cứng và damping của chúng xác định rất nhiều hành vi của rotor, các ổ báo nằm ở trung tâm của động lực học rôto:
- Vị trí tốc độ tới hạn: độ cứng ổ và damping quyết định vị trí các tốc độ tới hạn và độ cao của các đỉnh rung động ở đó.
- Sự ổn định: loại ổ phần lớn quyết định khả năng bị ảnh hưởng bởi xoáy dầu và thoái trục; các tần số dưới đồng bộ đặc trưng mà chúng tạo ra có thể được ước tính bằng một máy tính tần số khiếm khuyết vòng bi.
- Ánh xạ tần số: một biểu đồ Campbell cho thấy cách các tần số tự nhiên thay đổi theo tốc độ khi độ cứng ổ thay đổi.
- Phản ứng cân bằng: đặc tính của ổ đỡ định hình hệ số ảnh hưởng điều này chi phối cách rotor phản ứng với một trọng lượng hiệu chỉnh.
Điểm cuối cùng đó là nơi ổ báo gặp bảo trì hàng ngày. Khi một turbine hoặc máy nén chạy trong các ổ báo và cho thấy 1× mất cân bằng phản ứng, nó được cân bằng tại chỗ, trong các ổ của nó, ở tốc độ vận hành. Một bộ phân tích hai kênh di động như Balanset-1A đo biên độ đồng bộ và pha tại mỗi ổ, tính toán các hệ số ảnh hưởng của rotor từ một lần chạy thử, và tính toán các trọng lượng hiệu chỉnh cần thiết — nắm bắt phản ứng thực sự của hệ thống rotor-ổ lắp ráp, bao gồm cả độ cứng phim dầu và damping mà một máy cân bằng không bao giờ có thể tái tạo. Được xác minh theo tiêu chuẩn cân bằng ISO 21940-11 thích hợp, kết quả phản ánh cách máy thực sự hoạt động trong dịch vụ.
Các ổ báo là một công nghệ trưởng thành, tinh vi mà vẫn không thể thay thế được trong máy móc quan trọng hiệu suất cao. Sự kết hợp độc đáo của chúng về công suất tải, khả năng tốc độ và damping biện minh cho sự phức tạp của luật dầu nhớt và hành vi động học của chúng, và sự hiểu biết làm việc về hành vi đó là cần thiết cho bất kỳ ai chẩn đoán hoặc cân bằng thiết bị quay lớn.
