Wat is het belasting-draagprincipe van een taps-landdruklager?

AConische-landdruklageris een soort hydrodynamisch druklager met vaste geometrie. Het heeft geen draaipunt, geen automatisch verstelkussen en geen automatische kantelverstelling. Het lager draagt ​​axiale belasting door gebruik te maken van een wiginlaatgebied dat rechtstreeks op het lageroppervlak is bewerkt.

Het drukbehoud van het lager is te danken aan deze wigvorm. Wanneer het roterende oppervlak het smeermiddel in een nauwe opening brengt, ontstaat er druk in de oliefilm. Deze druk ondersteunt de axiale belasting en houdt het oppervlak tijdens bedrijf gescheiden.

Omdat lagers volledig afhankelijk zijn van de machinaal bewerkte geometrie, moeten de afmetingen van kegels zorgvuldig worden gecontroleerd. Kleine veranderingen in de conushoek, filmdikte of oppervlaktevorm kunnen de drukopwekking en lagerprestaties beïnvloeden.

Om te begrijpen hoe conische druklagers werken, is het noodzakelijk om de hydrodynamica te onderzoeken van de druk die in de smeerfilm wordt gegenereerd, in plaats van lagers eenvoudigweg te zien als componenten met een gespecificeerd draagvermogen.

Het kernmechanisme: hydrodynamische druk van een convergerende wig

Elk hydrodynamisch vloeistoffilmlager, inclusief taplagers, tiltpad-druklagers en taps toelopende grond-druklagers, heeft hetzelfde draagvermogen als de fysieke effecten beschreven door Osborne Reynolds in 1886. Wanneer de stroperige vloeistof door de beweging van twee oppervlakken door een nauwe opening wordt gesleept, neemt de druk in het vloeistofmembraan toe. Deze druk ondersteunt, wanneer deze zich naar het lagergebied verspreidt, de belasting zonder metaal-op- metaalcontact.

Bij een taps-landdruklager wordt deze verkleinende opening gemaakt door de geometrie te fixeren in plaats van te verplaatsen of aan te passen. Elke pakking op de lagerring heeft twee hoofdgebieden in de draairichting.

Taperzone (inlaat): Het oppervlak staat in een kleine hoek ten opzichte van de start- en landingsbanen. Hierdoor ontstaat een opening die kleiner wordt naarmate de olie door rotatie naar binnen wordt getrokken. Een groot deel van de hydrodynamische druk wordt in dit gebied gegenereerd.

Plat (uitlaat): oppervlak evenwijdig aan de start- en landingsbanen. Dit gebied handhaaft de druk nadat deze is geproduceerd en de olie het kussen aan de achterkant verlaat in de afvoergroef.

De verhouding tussen de lengte van het vlakke land en de totale padlengte is over het algemeen 0,60-0,70. Als de vlakke ondergrond te kort is, is er niet genoeg ruimte om de resulterende druk te weerstaan. Als u er te lang over doet, zal de conische zone te klein zijn en zal de druk niet effectief toenemen.

De Reynolds-vergelijking toegepast op tapse geometrie

De een-vorm van de Reynolds-vergelijking voor een onsamendrukbare film met constante- viscositeit onder stabiele omstandigheden is:

d/dx (h³ dp/dx)=6 μU dh/dx

In deze vergelijking is h de lokale filmdikte, p de druk, mu de dynamische viscositeit, U de relatieve oppervlaktesnelheid en x de coördinaten van de bewegingsrichting.

Voor lineaire conische inlaten neemt h(x) met een constante snelheid af vanaf de dikte van het inlaatmembraan h1 tot het minimale membraan h2 bij de kegel-land-overgang. De drukgradiënt dp/dx hangt af van zowel μU als dh/dx. Dit heeft de volgende directe gevolgen:

• Een hogere snelheid verhoogt de filmdruk en verhoogt de laadcapaciteit bij dezelfde filmdikte.

• Een hogere viscositeit heeft hetzelfde effect als een hogere snelheid.

• Een steilere conus verbetert niet altijd de prestaties. Als de tapse hoek te groot wordt, wordt de druk te dicht bij de inlaat opgebouwd en wordt de algehele drukverdeling ongelijkmatig. Dit vermindert het totale laadvermogen.

De optimale kegelverhouding van h1/h2 van het maximale draagvermogen is ongeveer 2,2 onder laminaire stroming en constante-viscositeitsomstandigheden. Dit betekent dat de dikte van de inlaatfilm ongeveer 2,2 keer dikker is dan de minimale film. Als de minimale filmdikte 15–25 μm bedraagt, is de inlaatstaphoogte ongeveer 33-55 micron. Dit is een vaste mechanische functie, niet iets dat tijdens de werking verandert.

