Масляный клин это

Проблемы подшипников скольжения | Спектральная вибродиагностика

Русов В.А.

"Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам" 2012 г.

3.1. Диагностика дефектов уровня «подшипник»

Подшипники скольжения являются неотъемлемой частью многих крупных, и очень ответственных агрегатов, широко применяются в энергетическом оборудовании, мощных насосах, компрессорах, электродвигателях и т. д.

При кажущейся внешней простоте конструкции, а подшипник скольжения состоит всего из трех элементов - из антифрикционного вкладыша, части поверхности вала – подшипниковой шейки, и слоя масла между ними, на самом деле это сложный и ответственный узел, в котором возможно возникновение опасных дефектов.

С целью обеспечения высокой надежности работы оборудования с подшипниками скольжения, а это обычно самое ответственное и дорогое оборудование, необходимо обеспечивать необходимый уровень мониторинга технического состояния и диагностики возникающих дефектов. Это одна из основных оперативных задач, которые приходится постоянно решать сотрудникам обслуживающего и диагностического персонала предприятия.

Вибрационные методы диагностики и оценки технического состояния подшипников скольжения являются в настоящее время наиболее эффективными и широко распространенными. Они позволяют контролировать техническое состояние подшипников в процессе работы, не прибегая к разборке агрегатов.

3.1.2.1. Общие вопросы диагностики подшипников скольжения

Физические процессы, протекающие в подшипниках скольжения, достаточно сложны, зависят от особенностей конструкции подшипника, а также от соотношения многих внешних и внутренних факторов, определяющих условия работы подшипника.

Все возникающие в процессе эксплуатации подшипников скольжения проблемы состояния, могут быть объединены в три основные группы. Это:

Проблемы общего технического состояния рабочих поверхностей подшипника скольжения.
Проблемы, связанные с увеличением или уменьшением величины зазора между галтелью вала и антифрикционным вкладышем.
Проблемы несущей способности масляного клина, выполняющего функции опорного элемента подшипника скольжения.

Прежде, чем начать обсуждать вопросы оценки технического состояния, и диагностики дефектов подшипников скольжения, необходимо сказать несколько слов об особенностях динамических процессов в них. Это нужно сделать потому, что именно они оказывают основное влияние на особенности протекания вибрационных процессов, сопровождающих работу подшипника скольжения. Без знания этих особенностей невозможно составление корректных диагностических алгоритмов и правил, на основании которых необходимо проводить работы с такими подшипниками.

В первую очередь необходимо определиться с особенностями возникновения и работы масляного клина, поддерживающего вращающийся ротор контролируемого механизма. Несущая способность масляного клина подшипника скольжения, его основной эксплуатационный параметр, является сложной нелинейной функцией от величины зазора между валом и антифрикционным вкладышем. С одной стороны, чем тоньше слой масла между валом и вкладышем, тем выше несущая способность подшипника. Но с другой стороны, чрезмерное уменьшение толщины слоя масла снижает устойчивость подшипника к динамическим нагрузкам, что увеличивает вероятность возникновения механического задевания шейки вала об вкладыш.

Рабочий слой масла в подшипнике качения вполне обоснованно называют масляным клином потому, что на радиальном разрезе подшипника несущий слой масла очень похож на клин, изогнутый вокруг шейки ротора. Толщина рабочего слоя масла в подшипнике является максимальной в месте входа рабочей поверхности вращающегося вала в несущую зону подшипника и минимальна на выходе из нее. Чем больше величина вертикальной нагрузки на подшипник скольжения, тем тоньше становиться рабочий слой масла, несущего радиальную нагрузку, и наоборот.

Такая особенность работы подшипников скольжения может привести к тому, что роторы агрегатов, опирающиеся на такие подшипники, при определенных конструктивных и эксплуатационных условиях, могут потерять устойчивость и перейти в режим автоколебаний в радиальном направлении. Наиболее часто это может произойти при значительном уменьшении нагрузки вала ротора на подшипник, что может являться следствием многих причин. Уменьшение (!) нагрузки на подшипник может перевести его в режим колебаний толщины масляного клина.

Поскольку этот эффект тоже оказывает влияние на проведение диагностики технического состояния подшипников скольжения, попробуем немного пояснить причину возникновения этих автоколебаний, естественно стараясь, по возможности, не вдаваться при этом далеко в сложные формулы и описания.

На схематическом рисунке 3.1.2.1. представлено поперечное сечение подшипника скольжения, в котором для наглядности показан увеличенный рабочий зазор. Ротор механизма, показанный на рисунке окружностью вращается в зазоре подшипника скольжения в направлении «по часовой стрелке».

Рассмотрим, как нагрузка на подшипник изменять положение ротора в зазоре подшипника. Неподвижный ротор (как и максимально нагруженный ротор) будет находиться в нижнем положении зазора подшипника, а вращающийся абсолютно ненагруженный ротор, теоретически, должен находиться в центре зазора подшипника. Это две крайние точки положения ротора. При изменении нагрузки положение центра вала будет смещаться относительно центра подшипника, будет изменяться рабочий зазор в подшипнике.

При изменении нагрузки на подшипник от нуля, и до предельно допустимой, центр (вращения) ротора опишет траекторию, которую иногда называют линией нагрузки подшипника. Линия нагрузки похожа на дугу, опирающуюся на две крайние точки, выгнутую на нашем рисунке влево. Если изменить направление вращения ротора, то дуга выгнется вправо.

Участок от нижней точки дуги до точки перегиба есть участок устойчивой работы подшипника, когда ответная силовая реакция подшипника на возмущающий импульс нагрузки однозначно соответствует величине возмущающего импульса. Например, при увеличении нагрузки на ротор на «N» процентов рабочая точка подшипника сместится по своей траектории настолько, чтобы несущая способность подшипника выросла также пропорционально. Подшипник адекватно реагирует на все возмущающие воздействия, которые сопровождают работу контролируемого механизма.

На участке от точки перегиба до центра зазора подшипника картина динамических процессов несколько иная. Здесь, при увеличении нагрузки, происходит не только радиальное смещение ротора, но и значительное смещение ротора «вниз», к точке, в которой будет находиться ротор, если его вращение остановить. Вследствие такой траектории движения центра ротора, здесь существует специфический эффект, который можно назвать «перерегулированием» в реакции подшипника на внешние возбуждения. Здесь на единичное увеличение нагрузки на подшипник ротор переместится по траектории на существенно большее расстояние, причем основной составляющей будет угловое, а не радиальное перемещение ротора.

