A Ρουλεμάν ώθησης ρευστού φιλμφέρουν αξονικό φορτίο, το οποίο είναι δύναμη που ενεργεί παράλληλα με τον άξονα του άξονα. Διαχωρίζει δύο επιφάνειες με ένα υπερτροφοδοτούμενο λιπαντικό φιλμ. Η μεμβράνη είναι πολύ λεπτή και συνήθως μετριέται σε μικρά. Ακόμα κι έτσι, μπορεί να αντέξει την πίεση πολλών megapascals. Λειτουργεί χωρίς στοιχεία κύλισης, μαγνητικά πεδία ή έγχυση αερίου. Αντίθετα, βασίζεται στη γεωμετρία, τη σχετική κίνηση και τη συμπεριφορά των παχύρρευστων ρευστών μεταξύ των συγκλίνουσων επιφανειών. Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί, είναι απαραίτητο να εξετάσουμε τη βασική υδροδυναμική θεωρία. Στη συνέχεια, η θεωρία σχετίζεται με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του σχεδιασμού του ωστικού ρουλεμάν.
Το κεντρικό πρόβλημα: Γιατί το ωστικό φορτίο είναι γεωμετρικά σκληρότερο από το ακτινικό φορτίο
Σε συνηθισμένα ρουλεμάν περιοδικών που υποστηρίζουν ακτινικό φορτίο, ο άξονας περιστροφής κινείται φυσικά σε μια έκκεντρη θέση μέσα στην οπή. Αυτή η εκκεντρότητα δημιουργεί μια σύγκλιση-ένα συγκλίνον-αποκλίνον χάσμα γύρω από την περιφέρεια του κύκλου. Το συγκλίνον τμήμα παράγει υδροδυναμική πίεση που ανυψώνει τον άξονα από το τοίχωμα έδρασης. Η γεωμετρία αναπτύσσεται φυσικά. Ακόμα κι αν ο άξονας είναι απόλυτα κυλινδρικός και η τρύπα είναι τέλεια κυλινδρική, το φορτίο προκαλεί εκκεντρικότητα. Ως αποτέλεσμα, το διάκενο του λιπαντικού αποκτά-σχήμα σφήνας.
Το αξονικό φορτίο δημιουργεί μια πολύ διαφορετική κατάσταση. Ο τροχός είναι ένας περιστρεφόμενος δακτύλιος ώθησης στον άξονα που βλέπει προς το ρουλεμάν και εκτείνεται σε δύο σχεδόν παράλληλα επίπεδα. Όταν δύο παράλληλες επιφάνειες κινούνται μεταξύ τους, δεν μπορούν να δημιουργήσουν από μόνες τους υδροδυναμική πίεση. Τα λιπαντικά δεν μπορούν να συμπιεστούν επειδή το κενό παραμένει το ίδιο σε όλη την επιφάνεια. Αντίθετα, το υγρό ρέει προς τα έξω κατά μήκος όλων των ακτινικών κατευθύνσεων χωρίς αύξηση της πίεσης. Η εξίσωση λίπανσης του Reynolds, που αναπτύχθηκε από την εξίσωση Navier-Stokes σε μια προσέγγιση λεπτής μεμβράνης, το καθιστά σαφές. Η πίεση εμφανίζεται μόνο όταν υπάρχει ένα συγκλίνον διάκενο που ονομάζεται όρος σφήνας ή ένα ύψος διακένου που ονομάζεται όρος όρου φιλμ συμπίεσης που ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου. Μια τέλεια παράλληλη επιφάνεια που κινείται με σταθερή ταχύτητα δεν ικανοποιεί κανένα από τα δύο (Reynolds, Philosophical Transactions of the Royal Society, vol 177, 1886).
Αυτό είναι το βασικό μηχανολογικό πρόβλημα που πρέπει να λύσει το ρουλεμάν ώθησης υγρού φιλμ. Πρέπει να σχηματίζει μια συγκλίνουσα σφήνα μεταξύ δύο επιφανειών και φυσικά να παραμένει παράλληλη υπό αξονικό φορτίο.
The Reynolds Equation: Mathematical Foundation
Η εξίσωση Reynolds λεπτής μεμβράνης για ένα ασυμπίεστο ρευστό με σταθερό ιξώδες μπορεί να γραφτεί ως εξής:
Estracheit (h3 trail/ trail) + trail/ trail (h3 trail/ trail)=6U trail/ trail x + 12trail/ trail
Σε αυτήν την εξίσωση, h είναι το πάχος του τοπικού φιλμ ανάλογα με τη θέση. p είναι η υδροδυναμική πίεση. Ο μετατροπέας ενέργειας είναι το δυναμικό ιξώδες του λιπαντικού. U είναι η σχετική ταχύτητα μεταξύ δύο επιφανειών. Η υπολειπόμενη διαφορά είναι ο ρυθμός με τον οποίο το πάχος της μεμβράνης αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Ο όρος είναι σημαντικός μόνο όταν υπάρχει αποτέλεσμα μεμβράνης εξώθησης.
Η δεξιά πλευρά της εξίσωσης δείχνει δύο τρόπους δημιουργίας πίεσης.
Εριπίντε
Η πίεση εμφανίζεται όταν το πάχος της λεπτής μεμβράνης h μειώνεται κατά την κατεύθυνση της κίνησης. Με άλλα λόγια, το χάσμα πρέπει να κλείνει. Η προκύπτουσα πίεση αυξάνεται με το ιξώδες και την ταχύτητα ολίσθησης του λιπαντικού. Εάν το ιξώδες είναι μηδέν, η πίεση εξαφανίζεται. Το ίδιο θα συνέβαινε αν η ταχύτητα ολίσθησης ήταν μηδέν. Σε καμία περίπτωση τα ρουλεμάν δεν μπορούν να υποβληθούν σε υδροδυναμική δράση.
