Τι είναι η αρχή φόρτωσης-Φορτίου ενός κωνικού-Έδρας ώσης στην ξηρά;

AΚωνικό-Ρουλεμάν ώσης γηςείναι ένα είδος υδροδυναμικού ρουλεμάν ώσης με σταθερή γεωμετρία. Δεν έχει περιστροφικό άξονα, δεν έχει αυτόματο μαξιλαράκι ρύθμισης και δεν έχει αυτόματη ρύθμιση κλίσης. Το ρουλεμάν φέρει αξονικό φορτίο χρησιμοποιώντας μια περιοχή εισόδου σφήνας κατεργασμένη απευθείας στην επιφάνεια έδρασης.

Η ικανότητα πίεσης του ρουλεμάν προέρχεται από αυτό το σχήμα σφήνας. Όταν η περιστρεφόμενη επιφάνεια μετακινεί το λιπαντικό σε ένα στενό διάκενο, σχηματίζεται πίεση μέσα στο φιλμ λαδιού. Αυτή η πίεση υποστηρίζει το αξονικό φορτίο και διατηρεί την επιφάνεια ξεχωριστή κατά τη λειτουργία.

Δεδομένου ότι τα ρουλεμάν εξαρτώνται εξ ολοκλήρου από την επεξεργασμένη γεωμετρία τους, οι διαστάσεις των κώνων πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά. Μικρές αλλαγές στη γωνία κωνικότητας, στο πάχος του φιλμ ή στο σχήμα της επιφάνειας μπορεί να επηρεάσουν τη δημιουργία πίεσης και την απόδοση του ρουλεμάν.

Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν τα κωνικά ωστικά ρουλεμάν, είναι απαραίτητο να εξεταστεί η υδροδυναμική της πίεσης που δημιουργείται μέσα στη λιπαντική μεμβράνη, αντί να βλέπουμε απλώς τα ρουλεμάν ως εξαρτήματα με αα καθορισμένο ονομαστικό φορτίο.

Μηχανισμός πυρήνα: Υδροδυναμική πίεση από συγκλίνουσα σφήνα

Κάθε έδρανο υδροδυναμικής μεμβράνης ρευστού, συμπεριλαμβανομένων των ρουλεμάν journal, του tiltpad thrust bearing και του κωνικού ρουλεμάν ώθησης εδάφους, έχει την ίδια φέρουσα ικανότητα με τα φυσικά εφέ που περιγράφηκαν ο Osborne Reynolds το 1886. Όταν το παχύρρευστο υγρό σύρεται μέσα από ένα στενό κενό με την κίνηση δύο επιφανειών ρευστού, η πίεση στο εσωτερικό της μεμβράνης αυξάνεται. Αυτή η πίεση, όταν απλώνεται στην περιοχή ρουλεμάν, υποστηρίζει το φορτίο χωρίς επαφή μετάλλου--μετάλλου.

Σε ένα κωνικό ρουλεμάν ώθησης εδάφους-, αυτό το μειούμενο κενό δημιουργείται με τη στερέωση της γεωμετρίας αντί για την κίνηση ή την προσαρμογή. Κάθε παρέμβυσμα στο δακτύλιο ρουλεμάν έχει δύο κύριες περιοχές στην κατεύθυνση περιστροφής.

Taper zone (είσοδος): Η επιφάνεια βρίσκεται σε μικρή γωνία με τους διαδρόμους. Αυτό δημιουργεί ένα κενό που στενεύει καθώς το λάδι έλκεται προς τα μέσα με περιστροφή. Μεγάλο μέρος της υδροδυναμικής πίεσης παράγεται σε αυτή την περιοχή.

Επίπεδη (έξοδος): επιφάνεια παράλληλη με τους διαδρόμους. Αυτή η περιοχή διατηρεί την πίεση μετά την παραγωγή της και το λάδι αφήνει το επίθεμα στην άκρη της ουράς στο αυλάκι αποστράγγισης.