Смысл этой фразы в том, что в ответ на возмущающий импульс, например единичной силы, ответная реакция подшипника может равняться не единице, а, например, двум. Ротор вернется обратно, но «переместится» по траектории дальше, чем нужно. Далее на ротор, «зашедший» за точку равновесия, будет воздействовать импульс от масляного слоя подшипника, но направленный в радиальном направлении. Ротор «приподнимется», и сместится в направлении стандартной траектории, на которую он попадет несколько выше точки установившегося равновесия, соответствующего данной нагрузке на подшипник, и все повториться снова. Результатом этого явления «перерегулирования» может стать бесконечное автоколебание ротора на масляном клине, относительно точки статического равновесия.

Картина этого автоколебания, возникающая обычно при малой нагрузке на подшипник, и вблизи точки перегиба траектории ротора, очень своеобразна и чем - то напоминает попытку выспаться на «не полностью накачанном надувном матраце» человеку с небольшой массой. Происходит «переваливание» человека с одной части матраца на другую. В форме масляного клина появляются, если смотреть в разрезе, своеобразные «волны», перемещающиеся с входа на выход. В конечном итоге такие колебания наводят специфические, достаточно низкочастотные вибрации как в вертикальном, так и в поперечном радиальных направлениях.

Приведенная интерпретация причин возникновения вибрации в масляном клине подшипника скольжения достаточно наивна, и не является физически строгой. Но поскольку она позволяет лучше понять процессы в подшипнике, ее использование, на наш взгляд, вполне оправданно.

Интересным для диагностики является то, что частота этого автоколебания примерно одинакова у всех роторов и обычно составляет примерно 0,42 - 0,48 от оборотной частоты ротора. Именно такое же значение имеет частота, свойственная дефектам сепаратора у подшипников качения. Такое сходство говорит о том, что скорость движения слоя масла, точнее говоря масляных волн, в зазоре подшипника скольжения, практически равна скорости перемещения сепаратора в подшипниках качения. Эта частота есть показатель относительной скорости перемещения масла в зазоре между неподвижным вкладышем и вращающимся ротором. Средняя скорость движения масла в зазоре подшипника, в идеальном случае, должна равняться половине частоты вращения вала. На практике она всегда немного меньше, т. к. имеет место вытекание масла в боковые зазоры подшипника.

Численное значение частоты масляных вибраций в одном и том же подшипнике может меняться в указанном диапазоне 0,42 - 0,48 в процессе изменения состояния элементов подшипника.

Это дает возможность по величине этой частоты косвенно судить об относительном состоянии каждой из рабочих поверхностей подшипника. Если частота масляной вибрации, с течением времени, смещается ближе к 0,5 от оборотной частоты, то, наверное, можно говорить о хорошем состоянии внешней поверхности вкладыша и о худшем состоянии поверхности шейки вала. Масло в большей степени тяготеет к шейке вала и перемещается быстрее обычного.

Если частота масляной вибрации снижается и стремится ближе к величине 0,4 от частоты вращения вала, то тогда все наоборот. Лучшим по качеству является состояние поверхности шейки вала. Масло тяготеет к вкладышу, имеющему поверхностные дефекты, и сильно тормозиться.

В некоторых случаях уменьшение частоты вибрации масляного клина говорит об увеличении зазоров в подшипнике, в основном боковых.

Эти рассуждения о влиянии состояния подшипника на изменение частоты масляной вибрации справедливы достаточно часто, но не всегда. Они приведены здесь для примера, и мы надеемся, принесут пользу читателям при более глубоком изучении вопроса и анализе опыта уже имеющейся практической работы.

При выполнении диагностики подшипника скольжения обязательно следует хорошо знать конструкцию подшипника или, как минимум, спектральную историю развития вибраций на данном подшипнике. Очень нужен здесь практический навык специалиста по вибрационной диагностике.

Для уменьшения вероятности возникновения автоколебаний масляного клина в подшипниках скольжения применяются различные меры, такие как использование подшипников скольжения с вкладышами специальной формы и с секционированными вкладышами, такими как:

с некруглой формой расточки - лимонной, трехцентровой и т. д.;
с подвижными секционированными и независимыми рабочими поверхностями - кольцами, вкладышами и т. д.

При наличии секционирования вкладышей в спектре могут появиться вибрации от масляной гармоники, пропорциональные числу сегментов. Диагностирование таких подшипников, конечно, имеет свои отличия, но они не очень значительны. Необходимо просто хорошо изучить конструкцию такого подшипника и у Вас будет достаточно предварительного материала для постановки верного диагноза при помощи спектров вибросигналов.

В общем случае ротор «соприкасается» через масляный клин с вкладышем подшипника не по всей окружности, а на некоторой, не очень большой, дуге в нижней части вкладыша. В результате основные динамические нагрузки действуют на этом участке. Если построить «розу вибраций», то этот контактный участок будет виден достаточно хорошо. Об этом следует помнить при диагностике и этим следует пользоваться при составлении собственных диагностических правил, повышая тем самым информативность диагнозов.

3.1.2.2. Увеличенный зазор в подшипнике скольжения

При монтаже подшипника скольжения всегда тщательно контролируются зазоры со всех сторон вкладыша и галтели ротора, т. к. все они, а не только нижняя часть вкладыша, в той или иной мере участвуют в работе подшипника. Даже зазор в верхней части подшипника важен для стабилизации положения ротора в зазоре подшипника.

В процессе работы из-за естественного износа рабочие зазоры постепенно возрастают, и наступает такой момент, когда это начинает сказываться на состоянии агрегата и, соответственно проявляться в спектре вибрации. Достаточно часто при этом в агрегате должен присутствовать еще один, какой - либо, дефект другой природы возникновения, например небаланс или расцентровка. Этот дефект возбуждает вибрации, которые должны привести к обкатыванию ротора по внутренней окружности подшипника. Не редки случаи, когда зазор увеличен, а в вибрационных сигналах это не проявляется, нет возмущающего воздействия, приводящего к повышению вибрации.

