อะไรคือ-หลักการรับน้ำหนักของตลับลูกปืนกันรุนแบบเทเปอร์-?

Aตลับลูกปืนกันรุนแบบเทเปอร์-เป็นตลับลูกปืนกันรุนแบบอุทกพลศาสตร์ที่มีรูปทรงคงที่ ไม่มีเดือย ไม่มีแผ่นปรับอัตโนมัติ และไม่มีการปรับเอียงอัตโนมัติ ตลับลูกปืนรับภาระตามแนวแกนโดยใช้พื้นที่ทางเข้าแบบลิ่มซึ่งกลึงเข้ากับพื้นผิวตลับลูกปืนโดยตรง

ความสามารถในการรับแรงดันของตลับลูกปืนมาจากรูปทรงลิ่มนี้ เมื่อพื้นผิวหมุนเคลื่อนน้ำมันหล่อลื่นเข้าไปในช่องว่างแคบ แรงดันจะก่อตัวขึ้นภายในฟิล์มน้ำมัน แรงดันนี้รองรับแรงตามแนวแกนและแยกพื้นผิวระหว่างการทำงาน

เนื่องจากตลับลูกปืนขึ้นอยู่กับรูปทรงของเครื่องจักรทั้งหมด ขนาดของกรวยจึงต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวัง การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในมุมเทเปอร์ ความหนาของฟิล์ม หรือรูปร่างพื้นผิวอาจส่งผลต่อการสร้างแรงกดและประสิทธิภาพของตลับลูกปืน

เพื่อให้เข้าใจวิธีการทำงานของตลับลูกปืนกันรุนทรงกรวย จำเป็นต้องตรวจสอบอุทกพลศาสตร์ของความดันที่เกิดขึ้นภายในฟิล์มหล่อลื่น แทนที่จะมองว่าตลับลูกปืนเป็นส่วนประกอบที่มีพิกัดโหลดที่ระบุ AA

กลไกหลัก: แรงดันอุทกพลศาสตร์จากลิ่มที่มาบรรจบกัน

ตลับลูกปืนฟิล์มของไหลอุทกไดนามิกทุกตัว รวมถึงตลับลูกปืนเจอร์นอล ตลับลูกปืนกันรุนแบบเอียง และตลับลูกปืนกันรุนแบบกราวด์แบบเรียว มีความสามารถในการรับน้ำหนักเท่ากันกับผลกระทบทางกายภาพที่อธิบายไว้โดย Osborne Reynolds ในปี 1886 เมื่อของเหลวที่มีความหนืดถูกลากผ่านช่องว่างแคบ ๆ โดยการเคลื่อนที่ของพื้นผิวทั้งสอง ความดันภายในเมมเบรนของไหลจะเพิ่มขึ้น แรงกดนี้เมื่อกระจายไปยังบริเวณแบริ่ง จะรองรับโหลดโดยไม่ต้องสัมผัสโลหะ-กับ-โลหะ

ในตลับลูกปืนกันรุนภาคพื้นดินแบบเทเปอร์- ช่องว่างที่แคบลงนี้เกิดจากการยึดรูปทรงเรขาคณิต แทนที่จะเคลื่อนที่หรือปรับเปลี่ยน ปะเก็นแต่ละอันบนวงแหวนแบริ่งมีสองส่วนหลักในทิศทางการหมุน

โซนเทเปอร์ (ทางเข้า): พื้นผิวทำมุมเล็กน้อยกับทางวิ่ง สิ่งนี้จะสร้างช่องว่างที่แคบลงเมื่อน้ำมันถูกดึงเข้าด้านในโดยการหมุน แรงดันอุทกพลศาสตร์ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในภูมิภาคนี้

พื้นเรียบ (ทางออก): พื้นผิวขนานกับทางวิ่ง บริเวณนี้จะรักษาแรงดันหลังจากที่ผลิตออกมา และน้ำมันจะออกจากแผ่นที่ขอบท้ายเข้าไปในร่องท่อระบายน้ำ

อัตราส่วนของความยาวที่ดินราบต่อความยาวแผ่นทั้งหมดโดยทั่วไปคือ 0.60-0.70 หากพื้นเรียบสั้นเกินไป แสดงว่าไม่มีพื้นที่เพียงพอที่จะรับแรงกดที่เกิดขึ้นได้ หากคุณใช้เวลานานเกินไป โซนเรียวเล็กเกินไป และความดันจะไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ

สมการเรย์โนลด์สใช้กับเรขาคณิตเทเปอร์

รูปแบบหนึ่ง-มิติของสมการเรย์โนลด์สสำหรับฟิล์มความหนืดคงที่-ซึ่งบีบอัดไม่ได้ภายใต้สภาวะคงที่คือ:

d/dx (h³ dp/dx)=6 μ U dh/dx

ในสมการนี้ h คือความหนาของฟิล์มเฉพาะจุด p คือความดัน mu คือความหนืดไดนามิก U คือความเร็วพื้นผิวสัมพัทธ์ x คือพิกัดทิศทางการเคลื่อนที่

สำหรับช่องเข้าทรงกรวยเชิงเส้น h (x) จะลดลงในอัตราคงที่จากความหนาของเมมเบรนทางเข้า h1 จนถึงเมมเบรนขั้นต่ำ h2 ที่ทางแยกกรวย- การไล่ระดับความดัน dp/dx ขึ้นอยู่กับทั้ง μU และ dh/dx สิ่งนี้มีผลกระทบโดยตรงดังต่อไปนี้:

• ความเร็วที่สูงขึ้นจะเพิ่มแรงกดของฟิล์มและเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักเมื่อความหนาของฟิล์มเท่ากัน

• ความหนืดที่สูงขึ้นจะให้ผลเช่นเดียวกับความเร็วที่สูงขึ้น

• การเทเปอร์ที่ชันขึ้นไม่ได้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเสมอไป หากมุมเทเปอร์ใหญ่เกินไป แรงดันจะก่อตัวใกล้กับทางเข้ามากเกินไป และการกระจายแรงดันโดยรวมจะไม่สม่ำเสมอ ซึ่งจะช่วยลดความสามารถในการรับน้ำหนักทั้งหมด

อัตราส่วนกรวยที่เหมาะสมที่สุดคือ h1/h2 ของความสามารถในการรับน้ำหนักสูงสุดคือประมาณ 2.2 ภายใต้การไหลแบบราบเรียบและสภาวะความหนืดคงที่- ซึ่งหมายความว่าความหนาของฟิล์มไอดีจะหนากว่าฟิล์มขั้นต่ำประมาณ 2.2 เท่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หากความหนาของฟิล์มขั้นต่ำคือ 15–25 μm ความสูงของขั้นทางเข้าจะอยู่ที่ประมาณ 33-55 ไมครอน นี่เป็นฟังก์ชันทางกลแบบตายตัว ไม่ใช่สิ่งที่เปลี่ยนแปลงระหว่างการทำงาน

เรขาคณิตกับการเอียงแบบปรับได้: ความเรียว-พื้นที่แตกต่างจากการเอียง-อย่างไร

ทางเลือกหลักในการออกแบบพื้นทรงกรวยคือตลับลูกปืนกันรุนแบบเอียง (Michell/Kingsbury) ในการออกแบบนี้ แต่ละแผ่นจะติดตั้งอยู่บนเดือย ปะเก็นสามารถเอียงและทำมุมได้ตามสภาพการทำงานและการเคลื่อนไหวของนักวิ่ง

การเคลื่อนไหวที่ปรับได้เอง-ช่วยให้ปะเก็นสามารถหามุมที่เหมาะสมที่สุดระหว่างการทำงานได้ ช่วยให้ตลับลูกปืนสร้างฟิล์มน้ำมันที่มีความเสถียรในช่วงความเร็วและน้ำหนักบรรทุกที่หลากหลาย

ความแตกต่างระหว่างการออกแบบทั้งสองสะท้อนถึงข้อดีและข้อจำกัดของตลับลูกปืนกราวด์ทรงกรวย:

เทเปอร์คงที่หมายถึงประสิทธิภาพสูงสุดของตลับลูกปืนกันรุนของเทเปอร์-ที่จุดทำงานการออกแบบ เนื่องจากความเร็วต่ำกว่าที่ออกแบบไว้มาก ฟิล์มอุทกไดนามิกจึงบางและแบริ่งจึงได้รับการหล่อลื่นใกล้กับขอบเขต-การเปลี่ยนการหล่อลื่นแบบผสม-ตามที่อธิบายไว้ด้านล่าง