Η αναλογία του μήκους επίπεδης γης προς το συνολικό μήκος των μαξιλαριών είναι γενικά 0,60-0,70. Εάν το επίπεδο έδαφος είναι πολύ κοντό, δεν υπάρχει αρκετή περιοχή για να αντέξει την πίεση που προκύπτει. Εάν διαρκέσει πολύ, η κωνική ζώνη θα είναι πολύ μικρή και η πίεση δεν θα αυξηθεί αποτελεσματικά.

Η εξίσωση Reynolds που εφαρμόζεται στην κωνική γεωμετρία

Η μία-μονοδιάστατη μορφή της εξίσωσης Reynolds για ένα φιλμ ασυμπίεστο, σταθερού-ιξώδους υπό σταθερές συνθήκες είναι:

d/dx (h³ dp/dx)=6 μ U dh/dx

Σε αυτήν την εξίσωση, το h είναι το τοπικό πάχος του φιλμ, το p είναι η πίεση, το mu είναι το δυναμικό ιξώδες, το U είναι η σχετική επιφανειακή ταχύτητα, το x είναι οι συντεταγμένες της κατεύθυνσης της κίνησης.

Για γραμμικές κωνικές εισόδους, το h (x) μειώνεται με σταθερό ρυθμό από το πάχος της μεμβράνης εισόδου h1 στην ελάχιστη μεμβράνη h2 στην κωνική-διασταύρωση εδάφους. Η κλίση πίεσης dp/dx εξαρτάται τόσο από το μU όσο και από το dh/dx. Αυτό έχει τις ακόλουθες άμεσες επιπτώσεις:

• Η υψηλότερη ταχύτητα αυξάνει την πίεση του φιλμ και αυξάνει την ικανότητα φόρτωσης όταν το πάχος του φιλμ είναι το ίδιο.

• Το υψηλότερο ιξώδες έχει το ίδιο αποτέλεσμα με την υψηλότερη ταχύτητα.

• Ένα πιο απότομο κωνικό δεν βελτιώνει πάντα την απόδοση. Εάν η γωνία κωνικότητας γίνει πολύ μεγάλη, η πίεση αυξάνεται πολύ κοντά στην είσοδο και η συνολική κατανομή της πίεσης γίνεται ανομοιόμορφη. Αυτό μειώνει τη συνολική χωρητικότητα φορτίου.

Η βέλτιστη αναλογία κώνου h1/h2 μέγιστης φέρουσας ικανότητας είναι περίπου 2,2 υπό συνθήκες στρωτή ροή και σταθερού{3}}ιξώδους. Αυτό σημαίνει ότι το πάχος του φιλμ εισαγωγής είναι περίπου 2,2 φορές παχύτερο από το ελάχιστο φιλμ. Συγκεκριμένα, εάν το ελάχιστο πάχος φιλμ είναι 15–25 μm, το ύψος του βήματος εισόδου είναι περίπου 33-55 μικρά. Αυτή είναι μια σταθερή μηχανική λειτουργία, όχι κάτι που αλλάζει κατά τη διάρκεια της λειτουργίας.

Γεωμετρία έναντι προσαρμοστικής κλίσης: Πώς διαφέρει η κωνική-γη από την κλίση-

Η κύρια εναλλακτική λύση στο σχεδιασμό του κωνικού εδάφους είναι το ρουλεμάν ώσης με κλίση (Michell/Kingsbury). Σε αυτό το σχέδιο, κάθε μαξιλαράκι είναι τοποθετημένο σε έναν άξονα. Η φλάντζα μπορεί να γείρει και να κλίση ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας και την κίνηση του δρομέα.

Αυτή η αυτορυθμιζόμενη-κίνηση επιτρέπει στη φλάντζα να βρει την βέλτιστη γωνία κατά τη λειτουργία. Βοηθά τα ρουλεμάν να σχηματίσουν μια σταθερή μεμβράνη λαδιού σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων και φορτίων.

Η διαφορά μεταξύ των δύο σχεδίων αντανακλά τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τους περιορισμούς των κωνικών ρουλεμάν γείωσης:

Η σταθερή κωνικότητα αναφέρεται στην υψηλότερη απόδοση του ρουλεμάν κωνικής-εδάφους ώσης στο σημείο εργασίας σχεδιασμού. Επειδή η ταχύτητα είναι πολύ χαμηλότερη από την προβλεπόμενη, η υδροδυναμική μεμβράνη λεπταίνει και τα ρουλεμάν λιπαίνονται κοντά στο όριο-τη μετάβαση μεικτής-λίπανσης που περιγράφεται παρακάτω.

