Témata
Reklama

Poznatky v oblasti hydrostatických ložisek

13. 11. 2002

Hydrostatická ložiska jsou plně zatížitelná i při nulových otáčkách, což je zajištěno externím zdrojem tlakového média. Nosná síla ložiska nezávisí na viskozitě maziva ani na kluzné rychlosti ?.

Protože u hydrostatických ložisek nedochází k žádnému kontaktu hřídele a pouzdra, vykazují nulové opotřebení. Další výhodou těchto ložisek je tichý chod, který zajišťuje olejová vrstva tlumící kmitání. Tuhé uložení je zajištěno obvodově předepnutým čepem. Volbou vyhovujících parametrů HSL lze dosáhnout vysoké energetické účinnosti. Při provozu nezáleží na smyslu kluzné rychlosti a ložiska jsou vhodná pro častý rozběh a doběh.
Naproti tomu potřeba hydraulického obvodu zvyšuje pořizovací náklady, hydrostatická ložiska jsou konstrukčně složitá, jejich údržba je komplikovaná a vykazují poměrně vysokou poruchovost.
Reklama
Reklama

Druhy hydrostatických ložisek

S jedním čerpadlem a škrcením
Tlaková kapalina je dodávána jedním čerpadlem do všech kapes přes škrticí ventily. Vzhledem ke konstantnímu škrcení každé z kapes se se změnou vnějšího zatížení mění velikost dodávaného množství kapaliny podle velikosti vůle mezi pouzdrem a čepem h. Tudíž dochází k jisté excentricitě čepu.
S více čerpadly
Plnicí čerpadlo dodává celkové množství tekutiny, zatímco odměrná čerpadla dodávají pro každou kapsu konstantní množství tlakové kapaliny. Tento princip vykazuje přibližně dvojnásobnou tuhost uložení oproti předchozímu. Nevýhodou je vyšší cena.
Systém se škrcením závislým na zatížení
Jedno čerpadlo dodává tlakovou tekutinu do kapes s předřazenými škrticími ventily. Ty regulují průtok v závislosti na vnějším zatížení tak, že zvýšením tlaku v kapse účinkem vnějšího zatížení je způsobena deformace membrány - tím je docíleno většího průtoku Q dodávané tekutiny. Tento systém vykazuje oproti předešlým nejvyšší tuhost. Je ovšem značně složitý, a tím i více poruchový.
Současný výzkum v odvětví hydrostatických ložisek poskytuje mnoho cenných, avšak dílčích poznatků, zabývajících se některým parametrem HSL. Americká firma Bentley Rotor Dynamics přišla na trh s HS ložiskem pod názvem SFCB (ServoFluid(tm) Control Bearing), které má být podle uvedených informací největším přelomem v historii ložiskových technologií za posledních 100 let. Toto HSL má velmi vysokou hodnotu tlumení i tuhosti a není náchylné k nestabilním jevům.

