Hva er belastnings-bæreprinsippet til et konisk-landtrykklager?

ATaper-landtrykklagerer et slags hydrodynamisk trykklager med fast geometri. Den har ingen pivot, ingen automatisk justeringspute og ingen automatisk tiltjustering. Lageret bærer aksial belastning ved å bruke et kileinnløpsområde maskinert direkte til lageroverflaten.

Lagerets trykkkapasitet kommer fra denne kileformen. Når den roterende overflaten beveger smøremiddel inn i et smalt gap, dannes det trykk inne i oljefilmen. Dette trykket støtter den aksiale belastningen og holder overflaten adskilt under drift.

Siden lagre helt avhenger av dens maskinerte geometri, må dimensjonene til kjegler kontrolleres nøye. Mindre endringer i konusvinkel, filmtykkelse eller overflateform kan påvirke trykkgenerering og lagerytelse.

For å forstå hvordan koniske trykklager fungerer, er det nødvendig å undersøke hydrodynamikken til trykket som genereres i smørefilmen, i stedet for bare å se lagre som komponenter med en spesifisert belastningsgrad.

Kjernemekanismen: Hydrodynamisk trykk fra en konvergerende kile

Ethvert hydrodynamisk væskefilmlager, inkludert aksellager, tiltpad-aksiallager og konisk bakketrykklager, har samme bæreevne som de fysiske effektene som ble beskrevet Osborne Reynolds i 1886. Når den viskøse væsken blir dratt gjennom et smalt gap ved bevegelse av to overflater, øker trykket inne i væskemembranen. Dette trykket, når det spres til lagerområdet, støtter lasten uten metall-til-metallkontakt.

I et konisk-landtrykklager lages dette avsmalnende gapet ved å fikse geometrien i stedet for å flytte eller justere. Hver pakning på lagerringen har to hovedområder i rotasjonsretningen.

Konisk sone (innløp): Overflaten er i liten vinkel mot rullebanene. Dette skaper et gap som smalner når olje trekkes innover ved rotasjon. Mye av det hydrodynamiske trykket genereres i denne regionen.

Flat (utløp): overflate parallelt med rullebanene. Dette området opprettholder trykket etter at det er produsert og oljen forlater puten ved bakkanten inn i dreneringssporet.

Forholdet mellom flat landlengde og total putelengde er generelt 0,60-0,70. Hvis det flate underlaget er for kort, er det ikke nok areal til å tåle det resulterende trykket. Hvis du bruker for lang tid, vil konisk sone være for liten og trykket øker ikke effektivt.

Reynolds-ligningen brukt på konisk geometri

Den endimensjonale formen av Reynolds-ligningen for en inkompressibel, konstant-viskositetsfilm under stabile forhold er:

d/dx (h³ dp/dx)=6 μ U dh/dx

I denne ligningen er h lokal filmtykkelse, p er trykk, mu er dynamisk viskositet, U er relativ overflatehastighet, x er koordinater for bevegelsesretningen.

For lineære koniske innløp avtar h (x) med en konstant hastighet fra tykkelsen på innløpsmembranen h1 til minimumsmembranen h2 ved konus-landkrysset. Trykkgradienten dp/dx avhenger av både μU og dh/dx. Dette har følgende direkte effekter:

• Høyere hastighet øker filmtrykket og øker belastningskapasiteten når filmtykkelsen er den samme.

• Høyere viskositet gir samme effekt som høyere hastighet.

• En brattere avsmalning forbedrer ikke alltid ytelsen. Hvis konusvinkelen blir for stor, bygges trykket for nært innløpet og den totale trykkfordelingen blir ujevn. Dette reduserer den totale lastekapasiteten.

Det optimale kjegleforholdet h1/h2 for maksimal bæreevne er omtrent 2,2 under laminær strømning og konstante -viskositetsforhold. Dette betyr at inntaksfilmtykkelsen er omtrent 2,2 ganger tykkere enn minimumsfilmen. Spesifikt, hvis minimum filmtykkelse er 15–25 μm, er innløpstrinnhøyden omtrent 33–55 mikron. Dette er en fast mekanisk funksjon, ikke noe som endres i løpet av driften.