Ορολογία συμπιεσμένου φιλμ (απόδοση μετατροπής ενέργειας)
Με την πάροδο του χρόνου, τα κενά γίνονται μικρότερα και μπορεί να είναι αγχωτικά. Αυτό συμβαίνει ακόμα και όταν δεν υπάρχει κίνηση ολίσθησης μεταξύ των επιφανειών. Αυτό το φαινόμενο είναι σημαντικό σε συστήματα με ταχέως μεταβαλλόμενα ρουλεμάν κρούσης, συνθήκες εκκίνησης κινητήρα και φορτία. Στα ρουλεμάν ώσης που λειτουργούν με σταθερή ταχύτητα, ο όρος είναι συνήθως πολύ μικρός σε σταθερή λειτουργία. Ωστόσο, αυτό γίνεται πολύ σημαντικό όταν οι μηχανικοί μελετούν τη σταθερότητα των ρουλεμάν κάτω από διαφορετικά φορτία.
Η πρακτική ιδέα είναι απλή. Το ρουλεμάν ώσης λειτουργεί ελέγχοντας τη συνάρτηση h(x), η οποία περιγράφει το προφίλ πάχους του φιλμ. Το υπόλειμμα πρέπει να είναι σχεδιασμένο ώστε να κινείται προς αρνητική κατεύθυνση. Αυτό σημαίνει ότι η λιπαντική μεμβράνη λεπταίνει καθώς η διαδρομή ροής περνά μέσα από τη φλάντζα. Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός ρουλεμάν ώσης επικεντρώνεται στη δημιουργία και τη συντήρηση μιας συγκλίνουσας μεμβράνης υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, όπως θερμοκρασία, διακυμάνσεις φορτίου, ταχύτητα περιστροφής και κακή ευθυγράμμιση άξονα.
Πώς δημιουργείται η συγκλίνουσα σφήνα: Τρεις γεωμετρικές προσεγγίσεις
1. Διορθώθηκε-Geometry Tapered-Pads
Η απλούστερη μέθοδος είναι η επεξεργασία των επιφανειών του ρουλεμάν με μικρούς κώνους. Αυτό σημαίνει ότι η άκρη του μολύβδου, την οποία συναντά πρώτα ένας περιστρεφόμενος δρομέας, είναι ελαφρώς βαθύτερη από την άκρη της ουράς. Η κωνική γωνία είναι μικρή. Συνήθως μεταξύ 0,5 και 2,0 milliradians. Αυτό δημιουργεί μια διαφορά ύψους μόνο μερικών μικρών σε όλο το μήκος της φλάντζας. Καθώς ο τροχός περνά μέσα από την κωνική επιφάνεια, τραβά το λιπαντικό από μια βαθύτερη περιοχή σε μια πιο ρηχή. Ως αποτέλεσμα, η πίεση αυξάνει την περιοχή σύγκλισης.
Οι βεράντες είναι απλές στο σχεδιασμό και χαμηλού κόστους. Επίσης δεν απαιτεί κινούμενα μέρη μέσα στα ρουλεμάν. Ωστόσο, έχει έναν σημαντικό περιορισμό. Οι βέλτιστες αλλαγές γωνίας κωνικότητας ποικίλλουν ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Η κατανομή του πάχους h (x) επηρεάζεται από την αύξηση της θερμοκρασίας, τη φθορά και την αλλαγή της ταχύτητας. Εξαιτίας αυτού, τα ρουλεμάν ενδέχεται να αποκλίνουν από τις βέλτιστες συνθήκες εργασίας. Σε χαμηλό φορτίο, η κωνικότητα μπορεί να είναι πολύ μεγάλη. Σε υψηλά φορτία και θερμοκρασίες, η θερμική διαστολή αλλάζει το σχήμα της φλάντζας και μεταβάλλει το αποτελεσματικό προφίλ κωνικότητας με απρόβλεπτους τρόπους (Khonsari & Booser, Applied Tribology, 2nd ed.., Cambridge University Press, 2017).
2. Ρουλεμάν με κλίση-Περίστρωμα
Ο σχεδιασμός με κλίση-επινοήθηκε από τον Anthony Michell και τον Kingsbury στις αρχές του 20ου αιώνα. Σε αυτό το σχέδιο, κάθε μαξιλαράκι μπορεί να περιστρέφεται ελαφρώς γύρω από ένα σημείο περιστροφής. Όταν ο τροχός περνά μέσα από την επιφάνεια του μαξιλαριού, σέρνει λιπαντικό μέσα από το κενό. Το μπροστινό άκρο είναι μακριά από το δρομέα και το πίσω άκρο είναι πιο κοντά στον δρομέα επειδή το μαξιλαράκι μπορεί να γέρνει. Αυτό δημιουργεί αυτόματα μια συγκλίνουσα σφήνα. γωνία σφήνας και στη συνέχεια προσαρμόζονται στις συνθήκες λειτουργίας.
Η διαδικασία της αυτο-ρύθμισης είναι απλή. Καθώς ο τροχός πλησιάζει την επένδυση, δημιουργείται πίεση στο λιπαντικό φιλμ. Αυτή η πίεση δημιουργεί περιστροφικές δυνάμεις γύρω από τον άξονα. Το παρέμβυσμα συνεχίζει να γέρνει έως ότου η δύναμη εξισορροπηθεί από τη στήριξη του υπομόχλου. Σε αυτή την κατάσταση ισορροπίας, η γωνία κλίσης γίνεται η ακριβής τιμή που απαιτείται για την υποστήριξη του φορτίου στην τρέχουσα ταχύτητα και ιξώδες του λιπαντικού. Εάν το φορτίο αυξάνεται, η μεμβράνη γίνεται πιο λεπτή και το ιξώδες αυξάνεται. Στη συνέχεια, η φλάντζα έγειρε περισσότερο για να διατηρήσει την ισορροπία. Αν αυξηθεί η ταχύτητα, η μεμβράνη παχαίνει και τα μαξιλάρια γέρνουν λιγότερο. Με αυτόν τον τρόπο, τα ρουλεμάν μπορούν να ρυθμιστούν αυτόματα χωρίς εξωτερικό έλεγχο.
