A Vòng bi lực đẩy màng chất lỏngchịu tải trọng dọc trục, là lực tác dụng song song với trục trục. Nó ngăn cách hai bề mặt bằng màng bôi trơn tăng áp. Phim rất mỏng và thường được đo bằng micron. Mặc dù vậy, nó có thể chịu được áp suất vài megapascal. Nó hoạt động mà không cần các bộ phận lăn, từ trường hoặc phun khí. Thay vào đó, nó dựa vào hình học, chuyển động tương đối và hoạt động của chất lỏng nhớt giữa các bề mặt hội tụ. Để hiểu nó hoạt động như thế nào, cần phải xem xét lý thuyết thủy động lực cơ bản. Sau đó, lý thuyết liên quan đến đặc điểm hình học của thiết kế ổ đỡ chặn.
Vấn đề trọng tâm: Tại sao tải trọng lực đẩy lại cứng hơn về mặt hình học so với tải trọng hướng tâm
Trong ổ trục thông thường chịu tải hướng tâm, trục quay di chuyển một cách tự nhiên đến vị trí lệch tâm bên trong lỗ. Độ lệch tâm này tạo ra sự hội tụ-một khoảng cách hội tụ-phân kỳ xung quanh chu vi của vòng tròn. Phần hội tụ tạo ra áp suất thủy động lực nâng trục lên khỏi thành ổ trục. Hình học phát triển một cách tự nhiên. Ngay cả khi trục có hình trụ hoàn hảo và lỗ có hình trụ hoàn hảo thì tải vẫn gây ra hiện tượng lệch tâm. Kết quả là khe hở bôi trơn có hình nêm-.
Tải trọng dọc trục tạo ra một tình huống rất khác. Bánh xe là một vòng đẩy quay trên trục đối diện với miếng đệm chịu lực và kéo dài hai mặt phẳng gần như song song. Khi hai bề mặt song song chuyển động tương đối với nhau, chúng không thể tự tạo ra áp suất thủy động. Chất bôi trơn không thể nén được vì khe hở vẫn giữ nguyên trên toàn bộ bề mặt. Ngược lại, chất lỏng chảy ra ngoài theo mọi hướng xuyên tâm mà không làm tăng áp suất. Phương trình bôi trơn của Reynolds, được phát triển từ phương trình Navier-Stokes trong phép tính gần đúng màng mỏng, làm rõ điều này. Áp suất chỉ xảy ra khi có một khe hở hội tụ được gọi là số hạng nêm hoặc chiều cao khe hở được gọi là số hạng màng nén thay đổi theo thời gian. Một bề mặt hoàn toàn song song chuyển động với tốc độ ổn định đều không thỏa mãn cả hai điều này (Reynolds, Philosophical Transactions of the Royal Society, tập 177, 1886).
Đây là vấn đề kỹ thuật cơ bản mà ổ trục chịu lực màng chất lỏng phải giải quyết. Nó phải tạo thành một nêm hội tụ giữa hai bề mặt và vẫn song song một cách tự nhiên dưới tải trọng trục.
Phương trình Reynolds: Cơ sở toán học
Phương trình Reynolds màng mỏng-cho chất lỏng không nén được có độ nhớt không đổi có thể được viết như sau:
Estracheit (đường mòn h3/ đường mòn) + đường mòn/ đường mòn (đường mòn h3/ đường nhỏ)=6Đường mòn U/ đường mòn x + 12đường mòn/ đường nhỏ
Trong phương trình này, h là độ dày của màng cục bộ tùy thuộc vào vị trí. p là áp suất thủy động lực. Bộ chuyển đổi năng lượng là độ nhớt động của chất bôi trơn. U là vận tốc tương đối giữa hai bề mặt. Sự khác biệt còn lại là tốc độ thay đổi độ dày của màng theo thời gian. Thuật ngữ này chỉ quan trọng khi có hiệu ứng màng đùn.
Vế phải của phương trình cho thấy hai cách tạo ra áp suất.
Eripinte
Áp suất xảy ra khi độ dày của màng mỏng h giảm theo hướng chuyển động. Nói cách khác, khoảng cách phải được thu hẹp lại. Áp suất tạo ra tăng theo độ nhớt và tốc độ trượt của chất bôi trơn. Nếu độ nhớt bằng 0 thì áp suất sẽ biến mất. Điều tương tự sẽ xảy ra nếu tốc độ trượt bằng không. Trong mọi trường hợp, vòng bi không thể chịu tác động thủy động lực.