Geometrie versus adaptieve kanteling: hoe taps-land verschilt van kantelen-pad

Het belangrijkste alternatief voor het ontwerp met conische grond is het druklager van het tiltpad (Michell/Kingsbury). In dit ontwerp is elke pad op een draaipunt gemonteerd. De pakking kan worden gekanteld en gehoekt, afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden en beweging van de runner.

Door deze zelfinstellende beweging-kan de pakking tijdens bedrijf de meest optimale hoek vinden. Het helpt lagers een stabiele oliefilm te vormen over een breed scala aan snelheden en belastingen.

Het verschil tussen de twee ontwerpen weerspiegelt zowel de voordelen als de beperkingen van conische grondlagers:

Vaste conus verwijst naar de hoogste efficiëntie van het conische-landdruklager op het ontwerpwerkpunt. Omdat de snelheid veel lager is dan ontworpen, wordt de hydrodynamische film dunner en worden de lagers gesmeerd dichtbij de grens-de gemengde- overgang van gemengde smering die hieronder wordt beschreven.

Laadvermogen, snelheid en Sommerfeld-nummer

Het laadvermogen van een taps-landstootkussen schaalt met delager nummer(ook wel het Sommerfeld-nummer genoemd voor druklagers), gedefinieerd als:

S=μNP(Rc)2S=PμN​(cr​)2

waarNis de rotatiesnelheid (omw/s),Pis de gemiddelde lagerdruk (belasting ÷ geprojecteerd gebied),Ris een karakteristieke straal, encis de referentiespeling gerelateerd aanh₂. Voor een bepaalde geometrie is het laadvermogen ongeveer evenredig metμNU- betekent dat het draagvermogen lineair schaalt met de snelheid.

Praktische draagvermogens voor conische-landstuwplaten in industriële toepassingen (Boyd en Rowe, 1982; Wilcock en Booser, 1957):

Als je de limiet overschrijdt maar de viscositeit of snelheid niet met dezelfde hoeveelheid verhoogt, zal de film instorten en krijg je grenssmering. Als je onder de minimumsnelheid komt, is het lager te groot voor de belasting. Dit creëert een ander probleem: de olie trekt niet gelijkmatig genoeg naar binnen en veegt de tapse zone niet gelijkmatig af, waardoor de temperatuur niet gelijkmatig over de breedte van de pad wordt verdeeld.

Groefgeometrie en thermisch beheer

Elk taps-landpad is van het volgende gescheiden door een drainagegroef aan de omtrek. De groef heeft twee taken: hij neemt hete olie weg van de achterkant van het ene kussen en geeft koele inlaatolie naar de voorste conus van het volgende kussen. Deze olieruil is de belangrijkste manier om de hitte onder controle te houden in een taps- landontwerp. Omdat conische-landlagers geen gerichte smering hebben zoals kantelende-lagers, zijn ze dus afhankelijk van groefturbulentie om hete en koude olie te mengen voordat deze naar de volgende conus gaat.

De groefbreedte bedraagt ​​gewoonlijk 15-25% van de totale padafstand. Smallere groeven maken de opening tussen de pads kleiner, zodat ze de ruimte beter gebruiken. Maar ze belemmeren ook de oliemenging en maken de overdracht-overtemperatuur groter. De overdrachtstemperatuur- is de temperatuur van de olie die de conus ingaat, vergeleken met de aanvoertemperatuur. Ettles (1969) toonde aan dat de carry{9}}fractie 40-70% van de temperatuurstijging van de film kan veroorzaken in taper-landontwerpen wanneer de oppervlaktesnelheid van het runneroppervlak hoger is dan 50 m/s. Dit verlaagt dus de effectieve viscositeit aanzienlijk en verlaagt vervolgens het laadvermogen.

Bij hoge omtreksnelheden boven 60 m/s wordt viskeuze verwarming de belangrijkste ontwerplimiet in plaats van belasting. De olietoevoertemperatuur moet gewoonlijk op 40–49 graden blijven met ISO VG 32–46 turbineolie. Dit is om de piekfilmtemperatuur onder de 95–100 graden te houden. Die temperatuur is het punt waarop de thermische schade aan het additievenpakket van de olie versnelt.

Lage-Snelheid en start-Stop-foutmechanisme

De grootste beperking van het conische grondontwerp is de manier waarop het werkt bij het starten, sluiten en draaien op lage snelheid. Omdat de hydrodynamische filmdruk afhankelijk is van de snelheid, kan de gemiddelde lagerdruk van 2,0 MPa bij normale snelheid slechts 20% (0,3–0,5 MPa) bedragen. Als de uitgeoefende stuwkracht groter is dan deze lagere membraancapaciteit, is de minimale filmdikte minder dan de som van de oppervlakteruwheid - typisch 0,5 tot 1,5 μm Ra voor grondlagerwielen - en vindt oneffenheidscontact plaats.