Χωρητικότητα φόρτωσης, ταχύτητα και αριθμός Sommerfeld

Η χωρητικότητα φόρτωσης ενός κωνικού-μαξιλαριού ώσης προσγειώνεται με τοαριθμό ρουλεμάν(μερικές φορές ονομάζεται αριθμός Sommerfeld για ρουλεμάν ώθησης), που ορίζεται ως:

S=μNP(Rc)2S=PμN​(cR​)2

όπουNείναι η ταχύτητα περιστροφής (στροφές/δευτ.),Pείναι η μέση φέρουσα πίεση (φορτίο ÷ προβαλλόμενη περιοχή),Rείναι μια χαρακτηριστική ακτίνα, καιcείναι η άδεια αναφοράς που σχετίζεται μεh₂. Για μια δεδομένη γεωμετρία, η χωρητικότητα φορτίου είναι περίπου ανάλογη μεμNUΤο - σημαίνει ότι η φέρουσα ικανότητα κλιμακώνεται γραμμικά με την ταχύτητα.

Πρακτικά εύρη χωρητικότητας φορτίου για κωνικά-τακάκια ώσης γης σε βιομηχανικές υπηρεσίες (Boyd and Rowe, 1982· Wilcock and Booser, 1957):

Εάν υπερβείτε το όριο αλλά δεν αυξήσετε το ιξώδες ή την ταχύτητα κατά το ίδιο ποσό, τότε η μεμβράνη θα καταρρεύσει και θα έχετε οριακή λίπανση. Εάν κατεβείτε κάτω από την ελάχιστη ταχύτητα, το ρουλεμάν είναι πολύ μεγάλο για το φορτίο. Αυτό δημιουργεί ένα διαφορετικό πρόβλημα: το λάδι δεν μετακινείται μέσα και δεν σαρώνει την κωνική ζώνη αρκετά ομοιόμορφα, επομένως η θερμοκρασία δεν κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλο το πλάτος του τακουνιού.

Groove Geometry and Thermal Management

Κάθε κωνικό-πέλμα γης χωρίζεται από το επόμενο με ένα περιφερειακό αυλάκι αποστράγγισης. Το αυλάκι έχει δύο εργασίες: αφαιρεί το καυτό λάδι από το πίσω άκρο του ενός επιθέματος και δίνει δροσερό λάδι εισαγωγής στο μπροστινό κωνικό τμήμα του επόμενου μαξιλαριού. Αυτή η ανταλλαγή λαδιών είναι ο κύριος τρόπος ελέγχου της θερμότητας σε ένα κωνικό-σχεδιασμό γης. Επειδή τα κωνικά-ρουλεμάν ξηράς δεν έχουν κατευθυνόμενη λίπανση όπως τα ανακλινόμενα-ρουλεμάν, επομένως εξαρτώνται από τον στροβιλισμό των αυλακώσεων για την ανάμειξη ζεστού και κρύου λαδιού προτού εισέλθει στο επόμενο κωνικό.

Το πλάτος του αυλακιού είναι συνήθως 15–25% του συνολικού βήματος του ταμπόν. Οι στενότερες αυλακώσεις κάνουν το κενό μεταξύ των μαξιλαριών μικρότερο, ώστε να χρησιμοποιούν καλύτερα τον χώρο. Αλλά βλάπτουν επίσης την ανάμειξη λαδιού και αυξάνουν τη θερμοκρασία μεταφοράς-. Η θερμοκρασία μεταφοράς-είναι η θερμοκρασία του λαδιού που εισέρχεται στην κωνικότητα σε σύγκριση με τη θερμοκρασία παροχής. Ο Ettles (1969) έδειξε ότι το κλάσμα μεταφοράς-μπορεί να προκαλέσει το 40-70% της αύξησης της θερμοκρασίας του φιλμ σε κωνικούς-σχεδιασμούς εδάφους όταν τρέχει πάνω από 50 m/s ταχύτητα επιφάνειας δρομέα. Έτσι, αυτό μειώνει σημαντικά το αποτελεσματικό ιξώδες και στη συνέχεια μειώνει την ικανότητα φόρτωσης.