Thuật ngữ màng nén (hiệu suất chuyển đổi năng lượng)
Theo thời gian, khoảng cách ngày càng nhỏ hơn và có thể gây căng thẳng. Điều này xảy ra ngay cả khi không có chuyển động trượt giữa các bề mặt. Hiệu ứng này rất quan trọng trong các hệ thống có vòng bi tác động thay đổi nhanh chóng, điều kiện khởi động động cơ và tải trọng. Trong các ổ chặn hoạt động ở tốc độ không đổi, số hạng thường rất nhỏ khi hoạt động ổn định. Tuy nhiên, điều này trở nên rất quan trọng khi các kỹ sư nghiên cứu độ ổn định của vòng bi dưới các tải trọng khác nhau.
Ý tưởng thực tế rất đơn giản. Ổ trục đẩy hoạt động bằng cách điều khiển hàm h(x), mô tả đặc tính độ dày màng của màng. Phần dư phải được thiết kế để di chuyển theo hướng tiêu cực. Điều này có nghĩa là màng bôi trơn mỏng đi khi đường dòng chảy đi qua miếng đệm. Do đó, thiết kế ổ trục lực đẩy tập trung vào việc tạo và duy trì màng hội tụ trong các điều kiện vận hành thực tế như nhiệt độ, sự thay đổi tải trọng, tốc độ quay và độ lệch trục.
Cách tạo ra nêm hội tụ: Ba cách tiếp cận hình học
1. Đã sửa lỗi-Hình học thon gọn-Tấm đất
Phương pháp đơn giản nhất là xử lý bề mặt đệm ổ trục bằng hình nón nhỏ. Điều đó có nghĩa là mép của dây dẫn, nơi người chạy quay gặp lần đầu tiên, sẽ sâu hơn mép đuôi một chút. Góc côn nhỏ. Thông thường từ 0,5 đến 2,0 milliradian. Điều này tạo ra sự chênh lệch chiều cao chỉ vài micron trên chiều dài của miếng đệm. Khi bánh xe đi qua bề mặt côn, nó sẽ kéo chất bôi trơn từ vùng sâu hơn đến vùng nông hơn. Kết quả là áp suất làm tăng vùng hội tụ.
Sân thượng có thiết kế đơn giản và chi phí thấp. Nó cũng không yêu cầu các bộ phận chuyển động bên trong vòng bi. Tuy nhiên, nó có một hạn chế quan trọng. Những thay đổi góc côn tối ưu thay đổi tùy theo điều kiện vận hành. Sự phân bố độ dày h (x) bị ảnh hưởng bởi sự tăng nhiệt độ, độ mài mòn và sự thay đổi vận tốc. Vì điều này, vòng bi có thể đi chệch khỏi điều kiện làm việc tối ưu. Ở mức tải thấp, độ côn có thể quá lớn. Ở mức tải và nhiệt độ cao, sự giãn nở nhiệt làm thay đổi hình dạng của miếng đệm và thay đổi hình dạng côn hiệu quả theo những cách không thể đoán trước (Khonsari & Booser, Ma sát ứng dụng, tái bản lần thứ 2., Nhà xuất bản Đại học Cambridge, 2017).
2. Vòng bi-Đệm nghiêng (Tấm đệm{2}}xoay)
Thiết kế-bàn nghiêng được phát minh bởi Anthony Michell và Kingsbury vào đầu thế kỷ 20. Trong thiết kế này, mỗi miếng đệm có thể xoay nhẹ quanh một điểm xoay. Khi bánh xe đi qua bề mặt đệm, nó sẽ kéo chất bôi trơn qua khe hở. Cạnh trước cách xa thanh dẫn và cạnh sau gần với thanh dẫn vì miếng đệm có thể bị nghiêng. Điều này tự động tạo ra một cái nêm hội tụ. góc nêm và sau đó tự điều chỉnh theo điều kiện vận hành.
Quá trình tự điều chỉnh rất đơn giản. Khi bánh xe tiến đến lớp lót, áp suất được tạo ra trong màng bôi trơn. Áp suất này tạo ra lực quay xung quanh trục quay. Miếng đệm tiếp tục nghiêng cho đến khi lực được cân bằng bởi điểm tựa. Ở trạng thái cân bằng này, góc nghiêng trở thành giá trị chính xác cần thiết để hỗ trợ tải ở tốc độ hiện tại và độ nhớt của chất bôi trơn. Nếu tải tăng, màng sẽ mỏng hơn và độ nhớt tăng. Sau đó miếng đệm nghiêng nhiều hơn để giữ thăng bằng. Nếu tốc độ tăng, màng dày lên và đệm ít nghiêng hơn. Bằng cách này, vòng bi có thể được điều chỉnh tự động mà không cần điều khiển từ bên ngoài.