ความสามารถในการรับน้ำหนัก ความเร็ว และจำนวน Sommerfeld

ความสามารถในการรับน้ำหนักของแผ่นดันดินแบบเรียว-จะปรับขนาดตามหมายเลขแบริ่ง(บางครั้งเรียกว่าหมายเลข Sommerfeld สำหรับตลับลูกปืนกันรุน) ซึ่งกำหนดเป็น:

S=μNP(Rc)2S=PμN​(ซีอาร์​)2

ที่ไหนNคือความเร็วรอบการหมุน (รอบ/วินาที)Pคือ แรงดันแบริ่งเฉลี่ย (โหลด เสี่ยว พื้นที่ฉาย)Rเป็นรัศมีลักษณะเฉพาะ และcคือการกวาดล้างอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับh₂. สำหรับรูปทรงที่กำหนด ความสามารถในการรับน้ำหนักจะเป็นสัดส่วนโดยประมาณμNU- หมายถึงความสามารถในการรองรับแบริ่งสเกลเชิงเส้นด้วยความเร็ว

ช่วงความสามารถในการรับน้ำหนักในทางปฏิบัติสำหรับแผ่นดันดินแบบเทเปอร์-ในงานบริการอุตสาหกรรม (Boyd and Rowe, 1982; Wilcock and Booser, 1957):

หากคุณเกินขีดจำกัดแต่ไม่เพิ่มความหนืดหรือความเร็วด้วยปริมาณที่เท่ากัน ฟิล์มจะยุบตัวและคุณจะได้รับการหล่อลื่นแบบขอบเขต หากคุณใช้ความเร็วต่ำกว่าความเร็วต่ำสุด ตลับลูกปืนจะใหญ่เกินไปสำหรับน้ำหนักบรรทุก สิ่งนี้ทำให้เกิดปัญหาที่แตกต่างออกไป: น้ำมันไม่เคลื่อนที่เข้าไปและกวาดบริเวณเทเปอร์เท่าๆ กันเพียงพอ ดังนั้นอุณหภูมิจึงไม่กระจายเท่าๆ กันตามความกว้างของแผ่นอิเล็กโทรด

เรขาคณิตของร่องและการจัดการความร้อน

แต่ละแผ่นเทเปอร์-จะถูกแยกออกจากแผ่นถัดไปด้วยร่องระบายน้ำเป็นเส้นรอบวง ร่องมีสองงาน: ดึงน้ำมันร้อนออกจากขอบด้านหลังของแผ่นหนึ่ง และจ่ายน้ำมันเย็นเข้าที่เทเปอร์ด้านหน้าของแผ่นถัดไป การแลกเปลี่ยนน้ำมันเป็นวิธีหลักในการควบคุมความร้อนในการออกแบบพื้นที่เรียว- เนื่องจากตลับลูกปืนเม็ดเรียว-ไม่มีการหล่อลื่นโดยตรงเหมือนกับตลับลูกปืนเม็ดมีดแบบเอียง- ดังนั้นตลับลูกปืนจึงต้องอาศัยความปั่นป่วนของร่องเพื่อผสมน้ำมันร้อนและเย็นก่อนที่จะเข้าสู่เทเปอร์ถัดไป

โดยทั่วไปความกว้างของร่องจะอยู่ที่ 15–25% ของระยะพิทช์ของแผ่นทั้งหมด ร่องที่แคบลงทำให้ช่องว่างระหว่างแผ่นรองมีขนาดเล็กลง ดังนั้นจึงใช้พื้นที่ได้ดีขึ้น แต่ยังส่งผลเสียต่อการผสมน้ำมันและทำให้การพาหะ-อุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น-คืออุณหภูมิของน้ำมันที่ไหลเข้าสู่เทเปอร์เมื่อเทียบกับอุณหภูมิที่จ่าย Ettles (1969) แสดงให้เห็นว่าเศษส่วนยก-อาจทำให้อุณหภูมิของฟิล์มเพิ่มขึ้น 40–70% ในการออกแบบพื้นที่เทเปอร์- เมื่อวิ่งด้วยความเร็วพื้นผิวของนักวิ่งสูงกว่า 50 เมตร/วินาที ดังนั้นสิ่งนี้จึงลดความหนืดที่มีประสิทธิภาพลงอย่างมาก จากนั้นจึงลดความสามารถในการรับน้ำหนักลง