Σε υψηλές περιφερειακές ταχύτητες άνω των 60 m/s, η ιξώδης θέρμανση γίνεται το κύριο όριο σχεδιασμού αντί για φορτίο. Η θερμοκρασία τροφοδοσίας λαδιού πρέπει συνήθως να παραμένει στους 40–49 βαθμούς με λάδι στροβίλου ISO VG 32–46. Αυτό γίνεται για να διατηρείται η μέγιστη θερμοκρασία φιλμ κάτω από 95–100 βαθμούς. Αυτή η θερμοκρασία είναι το σημείο όπου επιταχύνεται η θερμική βλάβη στη συσκευασία των προσθέτων του λαδιού.

Μηχανισμός αστοχίας χαμηλής-Ταχύτητας και εκκίνησης-Stop

Ο μεγαλύτερος περιορισμός της σχεδίασης κωνικού εδάφους είναι ο τρόπος που λειτουργεί κατά την εκκίνηση, το κλείσιμο και τη λειτουργία σε χαμηλές ταχύτητες. Επειδή η υδροδυναμική πίεση του φιλμ εξαρτάται από την ταχύτητα, η μέση φέρουσα πίεση των 2,0 MPa μπορεί να είναι μόνο 20% 0,3–0,5 MPa σε κανονική ταχύτητα. Εάν το εφαρμοζόμενο ωστικό φορτίο είναι μεγαλύτερο από αυτή τη χαμηλότερη χωρητικότητα της μεμβράνης, το ελάχιστο πάχος του φιλμ είναι μικρότερο από το άθροισμα της τραχύτητας της επιφάνειας --συνήθως 0,5 έως 1,5 μm Ra για τους τροχούς που φέρουν το έδαφος -- και εμφανίζεται αφρώδης επαφή.

Οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι εκκίνησης και διακοπής υπό φορτίο προκαλούν σταθερή φθορά στην επίπεδη επιφάνεια, κάτι που είναι ανεπανόρθωτο. Σε αντίθεση με τα ρουλεμάν κλίσης, όπου μια μικρή φθορά στον άξονα περιστροφής μπορεί ακόμα να επαναφέρει το μαξιλαράκι, η φθορά στην επίπεδη περιοχή του κωνικού δαπέδου μειώνει άμεσα την περιοχή πίεσης και στη συνέχεια επιταχύνει μεγαλύτερη ζημιά. Η δοκιμή φθοράς τεσσάρων-του ASTM D{3}}4998 τεσσάρων-σφαιριδίων χρησιμοποιείται συνήθως για την εξέταση της απόδοσης των προσθέτων κατά της φθοράς-του λαδιού υπό μεικτές συνθήκες εκκίνησης και διακοπής λίπανσης. Αυτό συμβαίνει επειδή τα πρόσθετα ακραίας πίεσης του λαδιού παρέχουν τη μοναδική υποστήριξη φορτίου όταν το υδροδυναμικό φιλμ δεν έχει ακόμη σχηματιστεί.

Για μηχανές που ξεκινούν συχνά υπό φορτίο-όπως οι αντλίες με κινητήρα που κάνουν ποδήλατο πολλές φορές ανά βάρδια-θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η επιλογή των μαξιλαριών κλίσης. Εναλλακτικά, η προδιαγραφή κωνικής γείωσης θα πρέπει να περιλαμβάνει ένα σύστημα υδροστατικής ανύψωσης για την ώθηση λαδιού εξωτερικά μέσα στο φιλμ σε χαμηλές ταχύτητες.

Περίληψη Πρακτικής Εφαρμογής

Η έννοια του ρουλεμάν των εδράνων ώθησης σε αναβαθμίδες ενσωματώνεται κυρίως στις ακόλουθες τρεις πτυχές:

1.Σύγκλινο σχήμα σφήνας-Κόψτε σε κωνική είσοδο στο h1/h2 τόξο 2.2, έτσι ώστε να δημιουργεί υδροδυναμική πίεση μέσω του μηχανισμού Reynolds.