Vòng bi chặn-nghiêng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp có nhu cầu cao. Ví dụ bao gồm tua bin hơi nước, máy nén ly tâm, máy phát thủy điện lớn và trục đẩy tàu. Chúng phổ biến vì chúng tự động thích ứng với những thay đổi về tải, tốc độ và căn chỉnh. Điều này giúp ngăn ngừa hư hỏng màng và tiếp xúc trực tiếp giữa các bề mặt.
vị trí trục cũng vậy. Nếu trục xoay ở giữa tấm đệm hoặc khoảng 50% chiều dài của tấm đệm tính từ mép trước thì ổ trục hoạt động tốt nhất theo hướng quay và không thể đảo ngược. Đối với thiết bị phải quay theo cả hai hướng, các trục quay thường được đặt ở khoảng 60% chiều dài của ống lót. Sự sắp xếp này làm giảm khả năng tải tối đa theo hướng ưu tiên nhưng mang lại hiệu suất chấp nhận được ở cả hai hướng quay (Hamrock, Schmid & Jacobson, Nguyên tắc cơ học, tái bản lần thứ 3, CRC Press, 2019).
3. Vòng bi biên dạng bậc-(Bước Rayleigh)
Năm 1918, Lord Rayleigh đã chỉ ra rằng tải đường viền phim tốt nhất không phải là giảm dần dần. Thay vào đó, đó là một hồ sơ bước. Thiết kế có đầu sâu phẳng ở lối vào và đầu nông phẳng ở lối ra, cách nhau bằng một bậc thang đột ngột. Bước Rayleigh tạo ra nhiều áp lực hơn các hình nón tuyến tính có kích thước tương tự. Điều này là do áp suất hình thành ở vùng nạp và được duy trì theo các bước trước khi màng bắt đầu phân tán (Rayleigh, Ghi chú về Lý thuyết bôi trơn, Tạp chí Triết học, Series 6, Tập 35, 1918).
Vòng bi bước chủ yếu được sử dụng ở những nơi chúng có thể được sản xuất với độ chính xác. Điều này thường được thực hiện bằng cách gia công chính xác hoặc bằng cách cán các bề mặt có rãnh. Những vòng bi này thường không thích hợp cho việc quay hai chiều. Chúng thường được sử dụng trong các hệ thống-tốc độ cao và công việc nhẹ-chẳng hạn như con quay hồi chuyển và các dụng cụ chính xác. Chúng không phổ biến trong các thiết bị công nghiệp nặng vì khó duy trì hình dạng bước cần thiết khi xảy ra hiện tượng giãn nở nhiệt và biến dạng cơ học.
Cơ chế vật lý chi tiết: Điều gì xảy ra trong phim hội tụ
Rời khỏi phương trình và nhìn vào quá trình vật lý, sẽ dễ hiểu hơn cách cái nêm tạo ra áp suất.
Hãy xem xét rằng bề mặt của kênh dẹt di chuyển với tốc độ U trên một miếng đệm hình côn. Độ dày của màng giảm dần từ h_inlet đến h_outlet dọc theo hướng chuyển động. Chất bôi trơn đi vào khe hở ở đầu vào thành một không gian thuôn nhọn. Chất lỏng không thể được nén đơn giản để chứa những không gian nhỏ hơn vì trong hầu hết các ứng dụng chịu lực đẩy, chất lỏng gần như không thể nén được. Điều này đúng với các loại dầu khoáng điển hình có áp suất dưới khoảng 500 MPa (Bair & Winer, Tạp chí ASME Journal of Tribology, tập. 114, 1992). Do đó, cùng một lượng chất lỏng phải đi qua những khoảng trống nhỏ hơn.
Khi màng mỏng đi, vận tốc trung bình của dầu bôi trơn phải tăng lên. Điều này là do chất lỏng có cùng thể tích phải đi qua một thể tích tiết diện nhỏ hơn.
Chất bôi trơn bên trong màng không di chuyển với tốc độ như nhau ở bất cứ đâu. Vận tốc chất lỏng thay đổi theo độ dày của màng. Nó bằng 0 trên bề mặt tấm đệm đứng yên và U trên bề mặt tấm dẫn động chuyển động. Do đó, áp suất bên trong màng phải được điều chỉnh để điều chỉnh dòng chảy phù hợp với yêu cầu về tính liên tục.
Ở phần hội tụ của màng, áp suất tăng theo hướng chuyển động. Điều này giúp kiểm soát dòng chất lỏng và ngăn chất bôi trơn rời khỏi khu vực quá nhanh. Nếu có vùng phân tán, áp suất sẽ giảm. Do đó, đỉnh áp suất được hình thành trong đoạn trùng hợp của màng. Sự phân bố áp suất này thường được gọi là đồi áp suất. Khi áp suất tích hợp trong khu vực đệm, lực cần thiết để hỗ trợ tải sẽ được tạo ra.