Это может быть возбуждающая сила и другой природы возникновения, например, технологической. Говоря просто, должна быть внешняя сила, которая в определенные фазы вращения будет приподнимать ротор и прижимать его к боковым поверхностям и даже к верхнему вкладышу подшипника, или хотя бы на какую - то долю момента времени разгружать подшипник скольжения.

Спектральная картина последней стадии увеличенного зазора в подшипнике скольжения имеет стандартный вид, свойственный механическому ослаблению. На спектре появляется целая гамма оборотных гармоник с номерами до 8-10, а иногда даже и до 20. Поскольку при увеличении зазора ротор обычно имеет перемещения в вертикальном направлении, дефект проявляется в большей степени в виде повышенных вертикальных вибраций, более значительных по сравнению с поперечными колебаниями. В диагностике этой особенности увеличенного зазора в подшипнике скольжения хорошо помогает проведение кругового замера вибрации, и построение «розы вибраций».

В некоторых случаях все происходит с точностью до наоборот. Например, при увеличенных боковых зазорах в подшипнике скольжения может резко возрасти именно поперечная составляющая вибрации, что так же легко объяснимо - сдвинуть ротор «вбок» легче, чем приподнять его.

Характерный спектр такого дефекта показан на рис. 3.1.2.2. По внешнему виду этого спектра хорошо видно, что он не имеет существенных отличий от стандартного спектра при дефекте «ослабление механической посадки элемента на вращающемся роторе». Тот же лес целых гармоник оборотной частоты, достигающее число 15 - 20. То же большое количество, хотя и при много меньшей амплитуде, дробных гармоник с кратностью 1/2 от оборотной частоты вращения вала. Глядя на этот спектр следует признать, что этот дефект подшипника скольжения трудно спутать с дефектами другого типа.

Очень своеобразно увеличенный зазор может проявиться в механизмах с наличием собственных частот вибрации, отличных от оборотной. Наиболее наглядно это видно в насосах и редукторах. В этих механизмах, при увеличении зазоров в подшипниках скольжения, очень значительно могут возрасти лопаточная, или зубцовая гармоники. Причина этого достаточно легко объяснима, если представить, например, рабочее колесо насоса как рычаг, один конец которого есть точка "касания лопатки с выступающим элементом улитки", а второй конец закреплен в подшипнике. Увеличение зазора в подшипнике приведет к тому, что удары в первом узле крепления рычага приведут к ударам в подшипнике, и частота этих ударов будет соответствовать лопаточной частоте.

Последнее замечание по диагностике увеличенных зазоров в подшипниках скольжения. Большое число практических специалистов все еще работают с виброперемещением, по спектру которого диагностировать увеличение зазоров в подшипнике скольжения сложнее, чем по спектру виброскорости. Предпочтение в диагностике дефектов подшипников скольжения нужно отдавать использованию виброскорости.

3.1.2.3. Вибрации масляного клина в подшипнике скольжения

Рассмотрим наиболее общие и часто встречающиеся в практике особенности диагностирования вибраций масляного клина в подшипниках скольжения, описанию причин возникновения которой мы уже сделали выше.

Как уже было сказано, очень характерно, что этот дефект проявляется в спектре вибросигнала в виде увеличения амплитуды субгармоники с частотой 0,42 - 0,48 от оборотной частоты вала. Если амплитуда этой субгармоники превышает 50 % от величины первой оборотной гармоники частоты вращения вала, то следует говорить о серьезном характере данного дефекта и об опасном влиянии его на общее состояние агрегата. Цифра приведена при диагностике состояния подшипника по величине виброскорости.

Вибрации масляного клина проявляются обычно там, где имеется значительное отклонение от нормальной кондиции одного из следующих основных параметров:

Нагрузка от ротора на подшипник не соответствует расчетной несущей способности масляного клина, наиболее «опасно» сниженное значение нагрузки.
В контролируемом агрегате, как минимум, присутствует еще одна возмущающая динамическая сила, возникшая не как результат проблем контролируемого подшипника, но способная возбудить колебания ротора в подшипнике.
Произошло значительное изменение рабочих параметров масла, по сравнению с расчетными значениями, влияющих на несущую способность масляного клина. Это может быть изменение вязкости, температуры, давления, появление в масле посторонних примесей.

Повторим так же диагностические особенности изменения параметров субгармоники с частотой масляной вибрации, перечисленные выше:

Если частота масляной вибрации смещается ближе к значению 0,5 (от оборотной частоты), то, наверное, можно говорить о хорошем состоянии внешней поверхности антифрикционного вкладыша или о плохом состоянии поверхности шейки вала. Дефект сосредоточен на поверхности шейки вала.
Если частота масляной вибрации располагается сравнительно ближе к величине 0,4 от частоты вращения вала, то тогда все наоборот. Лучшим является состояние рабочей поверхности шейки вала.

В заключение хочется повторить еще раз, что, чем выше практический опыт специалиста по вибрационной диагностике, тем больше у него шансов на успех при диагностике состояния подшипников скольжения.

3.1.2.4. Неправильный монтаж подшипника скольжения

Под этим термином понимается такое дефектное состояние подшипника скольжения, когда повышенная вибрация обусловлена неправильной установкой антифрикционных (баббитовых) вкладышей, их пространственным перекосом, или подвижностью внутри подшипниковой стойки. В спектре вибрационного сигнала этот дефект проявляется усилением первой и второй гармоник оборотной частоты ротора. Значительно возрастает осевая составляющая общей вибрации, часто до недопустимых значений.

Рассмотрим основные диагностические особенности данного монтажного дефекта подшипника скольжения.

Как правило, при перекосе вкладыша в подшипниковой опоре уровень вибрационного сигнала в различных измерительных проекциях значительно различается. Кроме того, в зависимости от места измерения уровень вибрации одного и того же подшипника может различаться. Когда внутренняя часть вкладыша подшипника, расположенная со стороны ротора, перемещается, условно говоря «вверх», внешняя часть вкладыша, со стороны муфты, может перемещаться с меньшей скоростью, или оставаться на месте, или даже перемещаться в обратном направлении, т. е. «вниз». Понятно, что вибрационные сигналы на двух сторонах подшипниковой опоры, имея в виду продольную координату, могут не только отличаться по общему уровню, но и иметь фазовый сдвиг друг от друга.

