Cum funcționează rulmenții: explicație tehnică pas cu pas

A rulment de jurnal susține un arbore rotativ (journalul) în interiorul unui manșon staționar (rulmentul) prin generarea unui film de fluid sub presiune care separă complet cele două suprafețe. Această capacitate de transport de sarcină rezultă din efect hidrodinamic : mișcarea relativă dintre arbore și rulment atrage lubrifiantul într-un joc convergent în formă de pană, creând o distribuție a presiunii care susține sarcina aplicată.

Pentru ca un rulment să funcționeze corect, trebuie îndeplinite trei condiții : (1) viteza de suprafață relativă suficientă, (2) un lubrifiant vâscos și (3) o geometrie de joc convergentă. Când acestea sunt prezente, rulmentul funcționează în regim de lubrifiere cu peliculă plină , unde frecarea și uzura sunt minimizate.

Regimuri de lubrifiere în rulmenții cu rulmenți

Performanța și durata de viață a unui lagăr pivot sunt determinate de regimul său de lubrifiere. Aceste regimuri sunt definite de gradul de separare a suprafeței și sunt influențate de sarcină, viteză și vâscozitatea lubrifiantului.

Lubrifiere limită

Apare în timpul pornirii, opririi sau la viteze foarte mici. Filmul de lubrifiant este insuficient pentru a separa suprafețele, ceea ce duce la contact direct cu asperitate între suport și rulment. Acest regim are ca rezultat frecare și uzură ridicate, iar durata sa ar trebui redusă la minimum în proiectare.

Lubrifiere cu peliculă mixtă

O stare intermediară în care presiunea hidrodinamică este parțial generată, dar unele asperități de suprafață încă interacționează . Acest lucru se întâmplă de obicei în timpul vitezelor de tranziție sau sub încărcare de șoc. Frecarea și uzura sunt mai mici decât în ​​cazul lubrifierii limită, dar sunt încă semnificative.

Lubrifiere cu film complet (hidrodinamic).

Starea ideală de funcționare. Jurnalul rulează pe o peliculă lubrifiantă completă, continuă, care îl separă în întregime de suprafața rulmentului. Presiunea fluidului este generată de rotația arborelui, echilibrând sarcina externă. În acest regim, frecarea este determinată de forfecarea fluidului , iar uzura este practic eliminată.

Fizica pas cu pas: Cum se formează pana hidrodinamică

Trecerea de la un arbore de repaus la un arbore rotativ complet susținut este un proces dinamic care poate fi împărțit în etape distincte.

Pasul 1: Arborele în repaus

Când arborele este staționar, acesta se sprijină în partea de jos a jocului lagărului datorită greutății sale. Jocul este excentric, cu centrele arborelui și al rulmenților nealiniate. În acest moment, există contact direct metal-metal în partea de jos a rulmentului.

Pasul 2: Rotația și antrenarea lubrifiantului

Pe măsură ce arborele începe să se rotească, acesta trage lubrifiantul vâscos în spațiul convergent în formă de pană dintre arbore și rulment. Lubrifiantul este atras în golul de îngustare datorită acestuia aderenta la suprafata in miscare .

Pasul 3: Generarea presiunii și ridicarea arborelui

Pe măsură ce lubrifiantul este forțat prin golul convergent, presiunea acestuia crește semnificativ. Această presiune autogenerată creează o forță hidrodinamică care împinge arborele departe de suprafața rulmentului. Axul urcă pe peretele portant în sensul de rotație pana isi gaseste pozitia de echilibru. În acest moment, sarcina este susținută în totalitate de filmul fluid, iar rulmentul funcționează în regim de film complet.

Regimul de lubrifiere vs. Condiții de funcționare

Parametri critici de proiectare pentru optimizarea performanței

Optimizarea performanței lagărului de rulment implică echilibrarea mai multor parametri cheie geometrici și operaționali. Aceste variabile determină capacitatea de încărcare a rulmentului, pierderea de putere și stabilitatea.

Jocul radial

Diferența dintre raza interioară a rulmentului și raza arborelui. Clearance-ul optim este critic : prea mic, iar pelicula de ulei nu se poate forma corect, ceea ce duce la supraîncălzire și gripare; prea mare, iar pelicula de ulei devine instabilă, provocând vibrații excesive și capacitate de încărcare redusă. Clearance-ul este un factor principal care influențează grosimea minimă a peliculei de ulei .

Raportul lungime-diametru (L/D).

Acest raport definește geometria rulmentului. Un raport L/D mai mare (un rulment mai lung) oferă o capacitate de încărcare mai mare, dar crește și pierderea de putere datorită forfecării vâscoase mai mari. Alegerea designului depinde de cerințe specifice de sarcină și viteză a aplicației.

Vâscozitatea lubrifiantului

Vâscozitatea, care este foarte dependentă de temperatură, afectează direct grosimea filmului și frecarea. Un lubrifiant cu vâscozitate mai mare creează o peliculă mai groasă, dar generează și mai multă căldură de frecare. Selecţia trebuie să asigure că grosimea adecvată a peliculei este menținută la temperatura de funcționare a rulmentului .

Rugozitatea suprafeței

Finisajul suprafeței atât a rulmentului, cât și a rulmentului influențează debutul lubrifierii mixte. Suprafețele mai netede permit un raport mai mare de grosime a filmului. Cercetările indică faptul că optimizarea texturii suprafeței poate îmbunătăți semnificativ performanța tribologică.

