Nachricht

Jul 11, 2023

Die Geschichte und Dynamik von Fluidfilmlagern, Teil I

Per Definition halten Lager die Welt am Laufen. Ohne Lager wird die Bewegung exponentiell schwieriger. Die gebräuchlichsten Lager sind Wälzlager mit Kugeln oder Zylindern

Per Definition halten Lager die Welt am Laufen. Ohne Lager wird die Bewegung exponentiell schwieriger. Die gebräuchlichsten Lager sind Wälzlager, die Kugeln oder Zylinder verwenden, um eine Rotation innerhalb eines Systems zu ermöglichen.

In der Motoren- und Pumpenindustrie sind die meisten Flüssigkeitsfilmlager hydrodynamisch konstruiert und nutzen Bewegung, um den erforderlichen Druck zu erzeugen, um Oberflächen auseinanderzudrücken. Sie werden üblicherweise mit einer Newtonschen Flüssigkeit wie Öl geschmiert, deren Durchflussrate direkt proportional zum ausgeübten Druck ist. Die Viskosität des Öls ermöglicht die Bildung eines hydrodynamischen Films und Drucks. Stellen Sie sich den Ölfilm vor, der aus vielen inneren Schichten besteht. Jede Ebene wird von der darüber liegenden Ebene mit einem Vielfachen der Geschwindigkeit des sich bewegenden Elements gezeichnet. Diese Schichten im Öl verursachen Reibung. Die Kraft, die erforderlich ist, um das bewegliche Element in Bewegung zu setzen, ist direkt proportional zur Reibung zwischen der Ölschicht. Die Viskosität wird anhand der Kraft zur Überwindung dieser inneren Reibung gemessen und bestimmt.

Wenn sich bei der Geräteinspektion herausstellt, dass Schmierfehler ein häufiges Problem sind, empfiehlt es sich, die Viskosität des verwendeten Öls zu bewerten. Temperatur, Anwendung und Belastung können alle einen Einfluss auf die Schmiereffizienz haben. Wenden Sie sich mit allen Anwendungsdetails an den OEM, um Hinweise zum richtigen Öl zu erhalten. Oft sind Geräte für allgemeine Zwecke konzipiert, können aber an spezifische Anwendungen angepasst werden. Wenn die Installation eines neuen Systems in Betracht gezogen wird, stellen Sie sicher, dass dem Hersteller alle Einzelheiten zu den Betriebsbedingungen mitgeteilt werden. Die richtige Schmierung kann den Unterschied zwischen einer 10-monatigen und einer 10-jährigen Laufzeit einer Einheit ausmachen.

Mit diesem Verständnis von Viskosität und Öl kann untersucht werden, wie sie manipuliert werden, um einen Ölfilm zum Anheben und Trennen für die Rotation der Ausrüstung zu erzeugen. Mithilfe eines konvergierenden und divergierenden Keils wird der Solldruck erzeugt und durch das Zusammendrücken und Ablassen des Öls abgebaut. Bei einem Radiallager ist die Bohrung typischerweise 0,001 bis 0,002 Zoll größer als die Welle ausgelegt. Dies entspricht einem Spiel von 0,005 bis 0,010 Zoll für eine 5-Zoll-Welle.

Der tatsächliche Abstand variiert je nach Hersteller und Anwendung. Dieser Abstand ermöglicht die Bildung der konvergierenden und divergierenden Keile. Während das Öl durch die Rotationskräfte der Welle in die Keilformation gezogen wird, wird es in den kleineren Raum komprimiert. Dadurch steigt der Druck. Es erzeugt und ermöglicht auch einen Hub des rotierenden Bauteils. Wenn das Öl den komprimierten Raum verlässt, wird es entlang eines divergierenden Keils in einen nicht komprimierten Raum gezogen.

Im Ruhezustand einer Maschine kann es zu Metall-zu-Metall-Kontakten kommen. Vor der Inbetriebnahme sollte Öl aufgetragen werden, damit die Welle nach oben gleiten und in Position gleiten kann. Aufgrund der anfänglichen Reibung beim Anlaufen rutscht die Welle leicht an der Seite des Lagers nach oben, während die anfängliche Ölmenge in den konvergierenden Keil des Lagers gesaugt wird. Wenn das Öl komprimiert wird, beginnt der Druck zu steigen, was zur Trennung des Metall-zu-Metall-Kontakts führt. Die Welle verschiebt sich dann in die Betriebsposition, während sich entlang des Zapfens und des Lagers ein Flüssigkeitsfilm bildet. Dieser Punkt liegt je nach Drehung links oder rechts von der Last.