Τα ανακλινόμενα-ρουλεμάν ώσης χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικό εξοπλισμό υψηλής ζήτησης. Παραδείγματα περιλαμβάνουν ατμοστρόβιλους, φυγόκεντρους συμπιεστές, μεγάλες υδροηλεκτρικές γεννήτριες και άξονες πρόωσης πλοίων. Είναι δημοφιλείς επειδή προσαρμόζονται αυτόματα στις αλλαγές στο φορτίο, την ταχύτητα και την ευθυγράμμιση. Αυτό βοηθά στην πρόληψη της αστοχίας της μεμβράνης και της άμεσης επαφής μεταξύ των επιφανειών.
θέση περιστροφής, επίσης. Εάν ο άξονας περιστροφής βρίσκεται στο κέντρο του μαξιλαριού, ή περίπου στο 50% του μήκους του μαξιλαριού, από την μπροστινή άκρη, το ρουλεμάν λειτουργεί καλύτερα σε μια περιστροφική φορά και είναι μη αναστρέψιμο. Για εξοπλισμό που πρέπει να περιστρέφεται και προς τις δύο κατευθύνσεις, οι στροφείς τοποθετούνται συνήθως στο 60% περίπου του μήκους της επένδυσης. Αυτή η διάταξη μειώνει τη μέγιστη χωρητικότητα φορτίου στην προτιμώμενη κατεύθυνση, αλλά παρέχει αποδεκτή απόδοση και στις δύο κατευθύνσεις περιστροφής (Hamrock, Schmid & Jacobson, Mechanics Principles, 3rd ed., CRC Press, 2019).
3. Βήμα-Ρουλεμάν προφίλ (Rayleigh Step).
Το 1918, ο Λόρδος Rayleigh έδειξε ότι το καλύτερο φόρτωμα περιγράμματος ταινίας δεν είναι μια σταδιακή μείωση. Αντίθετα, είναι ένα προφίλ βημάτων. Το σχέδιο έχει ένα επίπεδο βαθύ άκρο στην είσοδο και ένα επίπεδο ρηχό άκρο στην έξοδο, που χωρίζεται από ένα ξαφνικό βήμα. Το βήμα Rayleigh παράγει περισσότερη πίεση από γραμμικούς κώνους παρόμοιου μεγέθους. Αυτό συμβαίνει επειδή η πίεση σχηματίζεται στην περιοχή εισαγωγής και διατηρείται στα βήματα πριν αρχίσει να διασκορπίζεται το φιλμ (Rayleigh, Notes on Lubrication Theory, Journal of Philosophy, Series 6, Volume 35, 1918).
Τα ρουλεμάν stepper χρησιμοποιούνται κυρίως όπου μπορούν να κατασκευαστούν με ακρίβεια. Αυτό γίνεται συνήθως με μηχανική κατεργασία ακριβείας ή με πλαστικοποίηση επιφανειών με αυλακώσεις. Αυτά τα ρουλεμάν γενικά δεν είναι κατάλληλα για αμφίδρομη περιστροφή. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστήματα υψηλής-ταχύτητας και ελαφρού-καθήκοντος, όπως γυροσκόπια και όργανα ακριβείας. Δεν είναι κοινά σε βαρύ βιομηχανικό εξοπλισμό επειδή είναι δύσκολο να διατηρηθεί η απαιτούμενη γεωμετρία βημάτων όταν συμβαίνει θερμική διαστολή και μηχανική παραμόρφωση.
Λεπτομέρειες Ο Φυσικός Μηχανισμός: Τι συμβαίνει στη Συγκλίνουσα Ταινία
Αφήνοντας την εξίσωση και κοιτάζοντας τη φυσική διαδικασία, είναι ευκολότερο να καταλάβουμε πώς η σφήνα δημιουργεί πίεση.
Σκεφτείτε ότι η επιφάνεια του πεπλατυσμένου καναλιού κινείται με ταχύτητα U σε ένα κωνικό μαξιλάρι. Το πάχος του φιλμ μειώνεται από h_inlet σε h_outlet κατά την κατεύθυνση της κίνησης. Το λιπαντικό εισέρχεται στο κενό στην είσοδο σε έναν κωνικό χώρο. Τα υγρά δεν μπορούν απλώς να συμπιεστούν για να χωρέσουν μικρότερους χώρους, επειδή στις περισσότερες εφαρμογές ρουλεμάν ώσης, τα υγρά είναι σχεδόν ασυμπίεστα. Αυτό ισχύει για τυπικά ορυκτέλαια με πίεση κάτω από περίπου 500 MPa (Bair & Winer, Journal of ASME Journal of Tribology, vol. 114, 1992). Επομένως, η ίδια ποσότητα υγρού πρέπει να περάσει από μικρότερα κενά.
Καθώς η μεμβράνη λεπταίνει, η μέση ταχύτητα του λιπαντικού λαδιού πρέπει να αυξάνεται. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα ρευστό ίδιου όγκου πρέπει να διέρχεται από μικρότερο όγκο διατομής.
Το λιπαντικό μέσα στο φιλμ δεν κινείται με την ίδια ταχύτητα πουθενά. Η ταχύτητα του ρευστού ποικίλλει ανάλογα με το πάχος της μεμβράνης. Είναι μηδέν στην ακίνητη επιφάνεια του μαξιλαριού και U στην επιφάνεια του κινούμενου δρομέα. Επομένως, η πίεση μέσα στο φιλμ πρέπει να ρυθμιστεί για να ευθυγραμμιστεί η ροή με τις απαιτήσεις συνέχειας.
Στο συγκλίνον τμήμα του φιλμ, η πίεση αυξάνεται κατά μήκος της κατεύθυνσης της κίνησης. Αυτό βοηθά στον έλεγχο της ροής του υγρού και εμποδίζει το λιπαντικό να φύγει πολύ γρήγορα από την περιοχή. Εάν υπάρχει ζώνη διασποράς, η πίεση μειώνεται. Επομένως, σχηματίζεται μια κορυφή πίεσης στο τμήμα πολυμερισμού της μεμβράνης. Αυτή η κατανομή πίεσης είναι κοινώς γνωστή ως λόφος πίεσης. Όταν η πίεση ενσωματωθεί στην περιοχή του μαξιλαριού, δημιουργείται η δύναμη που απαιτείται για τη στήριξη του φορτίου.