Основных причин возникновения такой вибрационной картины две. С одной стороны должен иметь место перекос вкладыша в подшипниковой опоре, а с другой стороны необходимо наличие изгиба шейки вала в районе подшипника. Не нужно представлять это как реальный изгиб вала, здесь речь идет скорее о неравномерном износе шейка вала, или, что бывает чаще, о технологическом прогибе ротора, приводящем к появлению эффекта изгиба в районе шейки вала.

Эти два дефекта, в совокупности, и приводят к сложному характеру прецессии во времени различных точек подшипника. Под изгибом шейки (галтели) вала здесь мы понимаем не идеальность поверхности галтели относительно геометрической оси вала.

Если вкладыши являются самоустанавливающимися, то они перемещаются в точку нового равновесного состояния и вибрации могут уменьшиться. Если такой возможности свободного смещения у них нет, то вибрация так и останется повышенной. Максимальное значение она обычно имеет в осевом направлении. Это происходит не потому, что наибольшие силы действуют вдоль оси агрегата, просто конструктивная податливость подшипниковой стойки в данном направлении наибольшая. Как уже было сказано выше «колебания есть возмущающая сила, умноженная на податливость опоры в соответствующем направлении».

Сравнение вибраций в вертикальном и поперечном направлениях, особенно построение «розы вибраций» в этой плоскости позволяет достаточно корректно выявить ось перекоса вкладыша.

Частотный состав вибраций при таком дефекте прост и обычно ограничивается первой гармоникой. При сегментных вкладышах возможно появление гармоники с частотой, равной произведению оборотной частоты на число сегментов.

Необходимо отделять эту причину повышенной вибрации от дефекта типа «изгиб вала», который в спектре дает примерно одинаковую картину. Разделить их можно, используя две особенности, хотя достаточно часто это есть одно и тоже.

Первая диагностическая особенность. В «розе вибраций», построенной в плоскости, перпендикулярной оси агрегата, при изгибе вала нет четко выраженного максимума. При перекосе вкладыша он всегда есть.

Второй способ немного сложнее, и требует для диагностики синхронно зарегистрированных, или синхронизированных вибрационных сигналов. При их наличии дальнейшее уже достаточно просто. Если фаза первой гармоники всех вибраций, включая осевую, является достаточно устойчивой, то можно с большой достоверностью предполагать изгиб вала. Это хорошо согласуется с физической картиной вращения изогнутого вала. Если же фаза первой гармоники, хотя бы в одной из радиальных проекций, обычно в поперечной, является неустойчивой, то нужно говорить о перекосе вкладыша подшипника скольжения.

При излишней подвижности вкладыша подшипника скольжения в опоре наряду с эффектом перекоса на спектре возникает «резонансное поднятие» в диапазоне средних и высоких частот в виде небольшого «купола» с небольшой мощностью, создающее картину «затирания» и в основном диагностируемого на резонансной частоте конструкции подшипника скольжения.

Последней стадией развития «большой подвижности вкладыша подшипника скольжения» характеризуется спектральной картиной ослабленной посадки элементов с большим количеством целых и дробных гармоник в спектре. Подробнее об этом можно прочитать в разделе «механические ослабления», т. к. это уже будет интегральный дефект, общий для многих первопричин, а не только относящийся к подшипникам скольжения.

Возможно, что такая причина будет на спектре похожа на причину «увеличенный зазор в подшипнике скольжения». Разделить эти причины можно, если конечно есть история развития вибраций на данном подшипнике за необходимый период времени. Это даст возможность проанализировать тренд развития выявленной неисправности, начиная с самых начальных стадий.

3.1.2.5. Эллипсность шейки вала

В процессе работы шейка вала, являющаяся частью подшипника скольжения, может неравномерно износиться, и ее поперечное сечение, первоначально являющееся кругом, может приобрести признаки эллипса. При определенных условиях износа сечение шейка вала может иметь в себе некоторую трехгранность, четырехгранность и т. д.

При работе такого подшипника толщина масляного клина будет модулироваться нелинейностью кривизны шейки вала. В итоге радиальные, в основном вертикальные, вибрации будут иметь в своем составе гармоники, пропорциональные произведению оборотной частоты вала на «порядок эллипсности» шейки вала. При эллипсе это будет вторая гармоника оборотной, при трехгранности - третья и т. д.

При эллипсности происходит некоторое увеличение частоты вибрации масляного клина, т. к. масло в большей мере увлекается в своем движении ротором. Она может доходить до 0,45 - 0,46 от оборотной частоты ротора.

Следует сказать несколько слов о том, что особенно трудно выявлять эллипсность шейки вала в электрических машинах с частотой вращения 3000 об/мин, в которых практически всегда есть гармоника электромагнитной силы, по частоте равная второй гармонике оборотной частоты ротора. Кроме того, у турбогенераторов, в силу особенностей конструкции, всегда имеет место вторая гармоника оборотной частоты, вызванная неодинаковой жесткостью ротора в поперечном сечении.

Образование - масляный клин - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Cтраница 3

Рациональные схемы ползунов дизелей. [31]

Расположение такого шарнира между штоком и рабочей плоскостью башмака очень благоприятно для образования масляного клина, когда ползун касается направляющих двумя узкими плоскостями. В этом случае давление очень большое, поэтому особенно важно обеспечить хорошие условия для образования масляного клина. При скольжении ползуна по направляющей основной опорной плоскостью удельное давление намного меньше, и поэтому расположение шарового шарнира, показанное на рис. 2.16 6, вполне допустимо. При длинном поршне ( двухтактные двигатели) требуется дополнительный шарнир IV3 на штоке так же, как и при двустороннем. [32]

У каждой колодки кромка со стороны входа масла должна быть закруглена для образования масляного клина. После сборки упорного подшипника с новыми колодками следует проверить правильность прилегания баббитовой поверхности колодок к упорному диску. Перед проверкой поверхности колодок и диска протирают насухо. Ротор прижимают к колодкам и 3 - 4 раза поворачивают. [33]

