Jaka jest zasada przenoszenia obciążenia-łożyska stożkowego-łożyska oporowego?

AŁożysko stożkowe-oporowejest rodzajem hydrodynamicznego łożyska oporowego o stałej geometrii. Nie ma osi obrotowej, podkładki z automatyczną regulacją ani automatycznej regulacji pochylenia. Łożysko przenosi obciążenie osiowe dzięki zastosowaniu obszaru wlotowego klina obrobionego bezpośrednio na powierzchni łożyska.

Wytrzymałość łożyska na ciśnienie wynika z kształtu klina. Kiedy powierzchnia obrotowa przesuwa smar do wąskiej szczeliny, wewnątrz filmu olejowego wytwarza się ciśnienie. Ciśnienie to podtrzymuje obciążenie osiowe i utrzymuje powierzchnię oddzieloną podczas pracy.

Ponieważ łożyska zależą całkowicie od geometrii obrobionej, wymiary stożków muszą być dokładnie kontrolowane. Niewielkie zmiany w kącie stożka, grubości warstwy lub kształcie powierzchni mogą mieć wpływ na wytwarzanie ciśnienia i działanie łożyska.

Aby zrozumieć działanie łożysk stożkowych wzdłużnych, konieczne jest zbadanie hydrodynamiki ciśnienia generowanego w warstwie smarnej, a nie po prostu postrzeganie łożysk jako elementów o określonej nośności.

Mechanizm rdzeniowy: ciśnienie hydrodynamiczne ze zbieżnego klina

Każde hydrodynamiczne łożysko z powłoką płynną, w tym łożyska poprzeczne, łożysko oporowe z przechyłami i stożkowe łożysko oporowe, ma taką samą nośność, jak efekty fizyczne opisane przez Osborne'a Reynoldsa w 1886 r. Kiedy lepka ciecz jest przeciągana przez wąską szczelinę w wyniku ruchu dwóch powierzchni, wzrasta ciśnienie wewnątrz membrany płynu. Ciśnienie to, rozłożone na obszar łożyska, wytrzymuje obciążenie bez kontaktu metalu-z-metalem.

W łożysku stożkowym-oporowym ta zwężająca się szczelina powstaje w wyniku mocowania geometrii, a nie przesuwania lub regulacji. Każda uszczelka na pierścieniu łożyska ma dwa główne obszary w kierunku obrotu.

Strefa stożka (wlot): Powierzchnia znajduje się pod niewielkim kątem w stosunku do pasów startowych. Tworzy to szczelinę, która zwęża się, gdy olej jest wciągany do wewnątrz przez obrót. W tym regionie wytwarzana jest znaczna część ciśnienia hydrodynamicznego.

Płaski (wylot): powierzchnia równoległa do pasów startowych. W tym obszarze utrzymuje się ciśnienie po jego wytworzeniu, a olej opuszcza okładzinę na tylnej krawędzi do rowka spustowego.

Stosunek długości płaskiej powierzchni do całkowitej długości podkładki wynosi zazwyczaj 0,60-0,70. Jeśli płaski teren jest zbyt krótki, nie ma wystarczającej powierzchni, aby wytrzymać powstający nacisk. Jeśli zajmie to zbyt dużo czasu, strefa stożka będzie zbyt mała i ciśnienie nie wzrośnie skutecznie.

Równanie Reynoldsa zastosowane do geometrii stożka

Jedno-wymiarowa postać równania Reynoldsa dla nieściśliwej warstwy o stałej-lepkości w ustalonych warunkach to:

d/dx (h³ dp/dx)=6 μ U dh/dx

W tym równaniu h to lokalna grubość warstwy, p to ciśnienie, mu to lepkość dynamiczna, U to względna prędkość powierzchniowa, x to współrzędne kierunku ruchu.

W przypadku liniowych wlotów stożkowych h (x) zmniejsza się ze stałą szybkością od grubości membrany wlotowej h1 do minimalnej membrany h2 na styku stożka-. Gradient ciśnienia dp/dx zależy zarówno od μU, jak i dh/dx. Ma to następujące bezpośrednie skutki:

• Wyższa prędkość zwiększa nacisk folii i zwiększa nośność, gdy grubość folii jest taka sama.

• Wyższa lepkość daje taki sam efekt jak wyższa prędkość.

• Bardziej stromy stożek nie zawsze poprawia wydajność. Jeżeli kąt zbieżności stanie się zbyt duży, ciśnienie wzrośnie zbyt blisko wlotu i ogólny rozkład ciśnienia stanie się nierówny. Zmniejsza to całkowitą nośność.

Optymalny stosunek stożka h1/h2 do maksymalnej nośności wynosi około 2,2 w warunkach przepływu laminarnego i stałej-lepkości. Oznacza to, że grubość filmu wlotowego jest około 2,2 razy grubsza niż minimalna. W szczególności, jeśli minimalna grubość folii wynosi 15–25 μm, wysokość stopnia wlotowego wynosi około 33–55 mikronów. Jest to stała funkcja mechaniczna, a nie coś, co zmienia się w trakcie pracy.