2. Επίπεδη γείωση -60-70 τοις εκατό του μήκους της φλάντζας-παρέχει την περιοχή υπό πίεση για να φέρει το αξονικό φορτίο.

3. Αποστράγγιση της λεκάνης-Αυτό παρέχει πιο δροσερό λάδι για τον επόμενο κώνο και σταματά το ιξώδες της μεμβράνης θερμικής διάσπασης.

Καμία από τις τρεις παραμέτρους δεν μπορεί να αλλάξει από μόνη της, καθώς κάθε αλλαγή παραμέτρου επηρεάζει και τις τρεις τιμές απόδοσης: χωρητικότητα φόρτωσης, θερμοκρασία φιλμ και ελάχιστο πάχος φιλμ. Επομένως, οι μηχανικοί θα πρέπει να ξεκινούν με τη μέση φέρουσα πίεση σε κανονική ταχύτητα όταν επιλέγουν μια συσκευή κωνικής γείωσης για μια συγκεκριμένη μηχανή. Στη συνέχεια θα πρέπει να ελέγξουν ότι ο αντίστοιχος αριθμός Sommerfeld τοποθετεί το ρουλεμάν σε κατάσταση πλήρους μεμβράνης. Στη συνέχεια, θα πρέπει να επιβεβαιώσουν ότι η στάση εκκίνησης που τροφοδοτεί τη συχνότητα εκκίνησης-διακοπής και τη θερμοκρασία του συστήματος λίπανσης λειτουργούν εντός σταθερών γεωμετρικών ορίων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, σε αντίθεση με το σχεδιασμό του περιστρεφόμενου μαξιλαριού, τα κωνικά ρουλεμάν γείωσης δεν μπορούν να επιδιορθώσουν τις δικές τους συνθήκες λειτουργίας σχεδιασμού.

Αναφορές

• Reynolds, Ο. (1886). Σχετικά με τη θεωρία της λίπανσης και την εφαρμογή της στα πειράματα του κ. Beauchamp Tower, συμπεριλαμβανομένου ενός πειραματικού προσδιορισμού του ιξώδους του ελαιολάδου.Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 177, 157–234.
• Boyd, J., & Rowe, WB (1982).Tribology: Principles and Design Applications. Macmillan Press.
• Wilcock, DF, & Booser, ER (1957).Σχεδιασμός και Εφαρμογή Ρουλεμάν. McGraw-Hill.
• Ettles, CMM (1969). Το ζεστό λάδι μεταφέρεται-στα ρουλεμάν ώθησης.Πρακτικά Ιδρύματος Μηχανολόγων Μηχανικών, 184(12), 75–81.
• Hamrock, BJ, Schmid, SR, & Jacobson, BO (2004).Βασικές αρχές της λίπανσης ρευστού φιλμ(2η έκδ.). Μαρσέλ Ντέκερ.
• Frêne, J., Nicolas, D., Degueurce, Β., Berthe, D., & Godet, Μ. (1997).Υδροδυναμική λίπανση: Ρουλεμάν και ρουλεμάν ώσης. Elsevier.
• Khonsari, MM, & Booser, ER (2008).Applied Tribology: Bearing Design and Lubrication(2η έκδ.). Wiley.
• Szeri, AZ (2011).Λίπανση υγρού φιλμ(2η έκδ.). Cambridge University Press.
• ASTM D4998-22.Τυπική μέθοδος δοκιμής για την αξιολόγηση των χαρακτηριστικών φθοράς των υδραυλικών υγρών τρακτέρ. ASTM International.
• ISO 12168-1:2001.Απλά ρουλεμάν - Στατικό φορτίο-ικανότητα μεταφοράς υδροδυναμικών ωστικών ρουλεμάν κολάρου χωρίς ανακλινόμενα μαξιλαράκια. ISO.
• Stachowiak, GW, & Batchelor, AW (2014).Μηχανική Τριβολογία(4η έκδ.). Butterworth-Heinemann.