Vliv primárních veličin na veličiny výstupní

Průměr
Při zvětšujícím se průměru HSL se zvětšuje účinná nosná plocha ložiska a tím také únosnost. Stoupá ovšem nárok na průtokové množství tekutiny, poněvadž se zvětšuje prostor pro výtok. Zvýšenou hmotnost hřídele lze redukovat hřídelí dutou.
Délka
S větší délkou ložiska také stoupá únosnost díky větší ploše, avšak zvětšuje se škrticí odpor. S délkou také roste třecí odpor ložiska, jako i s průměrem, a tím vzrůstá oteplení a ztráty.
Vůle
Vůle mezi čepem a pouzdrem určuje tuhost uložení tak, že s větší vůlí tuhost klesá. Zmenšením vůle se dále zvětšuje škrticí odpor, oteplení a s třetí mocninou se snižuje potřebné průtokové množství nosné tekutiny.
Drsnost
Podle grafů v dosud nepublikovaném Surface roughness effect on the oscillating squeeze-film behavior of long partial journal bearings, Computers & Structures, 2002, J. R. Lin. Ch. H. Hsu, Ch. Lai, se podle směru vytvoření rýh zvyšoval maximální výstředný poměr, kde e je výstřednost čepu a C radiální vůle s rostoucí drsností v axiálním směru, zatímco klesal s rostoucí drsností ve směru radiálním, avšak charakter drsnosti neovlivňoval závislé parametry významně.
Hloubka kapes
Kapsy jsou zapotřebí zejména v případě dosednutí hřídele na povrch pouzdra, aby byl umožněn přítok média a jeho působení na co největší plochu. Není tedy nutné kapsy konstruovat příliš hluboké, spíše naopak.
Plocha kapes
Podle známého Pascalova vztahu se zjednodušeně únosnost ložiska zvětšuje úměrně s plochou kapsy.
Tvar kapes
Tvar kapes se převážně volí v rozvinutém tvaru jako obdélník u radiálních HSL, u axiálních pak jako mezikruhový prostor nebo výseč. Vliv tvaru kapes na vlastnosti ložiska však zatím nebyl zkoumán. V článku Misaligned journal effects in liquid hydrostatic non-recessed journal bearins, Wear 210 (1997), str. 67 - 75, autoři S. C. Jain, S. C. Sharma, T. Nagaraju, jsou publikovány závěry z výzkumu hybridních ložisek, ve kterých vstup média do meziložiskového prostoru byl řešen bez tlakových komor přímými vstupy s různými parametry reduktorů koordinujících průtok v jednotlivých vstupech. Autoři pokládají toto řešení za výhodnější z hlediska kombinovaného provozu ložiska, kdy při roztočení hřídele a přechodu na hydrodynamické mazání zabírá plocha kapes velkou část styčné plochy ložiska potřebné k dobré únosnosti hydrodynamického filmu.
Tlak
Tlak je jednou z rozhodujících veličin v konstrukci HSL. Změnou velikosti celkového tlaku Pc můžeme docílit většího předepnutí ložiska, a tím též ovlivňovat tuhost soustavy tlumení Při použití vhodných reduktorů ke každé z kapes se ložisko stává do jisté míry "samostředicím". Řízenou změnou tlaku v jednotlivých kapsách pak můžeme docílit minimální excentricity a optimálního chodu ložiska.
Tlakový spád
V práci Dynamic Stiffness and the Advantages of Externally Pressurized Fluid-Film Bearings, D. E. Bentley, A. Petchenev, ORBIT First Quarter 2000, str. 18 - 24, je zmíněn rozdíl v hydrostatickém a hydrodynamickém uspořádání ložiska s důrazem kladeným zejména na tlakový spád. Názorně je to ukázáno na obrázku, kde tmavší odstíny značí vyšší tlak. Tlakový spád v axiálním směru jednoznačně více podporuje tuhost ložiska než spád ve směru radiálním. Z toho vyplývá, že by konstrukce HSL měla v co největší míře podporovat tok axiální, resp. "spirálový s co největším stoupáním".
Viskozita média - teplota
Viskozitě oleje odpovídá smykové tření v kapalině a tím též oteplování ložiska při rotaci. S rostoucí teplotou klesá viskozita a na dosáhnutí vyrovnané tepelné bilance je zapotřebí větší množství oleje, které proto, aby mohlo ložiskem protékat, vyžaduje zvětšení ložiskové vůle.
Otáčky
Publikace V. Borský, Základy stavby obráběcích strojů, 1986, 1. vyd., VUT v Brně, str. 97, tvrdí, že tuhost HSL nezávisí prakticky na otáčkách. Vezme-li se v úvahu tvrzení o vlivu tlakového spádu, nabízí se otázka, zda v případě, když se stoupajícími otáčkami roste též obvodová rychlost oleje, nedochází ke snižování tuhosti HS ložiska.
Zatížení ložiska
Je samozřejmostí, že se konstrukce ložiska přizpůsobuje charakteru jeho zatížení. Pro axiální, radiální nebo kombinované druhy zatížení volíme odpovídající typ ložiska.
Konstrukce reduktoru (restriktoru)
Při použití systému se škrcením závislým na zatížení se k tomuto používá restriktoru. V literatuře je definován konstrukční parametr restriktoru (škrticí kapiláry) podle vztahu , který se stává vstupní konstrukční veličinou.