Нельзя располагать канавки на опорной поверхности нижнего вкладыша, так как нарушаются условия образования масляного клина. [34]

Работа упорного подшипника с сегментными колодками ( рис. 5 - 18) основана на образовании масляного клина между рабочими поверхностями упорного диска и сегментными колодками. Клиновидные зазоры между поверхностями сегментов и упорным диском образуются автоматически, так как каждый сегмент имеет возможность поворачиваться ( наклоняться) на небольшой угол на своей опорной пяте или опорном штифте. [35]

В точных станках и в тяжелых станках с малым числом оборотов, когда трудно ожидать образования масляного клина из-за гидродинамического эффекта, находят применение гидростатические подшипники скольжения, в которых жидкостное трение и гарантированный для этого слой смазки создаются путем подачи масла под давлением в зазор между валом и вкладышем специальным насосом. Дроссели обеспечивают поступление в каналы определенного количества масла. [36]

В модифицированных глобоидных передачах форма зазора в плоскостях, перпендикулярных к контактным линиям, способствует образованию масляного клина. Это обеспечивает глобоидной передаче сравнительно высокую несущую способность. Момент, передаваемый глобоидной передачей при равных условиях применения, в 1 5 раза выше момента в червячных передачах с цилиндрическим червяком. [37]

Геометрические особенности простейших подпятников ( рис. 14.5) таковы, что в них нет условий для образования масляного клина между трущимися поверхностями, поэтому они работают в режимах граничного - или полужидкостного трения. Смазочные канавки на опорной поверхности подпятника ( рис. 14.5, г) облегчают попадание смазки в зону трения. [38]

Перейдем к рассмотрению одного важного вопроса, который мы оставили в стороне, когда говорили об образовании масляного клина в подшипнике, а именно, как выходит масло из подшипника. [39]

Приведенные итоги работы П. Л. Капицы указывают на исключительно важное значение смазки и на необходимость понимания физической картины процесса образования масляного клина ( слоя) под шаром или роликом при их качении под нагрузкой. Из приведенных соотношений и примеров очевидны два вывода. Во-первых, чем толще предельный масляный слой / г акс, тем на большую площадь распространяется давление и, следовательно, уменьшается напряжение в металле. Поэтому для смазывания подшипников необходимо выбирать масла с высоким пьезокоэффициентом вязкости. Во-вторых, для образования масляного слоя между телами качения подшипников нужен свободный зазор. Если его нет или он мал, то масляный слой все равно образуется, так как он не может быть меньше предельной величины Ныакс, но при этом произойдет деформация тел качения подшипников, связанная с добавочными напряжениями и потерями на трение. [40]

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания прекращают использовать при достижении определенной овальности шеек, из-за которой происходят нарушения образования масляного клина и стуки в подшипниках, приводящие к интенсификации износов многих деталей двигателя. Но предельная овальность шеек изношенного коленчатого вала - лишь частная характеристика, она не определяет общей годности вала к дальнейшему употреблению. [41]

При этом контактные линии в зацеплении располагаются под большим углом к скорости скольжения, что улучшает условия для образования масляных клиньев в зацеплении. Такие передачи называют глобо-идными. [42]

Если скорость скольжения направлена поперек линии контакта ( рис. 8.6 в), то создаются благоприятные условия для образования масляного клина, обладающего значительной подъемной силой, и возникает режим жидкостного трения. [43]

Зависимость угла трения р от скорости скольжения vs. [45]

Страницы: 1 2 3 4

Принцип смазки (автомобиль)

11. 3.

Принцип смазки

11.3.1.

Граничная смазка

Смазка между подвижными поверхностями обеспечивается клиновидной масляной пленкой, которая образуется между поверхностями (рис. 11.2). Масляная пленка в форме клина называется граничной смазкой. Пленка толще спереди на передней кромке, чем сзади. Когда эта пленка становится тонкой, так что выступы на поверхности соприкасаются, это называется граничной смазкой. С увеличением коэффициента трения требуется большее усилие для перемещения поверхности. Наименьшие усилия требуются, когда существует правильная клиновидная масляная пленка. Граничная смазка является промежуточным состоянием между сухим трением и жидкостной гидродинамической смазкой. В основном это состояние, при котором смазка заполняет полости, существующие между всеми поверхностями трения. Трение возникает за счет сдвига самой смазочной пленки и контакта металла с металлом выступов поверхностей скольжения.

Коэффициент трения увеличивается при граничной смазке или при слишком густом масле. Толщина моторного масла чрезвычайно важна для предотвращения граничной смазки и обеспечения низкого коэффициента трения. Плотность масла называется его вязкостью. Вязкость определяется как склонность масла сопротивляться течению. На рис. 11.3 представлены эти

характеристики смазки, где Z — вязкость или толщина, N — поверхностная скорость, а P — давление, создаваемое весом. Коэффициент трения является самым низким для одного значения ZN/P. Если нагрузка P увеличивается, значение ZN/P уменьшается, и сила перемещается по графику влево в сторону граничных условий. Любое увеличение скорости увеличивает ZN/P и сдвигает выражение вправо на графике. Требуется больше усилий, чтобы увеличить скорость при той же вязкости и нагрузке. При любой постоянной скорости и нагрузке масляная пленка зависит от вязкости масла.

Рис. 11.2. Гидродинамическая масляная пленка.

Хорошая граничная смазка зависит от химического сродства между хотя бы некоторыми молекулами масла и смазываемой металлической поверхностью. Химическое сродство означает химическую реактивность, поэтому масло, очищенное до максимальной степени химической стабильности, вряд ли сможет обеспечить очень хорошую граничную смазку. С другой стороны, картерное масло должно быть достаточно химически стабильным, чтобы иметь долгий срок службы до разрушения из-за окисления. Поэтому для достижения компромисса между необходимой степенью химической активности и тенденцией к быстрому окислению используются специальные компоненты смеси.

Граничная смазка осуществляется между стенками цилиндров и поршневыми узлами, стержнями клапанов и их направляющими, опорными подшипниками

Рис. 11.3. ЗНИП в зависимости от коэффициента трения по смазке.

при вращении с места. На рис. 11.2 представлены условия смазки плоской поверхности.

11. 3.2.