Ο λόφος πίεσης υποστηρίζει τους δρομείς. Μια λεπτή μεμβράνη λιπαντικού λαδιού χωρίζει τον δρομέα από την επένδυση. Σε καλά σχεδιασμένα βιομηχανικά ρουλεμάν ώθησης-το ελάχιστο πάχος φιλμ, h_min, είναι συνήθως μεταξύ 5 και 50 microns. Για κωνικά-σχέδια εδάφους, αυτό το ελάχιστο πάχος είναι συνήθως κοντά στην άκρη της ουράς (Wilcock & Booser, Bearing Design and Applications, McGraw-Hill, 1957).
Οι περιστροφείς και οι φλάντζες δεν πρέπει να έρχονται σε επαφή μεταξύ τους κατά την κανονική χρήση. Ένα λεπτό στρώμα υγρού τα χωρίζει. Στην υψηλότερη πίεση, αυτό το λιπαντικό φιλμ μπορεί να αντέξει περισσότερες πιέσεις από ό,τι μπορούν να αντέξουν πολλοί δομικοί χάλυβες.
Θερμοκρασία και ιξώδες: Ο βρόχος ανάδρασης
Η απόδοση μετατροπής ενέργειας, η απόδοση μετατροπής ενέργειας, εμφανίζεται απευθείας σε δύο μέρη της εξίσωσης Reynolds. Εξαιτίας αυτού, υπάρχει μια πολύ σημαντική διαδικασία ανάδρασης εντός του ρουλεμάν. Το λιπαντικό παράγει πίεση και συνεπώς χωρητικότητα φορτίου, ανάλογα με το ιξώδες. Ταυτόχρονα, η τριβή μέσα στο λιπαντικό παράγει θερμότητα, η οποία μειώνει το ιξώδες του λιπαντικού.
Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του ρουλεμάν, το λάδι γίνεται πιο λεπτό. Με την ίδια ταχύτητα και γεωμετρία, το πιο λεπτό λάδι παράγει λιγότερη πίεση. Εάν το φορτίο παραμένει το ίδιο, η λιπαντική μεμβράνη πρέπει να είναι πιο λεπτή για να υποστηρίξει το φορτίο. Όσο πιο λεπτό φιλμ, τόσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός διάτμησης μέσα στο λιπαντικό. Αυτό δημιουργεί περισσότερη θερμότητα τριβής, η οποία μειώνει περαιτέρω το ιξώδες. Μετά ο κύκλος συνεχίζεται. Εάν αυτή η διαδικασία δεν ελέγχεται, μπορεί να οδηγήσει σε θερμική αστάθεια και αστοχία ρουλεμάν.
Ο ρυθμός παραγωγής θερμότητας από την ιξώδη διάτμηση σε ένα φιλμ που φέρει ώση μπορεί να εκτιμηθεί από:
Q_τριβή=η (U/h)² × A_pad × h
όπου A_pad είναι η περιοχή pad.
Αυτή η εξίσωση μπορεί να απλοποιηθεί ως εξής:
Q_τριβή=ηU²A_pad/h
Αυτή η μορφή δείχνει ότι η θερμότητα τριβής είναι αντιστρόφως ανάλογη με το πάχος του φιλμ. Καθώς η μεμβράνη λεπταίνει, η θερμότητα που παράγεται αυξάνεται γρήγορα.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να αφαιρέσετε αυτή τη θερμότητα από τα ρουλεμάν. Η θερμότητα μπορεί να εισέλθει στο περίβλημα του ρουλεμάν μέσω του υλικού του μαξιλαριού. Η θερμότητα μπορεί επίσης να αφαιρέσει το λιπαντικό από το φιλμ στο πίσω άκρο. Επιπλέον, η θερμότητα μπορεί να εισέλθει στον άξονα μέσω της κλωστής.
Η παραγωγή θερμότητας και η απομάκρυνση θερμότητας εξισορροπούνται σε λογικά σχεδιασμένα ρουλεμάν. Σε αυτό το σημείο, η θερμοκρασία του λιπαντικού είναι σταθερή και το λάδι διατηρεί αρκετό ιξώδες για να υποστηρίξει το φορτίο.
Δύο παράγοντες είναι ιδιαίτερα σημαντικοί για τον έλεγχο της θερμοκρασίας. Το πρώτο είναι η θερμική αγωγιμότητα του υλικού του μαξιλαριού. Το δεύτερο είναι η ροή του λιπαντικού μέσω του ρουλεμάν. Τα παρεμβύσματα από χαλκό και{3}}κράμα χαλκού μεταφέρουν τη θερμότητα πιο αποτελεσματικά από τα χαλύβδινα τακάκια. Επομένως, υπό τις ίδιες συνθήκες φορτίου και ταχύτητας, συνήθως λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες μεμβράνης.
Η μέθοδος λίπανσης επηρεάζει επίσης τη θερμοκρασία. Η λίπανση με πλημμύρα παρέχει πολύ λάδι στην κοιλότητα του ρουλεμάν και εξαλείφει περισσότερη θερμότητα. Η κατευθυνόμενη-λίπανση τροφοδοσίας παρέχει κυρίως λάδι στο μπροστινό άκρο κάθε φλάντζας και συνήθως απαιτεί λιγότερο λάδι. Ωστόσο, τα συστήματα πλημμύρας μπορούν να προκαλέσουν μεγαλύτερες απώλειες ανάδευσης σε μεγάλες-μηχανές υψηλής ταχύτητας (Etz, Journal of ASME Tribology, vol 102, 1980).