Ngọn đồi áp lực hỗ trợ người chạy. Một màng dầu bôi trơn mỏng ngăn cách con chạy với lớp lót. Trong vòng bi lực đẩy công nghiệp-được thiết kế tốt, độ dày màng tối thiểu h_min thường nằm trong khoảng từ 5 đến 50 micron. Đối với các thiết kế mặt đất{7}}hình côn, độ dày tối thiểu này thường ở gần mép đuôi (Wilcock & Booser, Thiết kế và ứng dụng vòng bi, McGraw-Hill, 1957).
Vòng quay và miếng đệm không được chạm vào nhau trong quá trình sử dụng bình thường. Một lớp chất lỏng mỏng ngăn cách chúng. Ở áp suất cao nhất, màng bôi trơn này có thể chịu được nhiều ứng suất nén hơn nhiều loại thép kết cấu có thể chịu được.
Nhiệt độ và độ nhớt: Vòng phản hồi
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng, hiệu suất chuyển đổi năng lượng, xuất hiện trực tiếp ở hai phần của phương trình Reynolds. Do đó, có một quá trình phản hồi rất quan trọng trong ổ trục. Chất bôi trơn tạo ra áp suất và do đó tạo ra khả năng chịu tải, tùy thuộc vào độ nhớt. Đồng thời, ma sát trong chất bôi trơn tạo ra nhiệt, làm giảm độ nhớt của chất bôi trơn.
Khi nhiệt độ ổ trục tăng lên, dầu sẽ trở nên loãng hơn. Ở cùng tốc độ và hình dạng, dầu loãng hơn sẽ tạo ra ít áp suất hơn. Nếu tải không đổi thì màng bôi trơn phải mỏng hơn để chịu tải. Màng càng mỏng thì tốc độ cắt bên trong chất bôi trơn càng nhanh. Điều này tạo ra nhiều nhiệt ma sát hơn, làm giảm độ nhớt hơn nữa. Sau đó chu kỳ tiếp tục. Nếu quá trình này không được kiểm soát có thể dẫn đến mất ổn định nhiệt và hỏng ổ trục.
Tốc độ sinh nhiệt do cắt nhớt trong màng chịu lực đẩy có thể được ước tính bằng:
Q_ma sát=η (U/h)² × A_pad × h
where A_pad is the pad area.
Phương trình này có thể được đơn giản hóa thành:
Q_ma sát=ηU²A_pad/h
Hình thức này cho thấy nhiệt ma sát tỉ lệ nghịch với độ dày của màng. Khi màng mỏng đi, nhiệt sinh ra tăng nhanh.
Có một số cách để loại bỏ nhiệt này khỏi vòng bi. Nhiệt có thể xâm nhập vào vỏ ổ trục thông qua vật liệu đệm. Nhiệt cũng có thể lấy chất bôi trơn ra khỏi màng ở mép sau. Ngoài ra, nhiệt có thể truyền vào trục qua trục quay.
Sự sinh nhiệt và thải nhiệt được cân bằng trong các ổ trục được thiết kế hợp lý. Lúc này, nhiệt độ của dầu bôi trơn ổn định và dầu giữ đủ độ nhớt để hỗ trợ tải trọng.
Hai yếu tố đặc biệt quan trọng đối với việc kiểm soát nhiệt độ. Đầu tiên là tính dẫn nhiệt của vật liệu pad. Thứ hai là dòng chất bôi trơn chảy qua ổ trục. Các miếng đệm bằng đồng và hợp kim đồng-truyền nhiệt hiệu quả hơn các miếng đệm bằng thép. Vì vậy, trong cùng điều kiện tải và tốc độ, chúng thường hoạt động ở nhiệt độ màng thấp hơn.
Phương pháp bôi trơn cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ. Bôi trơn ngập nước cung cấp nhiều dầu cho khoang ổ trục và loại bỏ nhiều nhiệt hơn. Bôi trơn cung cấp trực tiếp chủ yếu đưa dầu đến mép trước của mỗi miếng đệm và thường cần ít dầu hơn. Tuy nhiên, hệ thống lũ lụt có thể gây ra tổn thất do khuấy trộn lớn hơn ở các máy-tốc độ cao lớn (Etz, Tạp chí ASME Tribology, tập 102, 1980).
Độ dày màng tối thiểu và khả năng chịu tải: Kỹ thuật điểm vận hành
Độ dày màng tối thiểu, h_min, là thông số vận hành quan trọng nhất của Vòng bi lực đẩy màng chất lỏng. Nó cho biết ổ trục có hoạt động an toàn trong chế độ bôi trơn thủy động lực hay chuyển sang bôi trơn hỗn hợp hoặc bôi trơn ranh giới, nơi có thể bắt đầu tiếp xúc với bề mặt.