Geometria a pochylenie adaptacyjne: czym-zbieżność różni się od-podkładki przechylnej

Główną alternatywą dla stożkowej konstrukcji podłoża jest łożysko oporowe typu tiltpad (Michell/Kingsbury). W tej konstrukcji każda podkładka jest zamontowana na sworzniu. Uszczelkę można przechylać i ustawiać pod kątem w zależności od warunków pracy i ruchu prowadnicy.

Ten samoregulujący się ruch-pozwala uszczelce znaleźć najbardziej optymalny kąt podczas pracy. Pomaga łożyskom w tworzeniu stabilnego filmu olejowego w szerokim zakresie prędkości i obciążeń.

Różnica między tymi dwoma konstrukcjami odzwierciedla zarówno zalety, jak i ograniczenia stożkowych łożysk gruntowych:

Stały stożek odnosi się do najwyższej wydajności łożyska stożkowego-oporowego w projektowym punkcie pracy. Ponieważ prędkość jest znacznie niższa od projektowanej, film hydrodynamiczny staje się cieńszy, a łożyska są smarowane blisko granicy-przejścia smarowania mieszanego- opisanego poniżej.

Ładowność, prędkość i liczba Sommerfelda

Nośność stożkowej-podkładki oporowej skaluje się wraz znumer łożyska(czasami nazywana liczbą Sommerfelda dla łożysk wzdłużnych), zdefiniowaną jako:

S=μNP(Rc)2S=PμN​(CR​)2

GdzieNto prędkość obrotowa (obr./s),Pto średni nacisk na łożysko (obciążenie ÷ powierzchnia rzutowana),Rjest promieniem charakterystycznym, orazcjest związanym z nim prześwitem referencyjnymh₂. Dla danej geometrii nośność jest w przybliżeniu proporcjonalna doμNU-, co oznacza, że ​​nośność skaluje się liniowo wraz z prędkością.

Praktyczne zakresy nośności stożkowych podkładek oporowych-w zastosowaniach przemysłowych (Boyd i Rowe, 1982; Wilcock i Booser, 1957):

Jeśli przekroczysz limit, ale nie zwiększysz lepkości ani prędkości o tę samą wartość, folia zapadnie się i uzyskasz smarowanie graniczne. Jeżeli prędkość spadnie poniżej minimalnej, oznacza to, że łożysko jest za duże dla obciążenia. Stwarza to inny problem: olej nie dociera do środka i nie rozprowadza wystarczająco równomiernie strefy stożka, przez co temperatura nie jest równomiernie rozłożona na całej szerokości klocka.

Geometria rowków i zarządzanie temperaturą

Każda stożkowa-podkładka jest oddzielona od następnej obwodowym rowkiem drenażowym. Rowek ma dwa zadania: odprowadza gorący olej z tylnej krawędzi jednego klocka i dostarcza chłodny olej wlotowy do przedniego stożka następnego klocka. Wymiana oleju to główny sposób kontrolowania ciepła w-projektowanym terenie stożkowym. Ponieważ łożyska stożkowe-nie mają ukierunkowanego smarowania, jak łożyska przechylne-padów, dlatego też opierają się na turbulencjach rowków, aby wymieszać gorący i zimny olej, zanim przejdzie on do następnego stożka.

Szerokość rowka wynosi zwykle 15–25% całkowitej podziałki podkładki. Węższe rowki sprawiają, że odstęp między podkładkami jest mniejszy, dzięki czemu lepiej wykorzystują przestrzeń. Ale szkodzą także mieszaniu oleju i zwiększają-przenoszenie temperatury. Temperatura przenoszenia to temperatura oleju wpływającego do stożka w porównaniu z temperaturą zasilania. Ettles (1969) wykazał, że frakcja przenoszenia-może spowodować wzrost temperatury folii o 40–70% w konstrukcjach stożkowych-podczas pracy z prędkością przekraczającą 50 m/s powierzchni wlewu. To znacznie obniża lepkość efektywną, a następnie zmniejsza nośność.

Przy dużych prędkościach obwodowych powyżej 60 m/s, zamiast obciążenia, głównym ograniczeniem konstrukcyjnym staje się nagrzewanie lepkie. Temperatura zasilania olejem musi zwykle utrzymywać się na poziomie 40–49 stopni w przypadku oleju turbinowego ISO VG 32–46. Ma to na celu utrzymanie szczytowej temperatury folii poniżej 95–100 stopni. Temperatura ta jest punktem, w którym przyspiesza uszkodzenie termiczne pakietu dodatków w oleju.

Mechanizm awarii przy niskiej-prędkości i uruchomieniu-zatrzymaniu

Największym ograniczeniem stożkowej konstrukcji podłoża jest sposób jej działania podczas uruchamiania, zamykania i pracy przy niskich prędkościach. Ponieważ ciśnienie filmu hydrodynamicznego zależy od prędkości, średni nacisk łożyska wynoszący 2,0 MPa może przy normalnej prędkości wynosić tylko 20% 0,3–0,5 MPa. Jeśli przyłożone obciążenie wzdłużne jest większe niż dolna pojemność membrany, minimalna grubość powłoki jest mniejsza niż suma chropowatości powierzchni – zwykle od 0,5 do 1,5 μm Ra w przypadku kół łożyskowanych na podłożu – i występuje kontakt z nierównościami.