Ελάχιστο πάχος φιλμ και χωρητικότητα φορτίου: Μηχανική του λειτουργικού σημείου
Το ελάχιστο πάχος μεμβράνης, h_min, είναι η πιο σημαντική παράμετρος λειτουργίας ενός ρουλεμάν ώθησης ρευστού φιλμ. Δείχνει εάν το ρουλεμάν λειτουργεί με ασφάλεια στο καθεστώς υδροδυναμικής λίπανσης ή κινείται προς μικτή ή οριακή λίπανση, όπου μπορεί να ξεκινήσει η επιφανειακή επαφή.
Η σχέση μεταξύ του ελάχιστου πάχους μεμβράνης και των συνθηκών λειτουργίας εκφράζεται συχνά με έναν χαρακτηριστικό αριθμό ώθησης-:
h_min / L ∝ √(ηUL / W)
Σε αυτή την εξίσωση, L είναι το μήκος του ταμπόν προς την κατεύθυνση της κίνησης και W είναι το εφαρμοζόμενο ωστικό φορτίο.
Αυτή η σχέση δείχνει πώς οι διαφορετικοί λειτουργικοί παράγοντες επηρεάζουν το πάχος του φιλμ.
Αυξήστε την ταχύτητα U
Καθώς οι στροφές αυξάνονται, το λιπαντικό φιλμ πυκνώνει. Αυτό είναι συνήθως ευεργετικό γιατί βελτιώνει τον διαχωρισμό της επιφάνειας. Ωστόσο, οι υψηλότερες ταχύτητες μπορούν επίσης να αυξήσουν την κολλώδη θέρμανση, η οποία μπορεί να προκαλέσει προβλήματα θερμότητας.
Αύξηση ιξώδους η
Όταν αυξάνεται το ιξώδες, το λιπαντικό φιλμ πυκνώνει. Αυτό αυξάνει την ικανότητα μεταφοράς. Ωστόσο, υψηλότερο ιξώδες, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια ανάδευσης και τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία εργασίας.
Μειώστε το φορτίο W
Καθώς το φορτίο μειώνεται, το λιπαντικό φιλμ πυκνώνει. Αυτός είναι ο πιο άμεσος τρόπος για να αυξήσετε το πάχος της μεμβράνης.
Μειώστε το μήκος του μαξιλαριού L
Η επίδραση του μήκους του μαξιλαριού είναι πολύπλοκη. Τα πιο κοντά μαξιλάρια μπορούν να αυξήσουν την κλίση πάχους της μεμβράνης. Αυτό μπορεί να αυξήσει την ποσότητα της πίεσης που παράγεται ανά μονάδα επιφάνειας. Ωστόσο, τα πιο κοντά μαξιλάρια παρέχουν επίσης μικρότερη επιφάνεια στήριξης, με αποτέλεσμα χαμηλότερη συνολική χωρητικότητα φορτίου.
Στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές, το ελάχιστο πάχος μεμβράνης είναι μεταξύ 15 και 50 microns, γεγονός που παρέχει επαρκή προστασία από την επιφανειακή επαφή. Αυτή η σειρά λαμβάνει υπόψη την τραχύτητα της επιφάνειας, τις δυναμικές συνθήκες λειτουργίας και τη μόλυνση του λιπαντικού. Η τραχύτητα της επιφάνειας των ρουλεμάν ακριβείας είναι συνήθως μεταξύ 0,2 και 0,8 μικρομέτρων.
Όταν το ελάχιστο πάχος φιλμ είναι μικρότερο από 10 μικρά, τα ρουλεμάν μπορεί να εισέλθουν στο καθεστώς μικτής λίπανσης. Σε αυτήν την κατάσταση, μπορεί να προκύψει κάποια επαφή μεταξύ των επιφανειακών αδιαφανειών. Ως εκ τούτου, οι μηχανικοί πρέπει να δίνουν μεγάλη προσοχή στο φινίρισμα της επιφάνειας, τον έλεγχο της μόλυνσης και τις διαδικασίες ενεργοποίησης και απενεργοποίησης (Booser & Khonsari, STLE Life Factors for Plain Bearings, Society of Tribologists and Lubrication Engineers, 2020). Lubrication Engineers, 2020).
Εκκίνηση και τερματισμός λειτουργίας: Η αναπόφευκτη μικτή-περίοδος λίπανσης
Κάθε υδροδυναμικό έδρανο ώσης, ανεξάρτητα από το πόσο καλά σχεδιασμένο, υπόκειται σε μικτή ή οριακή λίπανση κατά την εκκίνηση και το κλείσιμο. Όταν ο άξονας είναι ακίνητος, η ταχύτητα U στην εξίσωση Reynolds είναι μηδέν. Επομένως, δεν μπορεί να δημιουργηθεί υδροδυναμική πίεση. Ολόκληρο το ωστικό φορτίο υποστηρίζεται απευθείας από την επιφάνεια του μαξιλαριού.
Καθώς ο άξονας περιστρέφεται, η λιπαντική μεμβράνη σχηματίζεται σταδιακά. Τα ρουλεμάν λιπαίνονται πρώτα στο όριο, όπου η επιφάνεια χωρίζεται από πολύ λεπτά λιπαντικά στρώματα. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα, το ρουλεμάν εισέρχεται σε μικτή λίπανση. Σε αυτό το στάδιο, μέρος του φορτίου φέρει η λιπαντική μεμβράνη, ενώ ορισμένες επιφανειακές ασπρεις παραμένουν σε επαφή. Καθώς η ταχύτητα αυξάνεται περαιτέρω, σχηματίζεται μια πλήρης υδροδυναμική μεμβράνη. Σε αυτό το σημείο, η λιπαντική μεμβράνη διαχωρίζει πλήρως την επιφάνεια.
Η ταχύτητα με την οποία συμβαίνει ο πλήρης διαχωρισμός ονομάζεται ταχύτητα μετάβασης. Αυτή η ταχύτητα εξαρτάται από το φορτίο, το ιξώδες του λιπαντικού και το φινίρισμα της επιφάνειας. Σε καλά-σχεδιασμένα, ποιότητα επιφάνειας και καλά-λιπασμένα βιομηχανικά ρουλεμάν, η ταχύτητα μετάβασης είναι συνήθως μεταξύ 0,5% και 5% της κανονικής ταχύτητας λειτουργίας (Stachowiak & Batchelor, Engineering Tribology, 4η έκδοση, Butterworth-Heinemann, 2014).