ที่ความเร็วรอบนอกที่สูงกว่า 60 ม./วินาที การให้ความร้อนแบบหนืดจะกลายเป็นขีดจำกัดการออกแบบหลักแทนที่จะเป็นภาระ โดยปกติอุณหภูมิการจ่ายน้ำมันจะต้องอยู่ที่ 40–49 องศา สำหรับน้ำมันเทอร์ไบน์ ISO VG 32–46 ทั้งนี้เพื่อรักษาอุณหภูมิฟิล์มสูงสุดให้ต่ำกว่า 95–100 องศา อุณหภูมินั้นคือจุดที่ความเสียหายจากความร้อนต่อแพ็คเกจเติมแต่งของน้ำมันเร็วขึ้น

ต่ำ-ความเร็วและการเริ่มต้น-กลไกการหยุดความล้มเหลว

ข้อจำกัดที่ใหญ่ที่สุดของการออกแบบพื้นทรงกรวยคือวิธีการทำงานเมื่อสตาร์ท ปิด และวิ่งด้วยความเร็วต่ำ เนื่องจากความดันฟิล์มอุทกไดนามิกขึ้นอยู่กับความเร็ว ความดันแบริ่งเฉลี่ย 2.0 MPa จึงทำได้เพียง 20% หรือ 0.3–0.5 MPa ที่ความเร็วปกติ หากแรงขับที่ใช้นั้นมากกว่าความจุเมมเบรนที่ต่ำกว่านี้ ความหนาของฟิล์มขั้นต่ำจะน้อยกว่าผลรวมของความหยาบของพื้นผิว โดยทั่วไปคือ 0.5 ถึง 1.5 µm Ra สำหรับล้อที่มีลูกปืนกราวด์ และเกิดการสัมผัสความไม่แน่นอน

รอบการสตาร์ทและการหยุดซ้ำๆ ภายใต้ภาระงานทำให้เกิดการสึกหรอที่มั่นคงบนพื้นผิวเรียบ ซึ่งไม่สามารถซ่อมแซมได้ ต่างจากตลับลูกปืนแบบเอียงซึ่งการสึกหรอเล็กน้อยที่จุดหมุนยังสามารถทำให้แผ่นอยู่ล่าสุดได้ การสึกหรอบนพื้นผิวเรียบของพื้นทรงกรวยจะช่วยลดแรงกดโดยตรง จากนั้นจึงเร่งให้เกิดความเสียหายมากขึ้น การทดสอบการสึกหรอของลูกบอล ASTM D-4998 สี่-มักใช้เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของสารเติมแต่งป้องกันการสึกหรอ-ของน้ำมันภายใต้สภาวะการสตาร์ทและการหยุดการหล่อลื่นแบบผสม เนื่องจากสารเติมแต่งความดันสูงของน้ำมันจะรองรับน้ำหนักได้เพียงอย่างเดียวเมื่อยังไม่เกิดฟิล์มอุทกพลศาสตร์

สำหรับเครื่องจักรที่มักสตาร์ทภายใต้ภาระงาน-เช่น ปั๊มที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ซึ่งหมุนเวียนหลายครั้งต่อกะ- ควรพิจารณาตัวเลือกแผ่นปรับเอียง ข้อกำหนดเฉพาะของกราวด์ทรงกรวยควรมีระบบยกแบบไฮโดรสแตติกเพื่อดันน้ำมันจากภายนอกเข้าไปในฟิล์มด้วยความเร็วต่ำ

สรุปการใช้งานจริง

แนวคิดเกี่ยวกับตลับลูกปืนของตลับลูกปืนกันรุนแบบขั้นบันไดนั้นส่วนใหญ่รวมอยู่ในสามด้านต่อไปนี้:

1.รูปทรงลิ่มมาบรรจบกัน-ตัดเป็นทางเข้าเรียวที่ส่วนโค้ง h1/h2 2.2 ดังนั้นจึงสร้างแรงดันอุทกไดนามิกผ่านกลไกเรย์โนลด์ส