Гидродинамическая смазка

Принципы гидродинамической смазки применяются к изогнутым поверхностям подшипников в двигателе, таким как коренные подшипники, шатуны и подшипники распределительных валов. Смазка коренных подшипников коленчатого вала показана на рис. 11.4.

Смазочное масло из маслосистемы двигателя подается через отверстие в верхней половине вкладыша подшипника. Канавка в корпусе подшипника удерживает некоторое количество масла в подшипнике, когда двигатель остановлен. Канавка также способствует распределению масляной пленки по поверхности подшипника при работающем двигателе. Когда коленчатый вал неподвижен, нагрузка направлена прямо вниз, и масло выдавливается между валом и подшипником (рис. 11.4А). При вращении коленчатого вала действует гидродинамическая смазка и вокруг подшипника устанавливается клиновидная гидродинамическая масляная пленка (рис. 11.4Б). Эта пленка поддерживает подшипник и, когда масло правильной вязкости составляет

снижает усилие поворота до минимума. С увеличением частоты вращения коленчатого вала усиливается и расклинивающее действие масла, перенося максимальное давление вокруг подшипника влево (рис. 11.4В). Некоторое количество масла вытекает по бокам подшипника, вымывая загрязняющие вещества и помогая охлаждать подшипник. Для этого требуется непрерывная подача свежего масла, которое масляный насос подает на шейку подшипника. Износ подшипников в основном происходит при начальном пуске и продолжается до тех пор, пока не образуется гидродинамическая пленка. 9стационарный или вращающийся очень медленно, существует тесный контакт между валом и подшипником в основании.

(it) Граничная смазка. Когда вал начинает вращаться, он поднимается по плоскости подшипника в направлении, противоположном направлению вращения, пока не будет достигнута предельная сила трения.

(Привет) Полугидродинамическая смазка. По мере увеличения скорости шейки она увлекает за собой липкий слой масла, а другой граничный слой масла цепляется за неподвижную опорную поверхность. Между этими двумя слоями масло движется в том же направлении, что и поверхность шейки. Таким образом, масло втягивается в тонкий конец зазора, образуя сужающийся клин масляной пленки. Эта пленка обычно становится достаточно прочной, чтобы поддерживать и отделять вал от подшипника. Более толстые или более вязкие масла обеспечивают более прочную масляную пленку и выдерживают более высокие нагрузки.

(iv) Гидродинамическая смазка. Толщина масляной пленки, образующейся между двумя поверхностями, увеличивается с увеличением скорости и толкает ось вала в направлении вращения в противоположную сторону. В действительности устанавливается устойчивое среднее положение, и ось вала «пляшет» вокруг этой точки при колеблющихся нагрузках.

Гидродинамическая смазка имеет место только потому, что большинство смазочных материалов имеют прочное сцепление с металлическими поверхностями, а относительное движение достигается за счет внутреннего сдвига молекулярных слоев внутри самой масляной клиновидной пленки. В дополнение к смазке коленчатых и распределительных валов, гидродинамическая смазка часто возникает на средних участках стенок цилиндров, где скорости поршня самые высокие.

Подшипники скольжения и их смазка

Подшипники скольжения или шейки состоят из вала или шейки, которые свободно вращаются в опорной металлической втулке или оболочке. В этих подшипниках нет тел качения. Их дизайн и конструкция могут быть относительно простыми, но теория и работа этих подшипников могут быть сложными.

Эта статья посвящена полностью жидкостным подшипникам скольжения с масляной и консистентной смазкой; но сначала краткое обсуждение штифтов и втулок, сухих и полусмазываемых подшипников скольжения и подшипников с самоустанавливающимися подушками.

Низкоскоростные штифты и втулки представляют собой форму подшипника скольжения, в котором вал или вкладыш обычно не совершают полного оборота. Частичное вращение на низкой скорости, обычно перед изменением направления, не позволяет сформировать полную пленку жидкости, и, таким образом, внутри подшипника происходит контакт металла с металлом. Пальцы и втулки постоянно работают в режиме граничной смазки.

Эти типы подшипников обычно смазываются противозадирной смазкой (EP), чтобы помочь выдерживать нагрузку. Твердый дисульфид молибдена (moly) включен в смазку для повышения несущей способности смазки.

Многие виды оборудования для наружного строительства и горнодобывающей промышленности включают штифты и втулки. Следовательно, ударная нагрузка и загрязнение водой и грязью часто являются основными факторами их смазывания.

Рис. 1. Kingsbury Radial
и упорный подшипник

Сухие подшипники скольжения состоят из вала, вращающегося в сухой втулке, обычно из полимера, который может быть смешан с твердыми веществами, такими как молибден, графит, ПТФЭ или нейлон.

Эти подшипники ограничены приложениями с низкой нагрузкой и низкой поверхностной скоростью. Полусмазанные подшипники скольжения состоят из вала, вращающегося в пористой металлической втулке из спеченной бронзы или алюминия, в которой смазочное масло содержится в порах пористого металла. Эти подшипники предназначены для низких нагрузок, низких и средних скоростей и температур до 100°C (210°F).

Подшипники с наклонными подушками или поворотными башмаками состоят из вала, вращающегося внутри корпуса, состоящего из изогнутых подушек. Каждая колодка может поворачиваться независимо и выравниваться с изгибом вала. Схема самоустанавливающегося подшипника представлена на рис. 1.

Преимуществом этой конструкции является более точное выравнивание опорной оболочки по отношению к вращающемуся валу и полученное повышение устойчивости вала. ¹

К опорным подшипникам относятся подшипники скольжения, скольжения, вкладыши и баббитовые подшипники. Термин баббит на самом деле относится к слоям более мягких металлов (свинец, олово и медь), которые образуют металлическую контактную поверхность вкладыша подшипника. Эти более мягкие металлы покрывают более прочную стальную опорную оболочку и необходимы для защиты оболочки от более жесткого вращающегося вала.

Простые подшипники скольжения скольжения воспринимают только радиальную нагрузку, перпендикулярную валу, как правило, из-за направленного вниз веса или нагрузки вала. Упорные или осевые нагрузки вдоль оси вала также могут восприниматься подшипниками скольжения, предназначенными для этой цели. На рис. 1 показан подшипник с наклонной площадкой, способный воспринимать как радиальные, так и осевые нагрузки.