Mối quan hệ giữa độ dày màng tối thiểu và điều kiện vận hành thường được biểu thị bằng số đặc tính chịu lực đẩy:
h_min / L ∝ √(ηUL / W)
Trong phương trình này, L là chiều dài tấm đệm theo hướng chuyển động và W là lực đẩy tác dụng.
Mối quan hệ này cho thấy các yếu tố vận hành khác nhau ảnh hưởng như thế nào đến độ dày màng.
Tăng tốc độ U
Khi số vòng quay tăng lên, màng bôi trơn sẽ dày lên. Điều này thường có lợi vì nó cải thiện khả năng tách bề mặt. Tuy nhiên, tốc độ cao hơn cũng có thể làm tăng nhiệt độ dính, có thể gây ra các vấn đề về nhiệt.
Tăng độ nhớt η
Khi độ nhớt tăng lên, màng bôi trơn dày lên. Điều này làm tăng khả năng chuyên chở. Tuy nhiên, độ nhớt càng cao thì tổn thất khuấy càng lớn và nhiệt độ làm việc càng cao.
Giảm tải W
Khi tải giảm, màng bôi trơn dày lên. Đây là cách trực tiếp nhất để tăng độ dày của màng.
Giảm chiều dài miếng đệm L
Ảnh hưởng của chiều dài miếng đệm rất phức tạp. Đệm ngắn hơn có thể làm tăng độ dày của màng. Điều này có thể làm tăng lượng áp suất được tạo ra trên một đơn vị diện tích. Tuy nhiên, đệm ngắn hơn cũng cung cấp ít diện tích hỗ trợ hơn, dẫn đến khả năng chịu tải tổng thể thấp hơn.
Trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp, độ dày màng tối thiểu là từ 15 đến 50 micron, đủ để bảo vệ khỏi tiếp xúc bề mặt. Phạm vi này tính đến độ nhám bề mặt, điều kiện vận hành động và ô nhiễm chất bôi trơn. Độ nhám bề mặt của vòng bi chính xác thường nằm trong khoảng từ 0,2 đến 0,8 micromet.
Khi độ dày màng tối thiểu nhỏ hơn 10 micron, vòng bi có thể chuyển sang chế độ bôi trơn hỗn hợp. Trong điều kiện này, một số tiếp xúc có thể xảy ra giữa các cường độ bề mặt. Do đó, các kỹ sư phải hết sức chú ý đến việc hoàn thiện bề mặt, kiểm soát ô nhiễm cũng như các quy trình bật và tắt (Booser & Khonsari, Hệ số tuổi thọ STLE cho ổ trượt, Hiệp hội các nhà ma sát học và kỹ sư bôi trơn, 2020). Kỹ sư bôi trơn, 2020).
Khởi động và tắt máy: Khoảng thời gian bôi trơn-hỗn hợp không thể tránh khỏi
Mỗi ổ đỡ lực đẩy thủy động lực, cho dù được thiết kế tốt đến đâu, đều phải chịu sự bôi trơn hỗn hợp hoặc biên khi khởi động và đóng. Khi trục đứng yên, vận tốc U trong phương trình Reynolds bằng không. Vì vậy, không thể tạo ra áp suất thủy động lực. Toàn bộ lực đẩy được hỗ trợ trực tiếp bởi bề mặt đệm.
Khi trục quay, màng bôi trơn hình thành dần dần. Vòng bi đầu tiên được bôi trơn tại ranh giới, nơi bề mặt được ngăn cách bởi một lớp bôi trơn rất mỏng. Khi tốc độ tăng lên, ổ trục sẽ được bôi trơn hỗn hợp. Ở giai đoạn này, một phần tải trọng được chịu bởi màng bôi trơn, trong khi một số độ nhám bề mặt vẫn tiếp xúc. Khi vận tốc tăng thêm, một màng thủy động hoàn chỉnh được hình thành. Tại thời điểm này, màng bôi trơn tách biệt hoàn toàn bề mặt.
Vận tốc xảy ra sự phân tách hoàn toàn được gọi là tốc độ chuyển tiếp. Tốc độ này phụ thuộc vào tải trọng, độ nhớt của chất bôi trơn và độ hoàn thiện bề mặt. Trong các ổ trục công nghiệp được thiết kế tốt, có chất lượng bề mặt và được bôi trơn tốt, tốc độ chuyển đổi thường nằm trong khoảng từ 0,5% đến 5% tốc độ vận hành thông thường (Stachowiak & Batchelor, Engineering Tribology, ấn bản thứ 4, Butterworth-Heinemann, 2014).
Dưới tốc độ chuyển tiếp, vẫn còn một số tiếp xúc bề mặt. Trong khi đó, có thể có sự hao mòn. Nếu ổ trục trải qua nhiều chu kỳ khởi động và dừng, sự mài mòn này dần dần làm hỏng độ hoàn thiện bề mặt chính xác cần thiết để vận hành thủy động lực hiệu quả.