Herhaaldelijke start- en stopcycli onder belasting veroorzaken een stabiele slijtage van het vlakke oppervlak, die onherstelbaar is. In tegenstelling tot tiltpad-lagers, waarbij een kleine hoeveelheid slijtage aan het draaipunt het pad nog steeds kan centreren, vermindert slijtage op het vlakke gedeelte van de conische vloer direct het drukgebied en versnelt vervolgens meer schade. De ASTM D-4998 vier--kogelslijtagetest wordt vaak gebruikt om de prestaties van de anti-slijtageadditieven van de olie te onderzoeken onder gemengde start- en stopomstandigheden van de smering. Dit komt omdat de extreme-drukadditieven van de olie de enige belastingondersteuning bieden wanneer de hydrodynamische film nog niet is gevormd.

Voor machines die vaak onder belasting starten-zoals motoraangedreven pompen die meerdere keren per dienst draaien-moet de optie van kantelpads worden overwogen. Als alternatief zou de conische grondspecificatie een hydrostatisch liftsysteem moeten omvatten om olie bij lage snelheden uitwendig in de film te duwen.

Praktische toepassingssamenvatting

Het lagerconcept van terrasvormige druklagers komt hoofdzakelijk tot uiting in de volgende drie aspecten:

1. Convergente wigvorm-Gesneden in een tapse inlaat bij h1/h2 boog 2.2, zodat er hydrodynamische druk ontstaat via het Reynolds-mechanisme.

2.Vlakke grond -60-70 procent van de lengte van de pakking vormt het drukgebied voor het dragen van de axiale belasting.

3. Afvoerbak-Dit zorgt voor koelere olie voor de volgende kegel en stopt de viscositeit van het thermische afbraakmembraan.

Geen van de drie parameters kan op zichzelf worden gewijzigd, omdat elke parameterwijziging invloed heeft op alle drie de prestatiewaarden: belastingscapaciteit, filmtemperatuur en minimale filmdikte. Daarom moeten ingenieurs beginnen met de gemiddelde lagerdruk bij normale snelheid bij het selecteren van een conisch geslepen apparaat voor een bepaalde machine. Ze moeten dan controleren of het overeenkomende Sommerfeld-nummer het lager in een volledig membraantoestand brengt. Ze moeten dan bevestigen dat de start-stop-, start-{3}}-stopfrequentie en de toevoertemperatuur van het smeersysteem binnen vaste geometrische grenzen werken. Dit komt omdat, in tegenstelling tot het ontwerp van het draaipunt, conische grondlagers hun eigen ontwerpbedrijfsomstandigheden niet kunnen herstellen.

Referenties

• Reynolds, O. (1886). Over de theorie van smering en de toepassing ervan op de experimenten van de heer Beauchamp Tower, inclusief een experimentele bepaling van de viscositeit van olijfolie.Filosofische transacties van de Royal Society of London, 177, 157–234.
• Boyd, J., en Rowe, WB (1982).Tribologie: principes en ontwerptoepassingen. Macmillan-pers.
• Wilcock, DF, en Booser, ER (1957).Lagerontwerp en toepassing. McGraw-Heuvel.
• Ettles, CMM (1969). Hete olie wordt overgedragen-door de druklagers.Proceedings van de Institution of Mechanical Engineers, 184(12), 75–81.
• Hamrock, BJ, Schmid, SR, en Jacobson, BO (2004).Grondbeginselen van vloeistoffilmsmering(2e ed.). Marcel Dekker.
• Frêne, J., Nicolas, D., Degueurce, B., Berthe, D., en Godet, M. (1997).Hydrodynamische smering: lagers en druklagers. Elsevier.
• Khonsari, MM, & Booser, ER (2008).Toegepaste tribologie: lagerontwerp en smering(2e ed.). Wiley.
• Szeri, AZ (2011).Vloeistoffilmsmering(2e ed.). Cambridge Universiteitspers.
• ASTM D4998-22.Standaardtestmethode voor het evalueren van slijtagekenmerken van hydraulische vloeistoffen van tractoren. ASTM Internationaal.
• ISO 12168-1:2001.Glijlagers - Statische belasting-draagvermogen van hydrodynamische drukkraaglagers zonder kantelkussens. ISO.
• Stachowiak, GW, en Batchelor, AW (2014).Technische tribologie(4e ed.). Butterworth-Heinemann.