Considerații de performanță și stabilitate

Dincolo de suportul de bază al sarcinii, un rulment bine proiectat trebuie să mențină o performanță dinamică stabilă și previzibilă. Două fenomene comune de instabilitate sunt deosebit de critice în aplicațiile de mare viteză.

Vârtejul de ulei și instabilitatea biciului de ulei

La viteze mari, forțele hidrodinamice pot deveni instabile, determinând arborele să orbiteze în interiorul jocului lagărului. Vârtej de ulei este o vibrație subsincronă care apare la o frecvență puțin sub jumătate din viteza de rotație (de obicei 0,40x până la 0,48x ). Dacă frecvența vârtejului coincide cu o frecvență naturală a sistemului rotor, aceasta poate deveni violentă și distructivă. bici de ulei , ceea ce poate duce la eșec catastrofal.

Coeficienți dinamici și amortizare

Lagărele de rulment asigură o amortizare semnificativă, care este crucială pentru controlul vibrațiilor rotorului. Rigiditatea și coeficienții de amortizare ai filmului de lubrifiant sunt neliniari și depind de condițiile de funcționare și de geometria rulmentului. Acești coeficienți sunt esențiali pentru modelarea și prezicerea comportamentului rotor-dinamic .

Tipuri comune de rulmenți jurnal și aplicațiile lor

Geometria specifică a unui rulment este adaptată pentru a răspunde cerințelor aplicației sale. Tipurile de cheie includ următoarele.

Rulmenți simpli (cilindrici).

Cel mai simplu și cel mai obișnuit design, având un alezaj cilindric simplu. Sunt extrem de rentabile și potrivite pentru o gamă largă de aplicații de uz general, cum ar fi pompe, motoare și cutii de viteze la sarcini constante și viteze moderate.

Rulmenti multilobi (eliptici si lamaie)

Proiectat cu găuri necirculare (de exemplu, eliptice) pentru a crea pene hidrodinamice preîncărcate. Acest design îmbunătățește stabilitatea la viteze mari prin reducerea rigidității cuplajului încrucișat care provoacă vârtejul uleiului. Se găsesc în mod obișnuit în compresoare și suflante de mare viteză.

Rulmenți cu plăcuțe de înclinare (TPJB)

Constă din plăcuțe individuale care pivotează pentru a forma automat pană hidrodinamică optimă. Această configurație oferă stabilitate și amortizare excepționale pe o gamă largă de viteze și este alegerea preferată pentru turbomașini de înaltă performanță, în ciuda costului și complexității sale mai mari.

Rulmenti hibridi

Combinați principiile cu acțiune automată (hidrodinamică) cu presurizarea externă (hidrostatică). O pompă externă furnizează ulei de înaltă presiune pentru a ridica arborele la viteze zero sau mici, prevenind uzura la pornire. La viteza de funcționare, trec la funcționarea hidrodinamică, oferind beneficiile ambelor tipuri .

Recomandări cheie pentru practica ingineriei

Pe baza principiilor lubrifierii hidrodinamice, următoarele concluzii sunt esențiale pentru proiectarea și funcționarea cu succes a rulmenților.

• Separarea întregului film este obiectivul. Un rulment proiectat corespunzător funcționează cu o peliculă fluidă completă, eliminând uzura și minimizând frecarea. Indicatorul principal de performanță este grosimea minimă a peliculei de ulei , care trebuie să depășească un prag de siguranță pentru rugozitatea suprafeței.
• Echilibrul este esențial. Designul este un compromis. Creșterea capacității de încărcare necesită un raport L/D mai mare sau un ulei mai vâscos, care, la rândul său, crește pierderea de putere și temperatura de funcționare. Optimizarea caută cel mai bun compromis pentru ciclul de lucru specific.
• Stabilitatea guvernează operarea la viteză mare. Pentru rotoarele de mare viteză, abordarea potențialei instabilitate (vârtej/bici de ulei) este la fel de importantă ca și capacitatea de încărcare. Acesta este motivul pentru care rulmenții multilobi sau cu plăcuțe basculante sunt adesea selectați pentru mașinile critice de mare viteză.

Întrebări frecvente

1. Care este funcția principală a unui rulment?

Funcția sa principală este de a oferi suport lateral (radial) unui arbore rotativ cu frecare minimă. Face acest lucru prin generarea unui film de fluid de înaltă presiune care separă arborele în mișcare de suprafața staționară a rulmentului.

2. De ce este atât de important jocul radial într-un lagăr cu pivot?

Jocul radial este crucial deoarece dictează volumul disponibil pentru pelicula de lubrifiant și forma panei hidrodinamice. Degajare incorectă poate duce fie la o grosime insuficientă a peliculei (care duce la contact și uzură), fie la o peliculă instabilă, foarte dinamică (care duce la vibrații).

3. Care este diferența dintre vârtejul de ulei și biciul de ulei?

Vârtejul de ulei este o vibrație subsincronă stabilă a arborelui (la ~0,4-0,48x viteza de rotație) cauzată de forțele hidrodinamice din rulment. Bici de ulei este condiția mai gravă care apare atunci când frecvența vârtejului se blochează pe o frecvență de rezonanță naturală a sistemului rotor, ceea ce duce la amplitudini de vibrație mari și potențial distructive.

4. Care sunt principalele avantaje ale unui rulment pivotant față de un rulment simplu?

Ofertă rulmenți basculante stabilitate rotordinamică superioară deoarece plăcuțele lor individuale pivotează pentru a crea cel mai bun profil de pană, prevenind eficient vârtejul uleiului. De asemenea, ele gestionează mai bine dezalinierea și funcționează eficient pe o gamă mai largă de viteze, deși sunt mai scumpe de fabricat.