Geometri vs. adaptiv tilt: hvordan taper-land skiller seg fra tilting-pute

Hovedalternativet til konisk bakkedesign er tiltpad (Michell/Kingsbury) aksiallager. I dette designet er hver pute montert på en pivot. Pakningen kan vippes og vinkles i henhold til driftsforhold og løpebevegelse.

Denne selvjusterende bevegelsen gjør at pakningen finner den mest optimale vinkelen under drift. Det hjelper lagrene med å danne en stabil oljefilm over et bredt spekter av hastigheter og belastninger.

Forskjellen mellom de to designene gjenspeiler både fordelene og begrensningene til koniske jordlagre:

Fast avsmalning refererer til den høyeste effektiviteten det koniske-landtrykklageret ved designarbeidspunktet. Fordi hastigheten er mye lavere enn designet, tynnes den hydrodynamiske filmen og lagrene smøres nær grensen-den blandede-smøringsovergangen beskrevet nedenfor.

Lastekapasitet, hastighet og Sommerfeld-nummer

Lastekapasiteten til en konisk-landstøtpute skalerer medlagernummer(noen ganger kalt Sommerfeld-nummeret for trykklager), definert som:

S=μNP(Rc)2S=PμN​(cR​)2

hvorNer rotasjonshastighet (rev/s),Per gjennomsnittlig lagertrykk (last ÷ projisert område),Rer en karakteristisk radius, ogcer referanseklareringen knyttet tilh₂. For en gitt geometri er lastekapasiteten tilnærmet proporsjonal medμNU- som betyr at bæreevnen skaleres lineært med hastigheten.

Praktiske lastekapasitetsområder for koniske-landstøtputer i industrielle tjenester (Boyd og Rowe, 1982; Wilcock og Booser, 1957):

Hvis du overskrider grensen, men ikke øker viskositeten eller hastigheten like mye, vil filmen kollapse og du får grensesmøring. Går du under minimumshastigheten er lageret for stort for lasten. Dette skaper et annet problem: oljen beveger seg ikke inn og sveiper den koniske sonen jevnt nok, slik at temperaturen ikke blir jevnt fordelt over bredden av puten.

Sporgeometri og termisk styring

Hver avsmalnende -landpute er atskilt fra den neste med et periferisk dreneringsspor. Sporet har to jobber: det tar bort varm olje fra bakkanten av en pute, og det gir kjølig innløpsolje til den fremre avsmalningen på den neste puten. Dette oljebyttet er hovedmåten for å kontrollere varmen i et konisk-landdesign. Fordi koniske-landlagre ikke har rettet smøring som tilting-putelagre, så de er avhengige av sporturbulens for å blande varm og kald olje før den går inn i neste konus.

Sporbredden er vanligvis 15–25 % av total putestigning. Smalere riller gjør gapet mellom putene mindre, slik at de bruker plassen bedre. Men de skader også oljeblandingen og gjør transport-over temperaturen større. Overføringstemperatur- er temperaturen på oljen som går inn i konusen sammenlignet med tilførselstemperaturen. Ettles (1969) viste at overførselsfraksjonen kan forårsake 40–70 % av filmtemperaturøkningen i koniske{12}}landdesign når den løper over 50 m/s løpehastighet. Så dette reduserer den effektive viskositeten betraktelig og senker deretter lastekapasiteten.

Ved høye periferihastigheter over 60 m/s blir viskøs oppvarming hoveddesigngrensen i stedet for belastning. Oljetilførselstemperaturen må vanligvis holde seg på 40–49 grader med ISO VG 32–46 turbinolje. Dette er for å holde toppfilmtemperaturen under 95–100 grader. Den temperaturen er punktet der termisk skade på oljens tilsetningspakke øker.

Lav-hastighet og start-stoppfeilmekanisme

Den største begrensningen ved den koniske bakkedesignen er måten den fungerer på ved start, lukking og kjøring i lave hastigheter. Fordi det hydrodynamiske filmtrykket avhenger av hastighet, kan det gjennomsnittlige bæretrykket på 2,0 MPa bare 20 % 0,3–0,5 MPa ved normal hastighet. Hvis den påførte skyvebelastningen er større enn denne lavere membrankapasiteten, er minimumsfilmtykkelsen mindre enn summen av overflateruhet - typisk 0,5 til 1,5 μm Ra for bakkebærende hjul - og det oppstår skråkontakt.