Vì lý do này, nhiều tuabin và máy nén lớn sử dụng hệ thống dầu kích thủy tĩnh. Các hệ thống này bơm dầu áp suất cao, thường từ 20 đến 70 MPa, qua các lỗ trên ổ trục trước khi trục bắt đầu quay. Dầu được điều áp sẽ tách biệt bề mặt để tránh tiếp xúc trực tiếp trong quá trình-khởi động.
Sau khi trục đạt tốc độ đủ cao để tạo ra màng thủy động ổn định, nguồn cung cấp dầu phía trên sẽ bị ngắt. Sau đó, vòng bi hoạt động bằng cách sử dụng màng bôi trơn được tạo ra bằng thủy động lực học. Phương pháp này làm tăng chi phí thiết bị và yêu cầu công suất bơm bổ sung, nhưng trong các ứng dụng có chu kỳ khởi động và đóng thường xuyên, nó có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của ổ trục.
Các biến thiết kế chính và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất vòng bi
Các biến sau đây là các yếu tố thiết kế chính của Vòng bi lực đẩy màng chất lỏng.
Góc cung Pad (Chiều rộng chu vi)
cung pad cung cấp diện tích pad. Vì điều này, mỗi miếng đệm có thể chịu được tải trọng cao hơn. Tuy nhiên, đệm lớn hơn cũng tạo ra nhiều nhiệt hơn. Trong vòng bi chặn nhiều lớp lót, góc vòng cung đệm thường nằm trong khoảng từ 25 độ đến 60 độ .
Số lượng miếng đệm
Sử dụng nhiều miếng đệm hơn có thể cải thiện sự phân bổ tải trọng và giảm áp suất tối đa lên mỗi miếng đệm. Tuy nhiên, nhiều miếng đệm hơn cũng có nghĩa là nhiều trục hơn, biến đổi nhiệt độ lớn hơn, vòng bi và độ phức tạp sản xuất cao hơn. Hầu hết các vòng bi lực đẩy công nghiệp đều sử dụng 6-12 miếng đệm.
Vị trí xoay (Thiết kế bàn nghiêng{0}})
vị trí trục xoay có tác động lớn đến hiệu suất. Trục xoay nằm ở vị trí bằng 50% chiều dài của ống lót, mang lại hiệu suất tối ưu theo hướng quay. Trục quay nằm ở vị trí bằng 60% chiều dài của miếng đệm, làm giảm hiệu suất cao nhất một chút nhưng cho phép vận hành ở mức chấp nhận được theo cả hai hướng quay.
Chất liệu đệm
Việc lựa chọn chất liệu đệm ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt và độ bền. Đệm thép có độ cứng chắc và có thể duy trì tốt hình dạng của đệm thép trong quá trình sử dụng. Các miếng đệm bằng hợp kim đồng có thể dẫn nhiệt hiệu quả hơn và giúp giảm nhiệt độ của dầu bôi trơn.
Nhiều miếng đệm ổ trục cũng sử dụng bề mặt ổ trục được phủ Babbit{0}}. Babbitt, có thể dựa trên thiếc hoặc chì, thích ứng với những bất thường nhỏ trên bề mặt và hấp thụ các hạt ô nhiễm nhỏ. Điều này cải thiện độ tin cậy mang. Độ bền mỏi của lớp babbitt hạn chế áp suất làm việc tối đa. Vật liệu babbitt thông thường thường chịu được áp suất khoảng 10 đến 15 MPa. Vật liệu phủ có hàm lượng-thiếc và nhôm-cao thường có thể chịu được áp suất từ 18 đến 25 MPa (Khonsari & Booser, 2017).
Lớp nhớt bôi trơn
Độ nhớt của dầu bôi trơn có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất ổ trục. Dầu có độ nhớt cao hơn có thể chịu được tải trọng lớn hơn ở tốc độ thấp hơn. Tuy nhiên, chúng cũng tạo ra nhiều nhiệt hơn ở tốc độ cao.
Dầu khoáng ISO VG 32 đến ISO VG 68 thường được sử dụng trong các ứng dụng máy tuabin. Trong các thiết bị công nghiệp chậm hơn và nặng hơn, chẳng hạn như hệ thống bánh răng và máy nén, dầu bôi trơn lỏng công nghiệp ISO ISO VG 100 đến ISO VG 320 thường được sử dụng (ISO 3448:1992, Phân loại độ nhớt ISO).
Chất bôi trơn lỏng công nghiệp - Phân loại độ nhớt ISO).