Κάτω από την ταχύτητα μετάβασης, υπήρχε ακόμα κάποια επιφανειακή επαφή. Στο μεταξύ, μπορεί να υπάρξει φθορά. Εάν το ρουλεμάν περάσει από πολλαπλούς κύκλους εκκίνησης και διακοπής, αυτή η φθορά βλάπτει σταδιακά το φινίρισμα της επιφάνειας ακριβείας που απαιτείται για αποτελεσματική υδροδυναμική λειτουργία.
Για το λόγο αυτό, πολλοί μεγάλοι στρόβιλοι και συμπιεστές χρησιμοποιούν συστήματα υδροστατικού λαδιού ανύψωσης. Αυτά τα συστήματα εγχύουν λάδι υψηλής πίεσης, συνήθως μεταξύ 20 και 70 MPa, μέσω οπών στο ρουλεμάν πριν αρχίσει να περιστρέφεται ο άξονας. Το λιπαντικό υπό πίεση διαχωρίζει την επιφάνεια για να αποτρέψει την άμεση επαφή κατά την εκκίνηση-.
Αφού ο άξονας φτάσει σε αρκετά υψηλή ταχύτητα για να παράγει μια σταθερή υδροδυναμική μεμβράνη, η επάνω παροχή λαδιού διακόπτεται. Στη συνέχεια, τα ρουλεμάν λειτουργούν χρησιμοποιώντας τη δική του υδροδυναμικά παραγόμενη λιπαντική μεμβράνη. Αυτή η μέθοδος αυξάνει το κόστος εξοπλισμού και απαιτεί πρόσθετη ισχύ άντλησης, αλλά σε εφαρμογές με συχνούς κύκλους εκκίνησης και κλεισίματος, μπορεί να παρατείνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του ρουλεμάν.
Βασικές μεταβλητές σχεδίασης και η επίδρασή τους στην απόδοση του ρουλεμάν
Οι ακόλουθες μεταβλητές είναι οι κύριοι σχεδιαστικοί παράγοντες για ένα ρουλεμάν ώθησης ρευστού φιλμ.
Γωνία τόξου μαξιλαριού (Περιφερειακό πλάτος)
Το τόξο pad παρέχει περιοχή μαξιλαριού. Εξαιτίας αυτού, κάθε φλάντζα μπορεί να υποστηρίξει μεγαλύτερο φορτίο. Ωστόσο, τα μεγαλύτερα μαξιλάρια παράγουν επίσης περισσότερη θερμότητα. Στα ρουλεμάν πολλαπλής-επένδυσης ώσης, η γωνία τόξου του μαξιλαριού είναι συνήθως μεταξύ 25 μοιρών και 60 μοιρών .
Αριθμός μαξιλαριών
Η χρήση περισσότερων παρεμβυσμάτων μπορεί να βελτιώσει την κατανομή του φορτίου και να μειώσει τη μέγιστη πίεση σε κάθε φλάντζα. Ωστόσο, περισσότερα παρεμβύσματα σημαίνουν επίσης περισσότερους στροφείς, μεγαλύτερη διακύμανση θερμοκρασίας, ρουλεμάν και μεγαλύτερη πολυπλοκότητα κατασκευής. Τα περισσότερα βιομηχανικά ρουλεμάν ώσης χρησιμοποιούν 6-12 τακάκια.
Θέση περιστροφής (Σχέδια με κλίση-μαξιλαριού)
Η θέση περιστροφής έχει μεγάλο αντίκτυπο στην απόδοση. Το pivot, που βρίσκεται στο 50% του μήκους της επένδυσης, παρέχει βέλτιστη απόδοση σε μια φορά περιστροφής. Ο άξονας περιστροφής, που βρίσκεται στο 60% του μήκους της φλάντζας, μειώνει ελαφρώς την απόδοση αιχμής, αλλά επιτρέπει την αποδεκτή λειτουργία και στις δύο κατευθύνσεις περιστροφής.
Υλικό μαξιλαριού
Η επιλογή του υλικού του μαξιλαριού επηρεάζει τη μεταφορά θερμότητας και την αντοχή. Τα χαλύβδινα μαξιλάρια είναι άκαμπτα και μπορούν να διατηρήσουν καλά το σχήμα των χαλύβδινων μαξιλαριών κατά τη χρήση. Τα παρεμβύσματα από κράμα χαλκού μπορούν να μεταφέρουν τη θερμότητα πιο αποτελεσματικά και να βοηθήσουν στη μείωση της θερμοκρασίας του λιπαντικού λαδιού.
Πολλά τακάκια ρουλεμάν χρησιμοποιούν επίσης επιφάνεια ρουλεμάν με επίστρωση Babbit-. Το Babbitt, το οποίο μπορεί να βασίζεται σε κασσίτερο ή μόλυβδο, προσαρμόζεται σε μικρές επιφανειακές ανωμαλίες και απορροφά μικρά σωματίδια ρύπανσης. Αυτό βελτιώνει την αξιοπιστία του ρουλεμάν. Η αντοχή σε κόπωση του στρώματος babbitt περιορίζει τη μέγιστη πίεση εργασίας. Τα συμβατικά υλικά babbitt αντέχουν συνήθως πίεση περίπου 10 έως 15 MPa. Υλικά επικάλυψης με υψηλή-κασσίτερο και αλουμίνιο- συνήθως μπορούν να αντέξουν πίεση μεταξύ 18 και 25 MPa (Khonsari & Booser, 2017).
Βαθμός ιξώδους λιπαντικού
Το ιξώδες του λιπαντικού έχει μεγάλη επίδραση στην απόδοση του ρουλεμάν. Το λάδι με υψηλότερο ιξώδες μπορεί να αντέξει μεγαλύτερο φορτίο σε χαμηλότερη ταχύτητα. Ωστόσο, παράγουν επίσης περισσότερη θερμότητα σε υψηλές ταχύτητες.