Powtarzające się cykle uruchamiania i zatrzymywania pod obciążeniem powodują stabilne zużycie płaskiej powierzchni, którego nie da się naprawić. W przeciwieństwie do łożysk przechylnych, gdzie niewielkie zużycie czopa może nadal wycentrować klocek, zużycie płaskiej powierzchni stożkowej podłogi bezpośrednio zmniejsza obszar nacisku, a następnie przyspiesza większe uszkodzenia. Test zużycia czterech-kulek ASTM D-4998 jest powszechnie stosowany do sprawdzania działania dodatków przeciwzużyciowych-w oleju w warunkach rozruchu i zatrzymywania ze smarowaniem mieszanym. Dzieje się tak dlatego, że dodatki stosowane w oleju pod wysokim ciśnieniem zapewniają jedyne wsparcie obciążenia, gdy film hydrodynamiczny nie jest jeszcze uformowany.

W przypadku maszyn, które często uruchamiają się pod obciążeniem,-takich jak pompy napędzane silnikiem, które wykonują wiele cykli na zmianę,-należy rozważyć opcję podkładek przechylających. Alternatywnie, specyfikacja podłoża stożkowego powinna obejmować hydrostatyczny system podnoszenia, który przy niskich prędkościach wypycha olej na zewnątrz do folii.

Praktyczne podsumowanie zastosowań

Koncepcja łożysk tarasowych wzdłużnych obejmuje głównie trzy następujące aspekty:

1. Zbieżny kształt klina-Wycięty w stożkowym wlocie przy h1/h2 łuku 2,2, tak aby generował ciśnienie hydrodynamiczne poprzez mechanizm Reynoldsa.

2. Płaskie podłoże -60-70 procent długości uszczelki — zapewnia obszar pod ciśnieniem dla obciążenia osiowego łożyska.

3. Korytko spustowe-Dzięki temu olej będzie chłodniejszy dla następnego stożka i zatrzymuje lepkość membrany termicznej.

Żadnego z trzech parametrów nie można zmienić jako takiego, ponieważ każda zmiana parametru wpływa na wszystkie trzy wartości wydajności: nośność, temperaturę powłoki i minimalną grubość powłoki. Dlatego przy wyborze stożkowego urządzenia uziemiającego dla konkretnej maszyny inżynierowie powinni zacząć od średniego nacisku na łożysko przy normalnej prędkości. Następnie powinni sprawdzić, czy pasująca liczba Sommerfelda wprowadza łożysko w stan pełnej membrany. Następnie powinni potwierdzić, że częstotliwość rozruchu,-zatrzymań i temperatura zasilania układu smarowania mieszczą się w ustalonych granicach geometrycznych. Dzieje się tak dlatego, że w odróżnieniu od konstrukcji z podkładką obrotową, stożkowe łożyska szlifowane nie są w stanie naprawić własnych warunków pracy.

Referencje

• Reynolds, O. (1886). O teorii smarowania i jej zastosowaniu do eksperymentów pana Beauchampa Towera, w tym do doświadczalnego wyznaczania lepkości oliwy z oliwek.Transakcje filozoficzne Towarzystwa Królewskiego w Londynie, 177, 157–234.
• Boyd, J. i Rowe, WB (1982).Trybologia: zasady i zastosowania projektowe. Prasa Macmillana.
• Wilcock, DF i Booser, ER (1957).Konstrukcja i zastosowanie łożysk. McGraw-Wzgórze.
• Ettlesa, CMM (1969). Gorący olej przedostaje się-do łożysk wzdłużnych.Postępowanie Instytutu Inżynierów Mechaników, 184(12), 75–81.
• Hamrock, BJ, Schmid, SR i Jacobson, BO (2004).Podstawy smarowania filmem płynnym(wyd. 2). Marcela Dekkera.
• Frêne, J., Nicolas, D., Degueurce, B., Berthe, D. i Godet, M. (1997).Smarowanie hydrodynamiczne: łożyska i łożyska oporowe. Elsevier.
• Khonsari, MM i Booser, ER (2008).Trybologia stosowana: projektowanie łożysk i smarowanie(wyd. 2). Wiley’a.
• Szeri, Arizona (2011).Smarowanie płynną warstwą(wyd. 2). Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge.
• ASTM D4998-22.Standardowa metoda testowa do oceny charakterystyki zużycia płynów hydraulicznych ciągnika. Międzynarodowy ASTM.
• ISO 12168-1:2001.Łożyska ślizgowe - Obciążenie statyczne-Nośność hydrodynamicznych łożysk z kołnierzem wzdłużnym bez podkładek przechylnych. ISO.
• Stachowiak, GW i Batchelor, AW (2014).Trybologia inżynierska(wyd. 4). Butterwortha-Heinemanna.