Kích thước xuyên tâm (Bán kính trong và ngoài)
Bán kính trong và ngoài ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của vòng bi. Bán kính trung bình xác định vận tốc trượt của một tốc độ trục nhất định.
Tỷ lệ bán kính ngoài và bán kính trong càng lớn thì diện tích miếng đệm càng lớn. Điều này có thể tăng khả năng tải. Tuy nhiên, nó cũng tạo ra sự khác biệt lớn hơn về tốc độ trượt trên chiều rộng tấm đệm. Kết quả là, sự phân bổ áp suất trở nên không đồng đều và khả năng chịu tải thực tế có thể thấp hơn mức được chỉ ra bởi khu vực đệm.
Các chế độ lỗi và mối liên hệ của chúng với nguyên tắc làm việc
Hiểu cách thức hoạt động của ổ đỡ lực đẩy giúp hiểu được các chế độ hư hỏng của nó dễ dàng hơn.
Phim sụp đổ (Đói dầu bôi trơn)
Nếu nguồn cung cấp dầu bôi trơn quá thấp, màng dầu ở mép trước sẽ mỏng hơn. Kết quả là nêm thủy động không phát triển bình thường. Khi đó, độ dày màng tối thiểu sẽ giảm xuống, có thể thấp hơn mức cần thiết để bôi trơn toàn bộ-màng. Khi điều này xảy ra, ổ trục sẽ chuyển sang chế độ bôi trơn{4}}hỗn hợp.
Khi sự tiếp xúc bề mặt bắt đầu xảy ra, các vảy hoặc lớp phủ bắt đầu bị mòn đi. Sự tiếp xúc này tạo ra nhiều ma sát và nhiệt hơn. Nhiệt độ càng cao, độ nhớt của chất bôi trơn càng thấp, khiến màng mỏng hơn. Sau đó, quá trình này vẫn tiếp tục, có khả năng dẫn đến thất thoát nhiệt và hỏng ổ trục (Booser & Khonsari, 2020).
Biến dạng nhiệt (Crowning)
Nhiệt độ trên bề mặt tấm đệm không phải lúc nào cũng đồng đều. Nếu một số khu vực nóng hơn những khu vực khác, các phần khác nhau của miếng đệm sẽ giãn nở với lượng khác nhau. Điều này sẽ thay đổi hình dạng của bề mặt đệm và có thể thay đổi hình nón hoặc mặt phẳng dự kiến.
Trong các ổ trục-đệm nghiêng, độ quấn nhiệt có thể dịch chuyển tâm áp suất hiệu dụng ra khỏi vị trí trục quay. Điều này làm thay đổi sự cân bằng lực tác dụng lên miếng đệm và có thể làm giảm độ dày tối thiểu của màng xuống mức không an toàn.
Do đó, phân tích biến dạng nhiệt là một phần quan trọng trong thiết kế ổ trục lực đẩy hiệu suất cao. Các kỹ sư thường sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để nghiên cứu tác động tổng hợp của nhiệt độ và biến dạng cấu trúc (Ettles, 1980).
Tải cạnh (Sai lệch)
Trục lệch hoặc biến dạng vỏ ổ trục có thể làm cho vòng chặn bị nghiêng so với các miếng đệm ổ trục. Khi điều này xảy ra, tải sẽ tập trung vào một cạnh thay vì rải rác trên bề mặt tấm đệm.
Tình trạng này được gọi là tải cạnh. Nó có thể tạo thêm rất nhiều áp lực cục bộ. Trong một số trường hợp, áp suất trên mép tải có thể cao gấp ba đến năm lần áp suất trung bình trên toàn bộ tấm đệm. Do đó, ngay cả khi tải trọng tổng thể của ổ trục vẫn nằm trong thông số kỹ thuật thiết kế, lớp Babbit có thể vượt quá giới hạn mỏi của nó.
Tính không ổn định khi xoay (Vòng bi-nghiêng)
Ở vòng bi đẩy tấm nghiêng tốc độ cao và tải trọng thấp, tấm đệm có thể không ổn định ở một vị trí. Thay vào đó, các miếng đệm có thể được đặt nghiêng qua lại.
Hành vi này được gọi là sự mất ổn định xoay vòng. Nó tương tự như vòng xoáy dầu trong ổ trục. Sự mất ổn định tạo ra rung động ở tần số thấp hơn tốc độ trục.
Khả năng xảy ra vấn đề này phụ thuộc vào mối quan hệ giữa độ cứng do hỗ trợ trục quay tạo ra và độ cứng do lực thủy động lực tạo ra trong màng bôi trơn. Nếu sự cân bằng trở nên không thuận lợi thì việc duy trì hoạt động ổn định sẽ trở nên khó khăn (Childs, Turbomachinery Rotordynamics, Wiley, 1993).