Τα ορυκτέλαια ISO VG 32 έως ISO VG 68 χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές στροβιλομηχανών. Σε πιο αργό και βαρύτερο βιομηχανικό εξοπλισμό, όπως συστήματα μετάδοσης κίνησης και συμπιεστές, χρησιμοποιούνται συνήθως λιπαντικά ISO ISO VG 100 έως ISO VG 320 (ISO 3448:1992, Ταξινόμηση ιξώδους ISO βιομηχανικά υγρά λιπαντικά).
Βιομηχανικά υγρά λιπαντικά - Ταξινόμηση ιξώδους ISO).
Ακτινικές διαστάσεις (Εσωτερική και εξωτερική ακτίνα)
Οι εσωτερικές και εξωτερικές ακτίνες επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ρουλεμάν. Η μέση ακτίνα καθορίζει την ταχύτητα ολίσθησης μιας δεδομένης ταχύτητας άξονα.
Όσο μεγαλύτερη είναι η αναλογία της εξωτερικής ακτίνας προς την εσωτερική ακτίνα, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του μαξιλαριού. Αυτό μπορεί να αυξήσει την ικανότητα φόρτωσης. Ωστόσο, δημιουργεί επίσης μεγαλύτερη διαφορά στην ταχύτητα ολίσθησης σε όλο το πλάτος του μαξιλαριού. Ως αποτέλεσμα, η κατανομή της πίεσης γίνεται ανομοιόμορφη και η πραγματική ικανότητα μεταφοράς μπορεί να είναι χαμηλότερη από αυτή που υποδεικνύεται μόνο από την περιοχή του μαξιλαριού.
Λειτουργίες αποτυχίας και η σύνδεσή τους με την αρχή εργασίας
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί ένα ρουλεμάν ώθησης καθιστά πιο κατανοητούς τους τρόπους αστοχίας του.
Κατάρρευση ταινίας (Λιπαντικό λιμοκτονία)
Εάν η παροχή λιπαντικού είναι πολύ χαμηλή, η μεμβράνη λαδιού στην μπροστινή άκρη γίνεται πιο λεπτή. Ως αποτέλεσμα, η υδροδυναμική σφήνα δεν αναπτύσσεται κανονικά. Το ελάχιστο πάχος του φιλμ στη συνέχεια μειώθηκε, πιθανώς κάτω από το επίπεδο που απαιτείται για την πλήρη-λίπανση του φιλμ. Όταν συμβεί αυτό, το ρουλεμάν εισέρχεται στο καθεστώς μεικτής-λίπανσης.
Καθώς αρχίζει να εμφανίζεται η επιφανειακή επαφή, οι νιφάδες ή τα καλύμματα αρχίζουν να φθείρονται. Αυτή η επαφή δημιουργεί περισσότερη τριβή και θερμότητα. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο χαμηλότερο είναι το ιξώδες του λιπαντικού, καθιστώντας το φιλμ πιο λεπτό. Στη συνέχεια, η διαδικασία συνεχίζεται, οδηγώντας δυνητικά σε απώλεια θερμότητας και αστοχία ρουλεμάν (Booser & Khonsari, 2020).
Θερμική παραμόρφωση (στέμμα)
Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του μαξιλαριού δεν είναι πάντα ομοιόμορφη. Εάν ορισμένες περιοχές είναι πιο ζεστές από άλλες, διαφορετικά μέρη της φλάντζας διαστέλλονται κατά διαφορετικές ποσότητες. Αυτό θα αλλάξει το σχήμα της επιφάνειας του μαξιλαριού και μπορεί να αλλάξει τον αναμενόμενο κώνο ή επίπεδο προφίλ.
Στα ανακλινόμενα-ρουλεμάν ταμπόν, το θερμικό στέμμα μπορεί να μετατοπίσει το κέντρο πραγματικής πίεσης μακριά από τη θέση περιστροφής. Αυτό αλλάζει την ισορροπία των δυνάμεων που ασκούνται στη φλάντζα και μπορεί να μειώσει το ελάχιστο πάχος της μεμβράνης σε μη ασφαλή επίπεδα.
Επομένως, η ανάλυση θερμικής παραμόρφωσης είναι ένα σημαντικό μέρος του σχεδιασμού ωστικού ρουλεμάν υψηλής απόδοσης-. Οι μηχανικοί συχνά χρησιμοποιούν ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων για να μελετήσουν τις συνδυασμένες επιδράσεις της θερμοκρασίας και της δομικής παραμόρφωσης (Ettles, 1980).
Φόρτωση άκρων (κακή ευθυγράμμιση)
Η κακή ευθυγράμμιση του άξονα ή η παραμόρφωση του περιβλήματος του ρουλεμάν μπορεί να προκαλέσει την κλίση του κολάρου ώθησης σε σχέση με τα τακάκια ρουλεμάν. Όταν συμβεί αυτό, το φορτίο συγκεντρώνεται σε μια άκρη αντί να διασκορπίζεται στην επιφάνεια του μαξιλαριού.
Αυτή η κατάσταση ονομάζεται φόρτιση ακμών. Μπορεί να προσθέσει μεγάλη τοπική πίεση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η πίεση στην άκρη του φορτίου μπορεί να είναι τρεις έως πέντε φορές υψηλότερη από τη μέση πίεση σε ολόκληρο το τακάκι. Επομένως, ακόμη και αν το συνολικό φέρον φορτίο παραμένει εντός των προδιαγραφών σχεδιασμού, το στρώμα Babbit μπορεί να υπερβεί το όριο κόπωσης.
Περιστρεφόμενη αστάθεια (ανακλινόμενα-ρουλεμάν μαξιλαριών)
Στα ρουλεμάν ώθησης του μαξιλαριού κλίσης υψηλής ταχύτητας και χαμηλού φορτίου, το τακάκι μπορεί να μην είναι σταθερό σε μία θέση. Αντίθετα, τα μαξιλαράκια μπορούν να είναι γωνιακά εμπρός και πίσω.