Unter konstanten Bedingungen entspricht die vom Ölfilm entwickelte Kraft der in einer leicht exzentrischen Position ausgeübten Last. Am kleineren Ende des Keils befindet sich die minimale Filmdicke. Lagersysteme innerhalb eines Motors oder einer Pumpe sind unter Berücksichtigung dieser Exzentrizität konzipiert. Endleckagen spielen bei der Ölversorgung eine Rolle. Es muss genügend Öl abgeschieden werden, um die Bildung des Ölfilms zu ermöglichen, da entlang des konvergierenden Keils eine Endleckage auftritt. Dies ist auch der Punkt, an dem der divergierende Keil beginnt.

Der divergierende Keil beginnt, wenn die Zone mit maximalem Druck und minimaler Filmdicke passiert wird. Dadurch kann der Druck in die Niederdruck-Freiraumzone im System abgelassen werden. Diese Unterdruckzone entsteht entgegen der Lagerbelastung. Am Ausgang der Lastzone beginnt der divergierende Keil, Öl mit Unterdruck anzusaugen. Lagerabmessungen, Geschwindigkeit, Last, Viskosität und Versorgungsdruck bestimmen das Ausmaß des Unterdrucks, der vor der Regeneration des Überdrucks bestehen kann. Der Druckabfall im divergierenden Keil erfolgt schneller, da das rotierende Element das Öl heraussaugt, während die konvergierende Hochdruckseite es herausdrückt. Auch die Endleckage ist ein Faktor, der die Geschwindigkeit des Druckabfalls bestimmt. Dadurch kann das Öl zirkulieren, um die Wärme abzuleiten und wieder in den konvergierenden Keil einzutreten, um den Prozess erneut zu beginnen.

Die Mitte des Zapfens eines hydrodynamischen Flüssigkeitsfilmlagers bewegt sich normalerweise in einer stabilen, leicht exzentrischen Position innerhalb des Lagers. Diese Position und der stabile Zustand sind abhängig von Last, Geschwindigkeit, Spiel und Ölviskosität (Bild 2). Die meisten Anwendungen mit höheren Drehzahlen und geringer Last nähern sich während des exzentrischen Betriebs der Lagermitte an. Bei einfachen zylindrischen Lagern besteht die Möglichkeit, dass der Zapfen den stabilen Betriebspunkt umkreist. Diese Bewegung wird als Ölpeitsche oder Ölwirbel bezeichnet. Dieses Phänomen hängt nicht mit der kritischen Geschwindigkeit der Maschine zusammen, wie es bei einigen Vibrationsproblemen der Fall ist. Es kann durch verschiedene Methoden korrigiert werden, wie zum Beispiel durch das Hinzufügen von Lappen, einer elliptischen Bohrung, linearen Rillen oder Kipppads, um nur einige zu nennen. Diese zusätzlichen Funktionen ermöglichen eine alternative Flüssigkeitsführung, die die Bewegung des Zapfens stabilisiert, indem sie den Ölaustrittsbereich beruhigt. Bei Verdacht auf Ölwirbel sollten diese Änderungen in Betracht gezogen werden. Vor jeder Änderung des bestehenden Lagersystems sollten alle Anwendungsdaten berücksichtigt werden. Es wird empfohlen, Konstruktionsänderungen mit Ingenieuren oder dem OEM der Maschine überprüfen zu lassen.

Ein Lager ist eine Komponente in einem System, die eine relativ einfache Aufgabe erfüllt. Allerdings sind die Designüberlegungen und die Funktionalität komplexer. Wenn die falsche Konstruktion, das falsche Spiel oder das falsche Öl angegeben wird, droht ein Ausfall. Das Sicherstellen, dass die Lager die richtigen Abmessungen haben, ist der wichtigste Teil der Konstruktion. Bei unzureichenden Abständen läuft der Zapfen nicht in der richtigen Position im Lager und es kann zu Vibrationen kommen. Außerdem kann das System dadurch nicht den richtigen Druck für eine ordnungsgemäße Schmierung und einen ordnungsgemäßen Hub aufbauen. Dies führt dazu, dass der Zapfen exzentrischer läuft als vorgesehen oder gegen die Lagerwand stößt und das Auskleidungsmaterial beschädigt. Das richtige Design ist entscheidend für die ordnungsgemäße Funktion.

Ryan Ossmann ist General Manager bei Wheeler Bearing Company, powered by Jenkins. Er kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter www.wheelerbearing.com.