Phần kết luận
Nguyên lý làm việc của ổ đỡ màng chất lỏng dựa trên thực tế vật lý đơn giản. Khi hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau, chất lỏng nhớt trong khe hội tụ sẽ tạo ra áp suất. Áp suất này được tạo ra bởi tác động thủy động lực và không cần đến nguồn áp suất bên ngoài. Vì lý do này, vòng bi chặn được thiết kế để tạo, duy trì và kiểm soát màng bôi trơn polyme hóa trong các điều kiện vận hành khác nhau, chẳng hạn như tải trọng, tốc độ, nhiệt độ và biến dạng cơ học.
Trong quá trình sản xuất, ổ trục côn cố định và ổ trục bậc tạo ra hình học hội tụ. Hình dạng được xây dựng trên bề mặt ổ trục và vẫn cố định trong quá trình vận hành.
Vòng bi-đệm nghiêng hoạt động khác nhau. Mỗi miếng đệm có thể được điều chỉnh trong quá trình sử dụng. Điều này cho phép miếng đệm liên tục tạo thành một nêm hội tụ đáp ứng các điều kiện hoạt động hiện tại. Khi các đặc tính tải, tốc độ và chất bôi trơn thay đổi thì góc của miếng đệm cũng thay đổi.
Ở cả hai loại ổ trục, màng bôi trơn ngăn cách bề mặt ổ trục với vòng chặn quay trong quá trình vận hành thủy động thông thường. Tải trọng đạt được nhờ áp suất tạo ra trong màng bôi trơn chứ không phải do tiếp xúc trực tiếp giữa các bề mặt rắn. Màng bôi trơn thường chỉ dày từ vài micromet đến vài chục micron, tùy thuộc vào điều kiện vận hành và thiết kế ổ trục.
Tài liệu tham khảo
- Reynold, O. (1886). "Về lý thuyết bôi trơn và ứng dụng của nó vào các thí nghiệm của ông Beauchamp Tower, bao gồm cả việc xác định thực nghiệm độ nhớt của dầu ô liu."Các giao dịch triết học của Hiệp hội Hoàng gia, tập. 177, pp. 157–234.
- Michell, Đại hội đồng cổ đông (1905). "Die Schmierung ebener Flächen."Zeitschrift for Toán học và Vật lý, tập. 52, pp. 123–137.
- Rayleigh, thưa Chúa. (1918). "Ghi chú về lý thuyết bôi trơn."Tạp chí triết học, Series 6, tập. 35, no. 205, pp. 1–12.
- Khonsari, MM & Booser, ER (2017).Ma sát ứng dụng: Thiết kế và bôi trơn vòng bi, tái bản lần thứ 2. Cambridge: Nhà xuất bản Đại học Cambridge.
- Hamrock, BJ, Schmid, SR & Jacobson, BO (2019).Nguyên tắc cơ bản của các bộ phận máy, tái bản lần thứ 3. Boca Raton: Nhà xuất bản CRC.
- Stachowiak, GW & Batchelor, AW (2014).Kỹ thuật ma sát, tái bản lần thứ 4. Boston: Butterworth-Heinemann.
- Wilcock, DF & Booser, ER (1957).Thiết kế và ứng dụng vòng bi. New York: Đồi McGraw{1}}.
- Ettles, CM (1980). "Việc phân tích và hiệu suất của ổ trục đệm có trục xem xét các hiệu ứng nhiệt và đàn hồi."Tạp chí công nghệ bôi trơn ASME, tập. 102, không. 2, pp. 182–192.
- Booser, ER & Khonsari, MM (2020).Hệ số tuổi thọ STLE cho vòng bi trơn. Park Ridge: Hiệp hội các nhà nghiên cứu ma sát và kỹ sư bôi trơn.
- Bair, S. & Winer, WO (1992). "Tính lưu biến ứng suất cắt cao áp suất cao- của chất bôi trơn lỏng."Tạp chí ma sát ASME, tập. 114, không. 1, pp. 1–13.
- Trẻ em, DW (1993).Động lực học cánh quạt Turbomachinery: Hiện tượng, mô hình hóa và phân tích. New York: John Wiley & Các con trai.
- Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế. (1992).ISO 3448:1992 - Dầu bôi trơn dạng lỏng công nghiệp: Phân loại độ nhớt ISO.Genève: ISO.
- Cameron, A. (1966).Nguyên lý bôi trơn. Luân Đôn: Longmans.
- Dowson, D. (1998).Lịch sử của bộ lạc, tái bản lần thứ 2. Luân Đôn: Nhà xuất bản Kỹ thuật Chuyên nghiệp.
- Pinkus, O. & Sternlicht, B. (1961).Lý thuyết bôi trơn thủy động lực. New York: Đồi McGraw{1}}.