Αυτή η συμπεριφορά ονομάζεται περιστροφική αστάθεια. Είναι παρόμοιο με μια περιδίνηση λαδιού σε ρουλεμάν ημερολογίου. Η αστάθεια παράγει κραδασμούς σε συχνότητα χαμηλότερη από την ταχύτητα του άξονα.
Η πιθανότητα αυτού του προβλήματος εξαρτάται από τη σχέση μεταξύ της ακαμψίας που δημιουργείται από τη στήριξη περιστροφής και της ακαμψίας που δημιουργείται από τις υδροδυναμικές δυνάμεις στο λιπαντικό φιλμ. Εάν η ισορροπία γίνει δυσμενής, γίνεται δύσκολο να διατηρηθεί μια σταθερή λειτουργία (Childs, Turbomachinery Rotordynamics, Wiley, 1993).
Σύναψη
Η αρχή λειτουργίας των ρουλεμάν ώθησης υγρού φιλμ βασίζεται σε ένα απλό φυσικό γεγονός. Όταν οι δύο επιφάνειες κινούνται η μία σε σχέση με την άλλη, το παχύρρευστο ρευστό στο συγκλίνον διάκενο δημιουργεί πίεση. Αυτή η πίεση δημιουργείται από υδροδυναμική δράση και δεν απαιτεί εξωτερικές πηγές πίεσης. Για το λόγο αυτό, τα ρουλεμάν ώσης έχουν σχεδιαστεί για να δημιουργούν, να διατηρούν και να ελέγχουν πολυμερισμένο λιπαντικό φιλμ κάτω από διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, όπως φορτίο, ταχύτητα, θερμοκρασία και μηχανική παραμόρφωση.
Στη διαδικασία κατασκευής, το σταθερό ρουλεμάν κώνου και το ρουλεμάν βήματος δημιουργούν τη συγκλίνουσα γεωμετρία. Το σχήμα είναι χτισμένο στην επιφάνεια έδρασης και παραμένει σταθερό κατά τη λειτουργία.
Τα ανακλινόμενα ρουλεμάν-τα ρουλεμάν λειτουργούν διαφορετικά. Κάθε φλάντζα μπορεί να ρυθμιστεί κατά τη χρήση. Αυτό επιτρέπει στο μαξιλαράκι να σχηματίζει συνεχώς μια συγκλίνουσα σφήνα που πληροί τις τρέχουσες συνθήκες λειτουργίας. Καθώς οι ιδιότητες φορτίου, ταχύτητας και λιπαντικού αλλάζουν, αλλάζει και η γωνία της φλάντζας.
Και στους δύο τύπους ρουλεμάν, η λιπαντική μεμβράνη διαχωρίζει την επιφάνεια του ρουλεμάν από το περιστρεφόμενο κολάρο ώσης κατά την κανονική υδροδυναμική λειτουργία. Το φορτίο επιτυγχάνεται από την πίεση που δημιουργείται μέσα στο λιπαντικό φιλμ παρά από την άμεση επαφή μεταξύ στερεών επιφανειών. Η λιπαντική μεμβράνη έχει συνήθως πάχος μόνο από λίγα μικρόμετρα έως μερικές δεκάδες μικρά, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας και τον σχεδιασμό του ρουλεμάν.
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».Φιλοσοφικές Συναλλαγές της Βασιλικής Εταιρείας, τόμος. 177, σελ. 157–234.
- Michell, AGM (1905). «Die Schmierung ebener Flächen».Zeitschrift für Mathematik und Physik, τόμος. 52, σελ. 123–137.
- Rayleigh, Κύριε. (1918). "Σημειώσεις για τη θεωρία της λίπανσης."Φιλοσοφικό Περιοδικό, Series 6, vol. 35, no. 205, pp. 1–12.
- Khonsari, MM & Booser, ER (2017).Applied Tribology: Bearing Design and Lubrication, 2η έκδ. Cambridge: Cambridge University Press.
- Hamrock, BJ, Schmid, SR & Jacobson, BO (2019).Βασικές αρχές των στοιχείων μηχανής, 3η έκδ. Boca Raton: CRC Press.
- Stachowiak, GW & Batchelor, AW (2014).Μηχανική Τριβολογία, 4η έκδ. Βοστώνη: Butterworth-Heinemann.
- Wilcock, DF & Booser, ER (1957).Σχεδιασμός και Εφαρμογή Ρουλεμάν. Νέα Υόρκη: McGraw-Hill.
- Ettles, CM (1980). "Η ανάλυση και η απόδοση των ρουλεμάν περιοδικών περιστρεφόμενων τακιών λαμβάνοντας υπόψη τις θερμικές και ελαστικές επιδράσεις."ASME Journal of Lubrication Technology, vol. 102, no. 2, pp. 182–192.
- Booser, ER & Khonsari, MM (2020).STLE Life Factors for Plain Bearings. Park Ridge: Society of Tribologists and Lubrication Engineers.
- Bair, S. & Winer, WO (1992). "Η ρεολογία υψηλής-πίεσης υψηλής διατμητικής τάσης των υγρών λιπαντικών."ASME Journal of Tribology, vol. 114, no. 1, pp. 1–13.
- Childs, DW (1993).Ροτοδυναμική Στροβιλομηχανών: Φαινόμενα, Μοντελοποίηση και Ανάλυση. Νέα Υόρκη: John Wiley & Sons.
- Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης. (1992).ISO 3448:1992 - Βιομηχανικά υγρά λιπαντικά: Ταξινόμηση ιξώδους ISO.Γενεύη: ISO.
- Cameron, Α. (1966).Οι Αρχές της Λίπανσης. Λονδίνο: Longmans.
- Dowson, D. (1998).Ιστορία της Τριβολογίας, 2η έκδ. Λονδίνο: Professional Engineering Publishing.
- Pinkus, Ο. & Sternlicht, Β. (1961).Θεωρία Υδροδυναμικής Λίπανσης. Νέα Υόρκη: McGraw-Hill.