Gjentatte start- og stoppsykluser under belastning forårsaker stabil slitasje på den flate overflaten, som er uopprettelig. I motsetning til tiltpad-lagre, der en liten mengde slitasje ved pivoten fortsatt kan gi puten tilbake, reduserer slitasje på det flate området av det koniske gulvet trykkområdet direkte og akselererer deretter mer skade. ASTM D-4998 fire-slitasjetest brukes ofte for å undersøke ytelsen til oljens anti-slitasjeadditiver under blandede smørestart- og stoppforhold. Dette er fordi oljens ekstreme trykkadditiver gir den eneste laststøtten når den hydrodynamiske filmen ennå ikke er dannet.

For maskiner som ofte starter under belastning-som motordrevne pumper som går flere ganger per skift-bør alternativet med tiltputer vurderes. Alternativt bør den koniske grunnspesifikasjonen inkludere et hydrostatisk løftesystem for å skyve olje eksternt inn i filmen ved lave hastigheter.

Sammendrag av praktisk søknad

Lagerkonseptet til terrasserte trykklager er hovedsakelig nedfelt i følgende tre aspekter:

1.Konvergent kileform-Kutt i et konisk innløp ved h1/h2 bue 2.2, slik at det genererer hydrodynamisk trykk gjennom Reynolds-mekanismen.

2.Flat mark -60-70 prosent av lengden på pakningen - gir det trykksatte området for å bære aksial belastning.

3. Dreneringstrau-Dette gir kjøligere olje til neste kjegle og stopper viskositeten til den termiske nedbrytningsmembranen.

Ingen av de tre parameterne kan endres i seg selv, da hver parameterendring påvirker alle tre ytelsesverdiene: belastningskapasitet, filmtemperatur og minimum filmtykkelse. Derfor bør ingeniører starte med gjennomsnittlig lagertrykk ved normal hastighet når de velger en konisk bakkeanordning for en bestemt maskin. De bør da sjekke at det samsvarende Sommerfeld-nummeret setter lageret i full membrantilstand. De bør da bekrefte at startstoppen som starter-stoppfrekvensen og smøresystemets tilførselstemperatur fungerer innenfor faste geometriske grenser. Dette er fordi, i motsetning til pivot-pute-design, kan ikke koniske jordlagre reparere sine egne design-driftsforhold.

Referanser

• Reynolds, O. (1886). Om teorien om smøring og dens anvendelse på Mr. Beauchamp Towers eksperimenter, inkludert en eksperimentell bestemmelse av viskositeten til olivenolje.Filosofiske transaksjoner fra Royal Society of London, 177, 157–234.
• Boyd, J., & Rowe, WB (1982).Tribologi: Prinsipper og designapplikasjoner. Macmillan Press.
• Wilcock, DF, & Booser, ER (1957).Lagerdesign og applikasjon. McGraw-Hill.
• Ettles, CMM (1969). Varm oljebærer-over i trykklager.Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, 184(12), 75–81.
• Hamrock, BJ, Schmid, SR, & Jacobson, BO (2004).Grunnleggende om væskefilmsmøring(2. utgave). Marcel Dekker.
• Frêne, J., Nicolas, D., Degueurce, B., Berthe, D., & Godet, M. (1997).Hydrodynamisk smøring: lagre og trykklager. Elsevier.
• Khonsari, MM, & Booser, ER (2008).Anvendt tribologi: lagerdesign og smøring(2. utgave). Wiley.
• Szeri, AZ (2011).Væskefilmsmøring(2. utgave). Cambridge University Press.
• ASTM D4998-22.Standard testmetode for evaluering av slitasjeegenskaper til traktorhydraulikkvæsker. ASTM International.
• ISO 12168-1:2001.Glattlager - Statisk last-bærekapasitet til hydrodynamiske trykkkragelager uten vippeputer. ISO.
• Stachowiak, GW, & Batchelor, AW (2014).Ingeniørtribologi(4. utgave). Butterworth-Heinemann.