Рис. 2. Слои коренной несущей конструкции

Подшипники скольжения работают в граничном режиме (контакт металл-металл) только при пуске и останове оборудования, когда частота вращения вала (цапфы) недостаточна для создания масляной пленки. Почти все повреждения подшипника происходят во время запуска и остановки. ²

Гидростатическая подъемная сила, создаваемая внешней подачей масла под давлением, может использоваться для подъема больших и тяжелых шеек перед пуском (вращением вала) для предотвращения такого рода повреждений. При нормальной работе вал вращается с достаточной скоростью, чтобы нагнетать масло между соответствующими изогнутыми поверхностями вала и кожуха, создавая таким образом масляный клин и гидродинамическую масляную пленку.

Эта полная гидродинамическая пленка жидкости позволяет этим подшипникам выдерживать очень большие нагрузки и работать при высоких скоростях вращения. Обычны поверхностные скорости от 175 до 250 метров в секунду (от 30 000 до 50 000 футов в минуту). Температура часто ограничивается используемой смазкой, так как свинцово-оловянный баббит может выдерживать температуры до 150°C (300°F).

Важно понимать, что при нормальной работе вращающийся вал не центрируется во вкладыше подшипника. Это расстояние смещения называется эксцентриситетом подшипника и создает уникальное место для минимальной толщины масляной пленки, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Движение вала во время запуска

Обычно минимальная толщина масляной пленки также является динамическим рабочим зазором подшипника. Информация о толщине масляной пленки или динамических зазорах также полезна при определении требований к фильтрации и чистоте поверхности металла.

Обычно минимальная толщина масляной пленки в зоне нагрузки при эксплуатации колеблется от 1,0 до 300 микрон, но в среднем промышленном оборудовании чаще встречаются значения от 5 до 75 микрон. Толщина пленки будет больше в оборудовании с валом большего диаметра.

Лица, которым требуется более точное значение, должны искать информацию о числе Зоммерфельда и числе Рейнольдса. Более подробное обсуждение этих расчетов выходит за рамки данной статьи. Обратите внимание, что эти значения значительно больше, чем значения в один микрон, встречающиеся в подшипниках качения.

Давление, возникающее в зоне контакта подшипников скольжения, значительно меньше, чем в подшипниках качения. Это связано с большей площадью контакта, создаваемой совпадающими (одинаковой кривизны) поверхностями шейки и корпуса.

Среднее давление в зоне нагрузки подшипника скольжения определяется силой на единицу площади или, в данном случае, весом или нагрузкой, поддерживаемой подшипником, деленной на приблизительную площадь нагрузки подшипника (диаметр подшипника, умноженный на длину опоры). несущий). В большинстве промышленных применений эти значения находятся в диапазоне от 69от 0 до 2070 кПа (от 100 до 300 фунтов на кв. дюйм).

При таких низких давлениях практически не происходит увеличения вязкости масла в зоне контакта подшипника из-за давления. Подшипники автомобильных поршневых двигателей и некоторые сильно нагруженные промышленные устройства могут иметь среднее давление от 20,7 до 35 МПа (от 3000 до 5000 фунтов на квадратный дюйм). При этих уровнях давления вязкость может незначительно увеличиваться. Максимальное давление, с которым сталкивается подшипник, обычно примерно в два раза превышает среднее значение и составляет не более 70 МПа (10 000 фунтов на кв. дюйм).

Масляный вихрь — это явление, которое может возникнуть в высокоскоростных подшипниках скольжения, когда положение вала внутри вкладыша становится нестабильным, и вал продолжает изменять свое положение во время нормальной работы из-за гидродинамических сил, создаваемых в подшипнике. Завихрение масла можно уменьшить, увеличив нагрузку или изменив вязкость, температуру или давление масла в подшипнике.

Постоянное решение может включать новый подшипник с другими зазорами или конструкцией. Масляный бич возникает, когда частота масляного вихря совпадает с собственной частотой системы. Результатом может быть катастрофический провал. ³

Масляная смазка

Масла используются в подшипниках скольжения, когда требуется охлаждение или необходимо смыть загрязняющие вещества или мусор с подшипника. Высокоскоростные подшипники скольжения всегда смазываются маслом, а не консистентной смазкой. Масло подается к подшипнику либо системой масляного насоса под давлением, маслосъемным кольцом или манжетой, либо фитилем. Канавки в корпусе подшипника используются для распределения масла по поверхности подшипников.

Требуемый класс вязкости зависит от частоты вращения подшипника, температуры масла и нагрузки. Скорость подшипника часто измеряется строго числом оборотов вала в минуту, без учета поверхностной скорости вала, согласно «nd 9Значения 0158 м дюймов рассчитаны для подшипников качения. В Таблице 1 приведены общие рекомендации по выбору правильного класса вязкости по ISO.

Указанный номер класса ISO является предпочтительным для скорости и температурного диапазона. Масла класса ISO 68 и 100 обычно используются внутри помещений с подогревом, а масла класса 32 используются для высокоскоростных (10 000 об/мин) агрегатов и некоторых наружных низкотемпературных устройств.

Обратите внимание на таблицу: чем выше частота вращения подшипника, тем ниже требуемая вязкость масла; и что чем выше рабочая температура агрегата, тем выше требуемая вязкость масла. Если возможна вибрация или незначительные ударные нагрузки, следует использовать масло более высокого качества, чем указанное в таблице 1.

Скорость подшипника	Температура подшипника/масла (°C)
(об/мин)	от 0 до 50	60	75	90
от 300 до 1500	-	68	от 100 до 150	-
~1800	32	от 32 до 46	от 68 до 100	100
~3600	32	32	от 46 до 68	от 68 до 100
~10 000	32	32	32	от 32 до 46

Таблица 1. Выбор класса вязкости подшипников скольжения по ISO

Другой метод определения надлежащего класса вязкости заключается в применении критериев минимальной и оптимальной вязкости к графику зависимости вязкости от температуры. Общепринятая минимальная вязкость масла при рабочей температуре для подшипников скольжения составляет 13 сСт, хотя в некоторых конструкциях допускается использование масла с вязкостью 7 или 8 сСт при рабочей температуре.