2. พื้นเรียบ - 60-70 เปอร์เซ็นต์ของความยาวของปะเก็น - ให้พื้นที่แรงดันสำหรับภาระตามแนวแกนของแบริ่ง

3. รางระบายน้ำ-ซึ่งจะให้น้ำมันเย็นลงสำหรับกรวยถัดไปและหยุดความหนืดของเมมเบรนสลายความร้อน

ไม่สามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์ทั้งสามตัวพร้อมกันได้ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์แต่ละรายการจะส่งผลต่อค่าประสิทธิภาพทั้งสามค่า ได้แก่ ความสามารถในการรับน้ำหนัก อุณหภูมิฟิล์ม และความหนาของฟิล์มขั้นต่ำ ดังนั้นวิศวกรควรเริ่มต้นด้วยแรงดันแบริ่งเฉลี่ยที่ความเร็วปกติเมื่อเลือกอุปกรณ์กราวด์รูปกรวยสำหรับเครื่องจักรเฉพาะ จากนั้นควรตรวจสอบว่าหมายเลข Sommerfeld ที่ตรงกันทำให้ตลับลูกปืนอยู่ในสถานะเมมเบรนเต็ม จากนั้นพวกเขาควรยืนยันว่าการสตาร์ทที่เริ่ม-ความถี่การหยุดและอุณหภูมิการจ่ายของระบบหล่อลื่นทำงานภายในขีดจำกัดทางเรขาคณิตคงที่ เนื่องจากตลับลูกปืนกราวด์รูปกรวยไม่เหมือนกับการออกแบบแป้นหมุนตรงที่ไม่สามารถซ่อมแซมสภาพการทำงานของการออกแบบของตัวเองได้

อ้างอิง

• เรย์โนลด์ส โอ. (1886) เรื่องทฤษฎีการหล่อลื่นและการประยุกต์กับการทดลองของมิสเตอร์ โบแชมป์ ทาวเวอร์ รวมถึงการทดลองหาค่าความหนืดของน้ำมันมะกอกธุรกรรมเชิงปรัชญาของราชสมาคมแห่งลอนดอน, 177, 157–234.
• บอยด์ เจ. และโรว์ ดับเบิลยูบี (1982)ไทรโบโลยี: หลักการและการประยุกต์การออกแบบ. สำนักพิมพ์แมคมิลแลน.
• วิลค็อก DF และบูเซอร์ ER (1957)การออกแบบและการใช้งานตลับลูกปืน. แมคกรอว์-ฮิลล์
• เอ็ทเทิลส์, CMM (1969) น้ำมันร้อนไหล-ไปยังตลับลูกปืนกันรุนการดำเนินการของสถาบันวิศวกรเครื่องกล, 184(12), 75–81.
• แฮมร็อค บีเจ ชมิด เอสอาร์ และจาค็อบสัน โบ (2547)พื้นฐานของการหล่อลื่นฟิล์มของไหล(ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2). มาร์เซล เด็คเกอร์.
• Frene, J., Nicolas, D., Degueurce, B., Berthe, D., & Godet, M. (1997)การหล่อลื่นแบบอุทกพลศาสตร์: ตลับลูกปืนและตลับลูกปืนกันรุน. เอลส์เวียร์
• คนสารี, MM, & Booser, ER (2008)ไทรโบโลยีประยุกต์: การออกแบบตลับลูกปืนและการหล่อลื่น(ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2). ไวลีย์.
• ซเซรี, แอริโซนา (2011)การหล่อลื่นฟิล์มของไหล(ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 2). สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์.
• มาตรฐาน ASTM D4998-22วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับการประเมินลักษณะการสึกหรอของน้ำมันไฮดรอลิกของรถแทรกเตอร์. ASTM อินเตอร์เนชั่นแนล
• ISO 12168-1:2001.แบริ่งธรรมดา - โหลดแบบคงที่- ความสามารถในการรับน้ำหนักของแบริ่งคอแรงขับแบบอุทกพลศาสตร์โดยไม่ต้องมีแผ่นเอียง. ไอเอสโอ.
• Stachowiak, GW และ Batchelor, AW (2014)วิศวกรรมไทรโบโลยี(ฉบับที่ 4). บัตเตอร์เวิร์ธ-ไฮเนอมันน์