Оптимальная вязкость при рабочей температуре составляет от 22 до 35 сСт для подшипников с умеренными скоростями, если не возникают ударные нагрузки. Оптимальная вязкость может достигать 95 сСт для низкоскоростных, тяжелонагруженных или ударно-нагруженных подшипников скольжения.

Использование этого метода требует определенных знаний о температуре масла в подшипнике в рабочих условиях, которую может быть трудно определить. К счастью, для большинства определений вязкости точная температура масла не требуется. Обычно определяют температуру внешней поверхности труб, по которым масло поступает к подшипнику и от него.

Температура масла внутри труб, как правило, выше (от 5 до 10°C, от 10 до 18°F), чем температура наружной металлической поверхности трубы. Температуру масла внутри подшипника можно принять как среднее значение температуры масла, поступающего в подшипник, по сравнению с температурой, выходящей из подшипника. ⁴

Третий и более сложный метод заключается в расчете вязкости масла, необходимой для получения удовлетворительной толщины масляной пленки. Лица, желающие узнать больше об этом методе, должны искать информацию об уравнении Зоммерфельда и либо об коэффициентах эксцентриситета, либо о числах Рейнольдса. ⁴

Если выбранное масло имеет слишком низкую вязкость, из-за недостаточной толщины пленки будет выделяться тепло, и произойдет некоторый контакт металла с металлом. Если масло имеет слишком высокую вязкость, снова будет выделяться тепло, но из-за внутреннего жидкостного трения, создаваемого в масле. Выбор масла со слишком высокой вязкостью также может увеличить вероятность кавитации.

Зоны высокого и низкого давления, образующиеся в масле по обе стороны от области минимальной толщины пленки, могут вызывать кавитацию масла в этих подшипниках. Кавитация возникает в результате расширения растворенного воздуха или паров (воды или топлива) в зоне низкого давления подшипника.

Образующийся пузырек взрывается, вызывая повреждение, когда проходит через часть подшипника, находящуюся под высоким давлением. Если взрыв или схлопывание пузырька пара происходит рядом с металлической поверхностью, это может привести к кавитационному точечному повреждению металла. Если в масле произойдет схлопывание пузырька, может возникнуть микрогорячая точка или микродизельное топливо, что может привести к лакированию внутри системы.

Как правило, в маслах, используемых в этих областях применения, используется система присадок, препятствующая образованию ржавчины и окислению (R&O). Также могут присутствовать антипенные присадки и присадки, снижающие температуру застывания. Также можно использовать гидравлические масла с противоизносными свойствами (AW), если не превышен предел высоких температур цинкового компонента AW и отсутствует чрезмерное количество воды.

Масла R&O, как правило, обладают лучшими характеристиками водоотделения, что является преимуществом, а свойства AW гидравлического масла будут полезными только при запуске и останове, при условии, что подшипник работает должным образом.

Консистентная смазка

Консистентная смазка используется для смазывания подшипников скольжения, когда охлаждение подшипника не является фактором, как правило, если подшипник работает на относительно низких скоростях. Смазка также полезна, если возникает ударная нагрузка или если подшипник часто запускается и останавливается или меняет направление.

Консистентная смазка почти всегда используется для смазывания штифтов и втулок, поскольку она обеспечивает более густую смазку, чем масло, для поддержания статических нагрузок и защиты от вибрации и ударных нагрузок, характерных для многих из этих применений.

Загустители на основе литиевого мыла или литиевого комплекса являются наиболее распространенными загустителями, используемыми в смазках, и отлично подходят для большинства подшипников скольжения. Обычно используется консистентная смазка NLGI №2 с вязкостью базового масла приблизительно от 150 до 220 сСт при 40°C.

Смазки для низкоскоростных, высоконагруженных и высокотемпературных смазок, а также для пальцев и втулок могут использовать базовое масло с более высокой вязкостью и содержать противозадирные и твердые присадки. Смазки для повышения водостойкости могут быть составлены с использованием более тяжелых базовых масел, различных загустителей и специальных присадок.

Смазки для лучшего распределения при низких температурах могут включать базовое масло с более низкой вязкостью, изготовленное в соответствии со спецификацией NLGI #1. Подшипники, смазываемые централизованными системами подачи смазки, обычно используют консистентную смазку класса #1, 0 или 00.

Кажущаяся вязкость смазки изменяется при сдвиге (давление, нагрузка и скорость), то есть смазки являются неньютоновскими или тиксотропными. Во вращающемся подшипнике скольжения по мере того, как подшипник вращается быстрее (скорость сдвига увеличивается), кажущаяся вязкость смазки уменьшается и приближается к вязкости базового масла, используемого в смазке.

На обоих концах вкладыша подшипника давление ниже, поэтому кажущаяся вязкость остается выше. Образовавшаяся более густая смазка на концах подшипников действует как встроенное уплотнение, снижающее проникновение загрязняющих веществ.

Процедуры смазки

Процедуры смазывания подшипников скольжения, пальцев и втулок не так четко определены и не столь критичны, как для подшипников качения, поскольку смазка не подвергается взбалтыванию, создаваемому телами качения.

Объем впрыскиваемой смазки и частота нанесения определяются методом проб и ошибок. Как правило, большинство подшипников скольжения нельзя смазывать чрезмерно. Необходимо соблюдать осторожность при закачивании смазки в подшипник, оснащенный уплотнениями, чтобы они не были повреждены или смещены силой и объемом поступающей смазки.

Суровые условия окружающей среды, ударная нагрузка и особенно рабочая температура будут основными факторами, определяющими частоту повторного смазывания.

Подшипники скольжения, как правило, имеют более простую конструкцию и их не так сложно смазывать, как подшипники качения. Надлежащая вязкость, соответствующая условиям эксплуатации, и чистая и сухая смазка, как правило, достаточны для образования полной жидкой смазочной пленки и обеспечения отличного срока службы подшипника.

Ссылки

Стрекер, Уильям. «Устранение неполадок в упорных подшипниках самоустанавливающихся колодок». Журнал Machinery Lubrication , март-апрель 2004 г.
Стрекер, Уильям. «Анализ отказов подшипников скольжения». Журнал Machinery Lubrication , июль-август 2004 г.
Learn more