Výstupní parametry

Excentricita hřídele
Ač je excentricita hřídele definovaná jako veličina závislá, často se v grafech objevuje v x-ové souřadnici. Například tuhost ložiska v daném směru je maximální při maximální výchylce hřídele. Tím pádem má HS ložisko samostředné chování.
Tuhost
Tuhost v radiálních fluidních ložiskách se dělí na tuhost direktivní (přímou) a kvadratickou (křížovou). Přímá dynamická tuhost je složka dynamické tuhosti mechanického systému, skládajícího se z modální hmoty, tuhosti a křížových vazebních složek tlumení, která působí proti aplikované síle na společné přímce. Kolmá dynamická tuhost je složka dynamické tuhosti rotačního systému obvykle v kapalném prostředí, skládajícího se v podstatě z viskózního tlumení (reakce tekutiny při tlaku hřídele), ze složky podpůrného kapalinového klínu (reakce rotující hřídele při tlaku tekutiny) a ze složky křížově vázané tuhosti (složka tangenciální síly). Kolmá dynamická tuhost způsobuje silovou reakci působící kolmo na působící sílu. U složitých rotorů může mít kolmá kvadratická tuhost více složek, včetně gyroskopických. Vektorovým součtem zmíněných tuhostí se získá tuhost dynamická.
Obecně se pro klidný chod ložiska požaduje vysoká míra tlumení. Maximální únosnost je daná tlakem dodávané tekutiny pS a plochou kapsy AŠ. Při maximálním zatížení se však výchylka ( = 1, což je případ, kdy hřídel dosedne na stěnu pouzdra, tedy stav nepřípustný. Volí se tedy takové konstrukční řešení HSL, při kterém ( nepřekročí předepsanou hodnotu přesnosti. Dosažení vlastní frekvence ( je jev, kterému se musí předcházet vhodnými úpravami. U HSL např. změnou tuhosti či tlumení vyvolanou změnou vstupního tlaku. Oteplení lze snižovat zvětšením průtočného množství oleje, ale možná i úpravou kapes.

Závěr

Při konstrukci hydrostatických ložisek se dbá zejména na vysokou únosnost, tuhost a tlumení. Veškeré výpočty parametrů ložiska jsou analyticky popsány a podloženy experimenty. Na www.bently.cz lze nalézt veškeré nutné charakteristiky hybridního ložiska daného typu. Závislosti na rozměrech ložisek lze přepočítat pomocí podobnostních čísel. U HSL je možné měnit jejich charakteristiky za chodu, což je velmi výhodné, zejména u soustav náchylných na kmitání nebo soustav, kde se požaduje vysoká záruka nekmitání. Při výpadcích dodávky tlakového oleje přechází HSL téměř okamžitě do hydrodynamického režimu a následně může i dosednout na stěnu pouzdra, což většinou vede ke kolizi systému. Proto je nutno zajistit systém nevázaný na tento výpadek. HSL nacházejí uplatnění především u vysokorychlostních obráběcích strojů (n = až 20 000 ot./min), pro svou tlumicí schopnost u turbínových strojů, ale také v astronomických přístrojích pro minimální rozběhový odpor. Obvyklé u méně zatížených hřídelí je i uložení aerostatické, experimentuje se s HSL v oblasti kryogenních teplot.
Reklama
Vydání #11
Kód článku: 21119
Datum: 13. 11. 2002
Rubrika: Trendy / Ložiska
Autor:
Firmy
Související články
Monitoring stavu ložisek zlepšuje proces broušení

Sledování stavu ložisek není jen způsob, jak včas zjistit potřebu jejich výměny, ale také způsob, jak si udělat obrázek o stavu celého stroje nebo zařízení. Pro ilustraci výhod služby CMS (Condition Monitoring Service) od firmy NSK budou uvedeny dva příklady jejího využití pro brousicí stroje.

Optimalizace péče o ložiska zabraňuje odstávkám výroby

Ložiska jsou vysoce namáhanými součástmi pohonů, které v průběhu času podléhají opotřebení. S ohledem na to je zvláště důležité zahrnout je do plánů údržby, protože tato strategie pomáhá prodloužit životnost strojů nebo zařízení.

Nová radiální kuličková ložiska

Společnost Schaeffler prostřednictvím vysokých investic do výrobních kapacit určených pro radiální kuličková ložiska FAG generace C výrazně rozšiřuje svou obchodní nabídku v oblasti standardních valivých ložisek. Díky zdokonaleným vlastnostem produktů, nové logistické koncepci a optimalizovanému poměru ceny a výkonu jsou tato úspěšná radiální kuličková ložiska ještě atraktivnější.

Související články
Repase ložisek jako součást cirkulární ekonomiky

Během několika posledních let se o konceptu tzv. cirkulární ekonomiky hodně mluví. Je naprostým opakem ekonomiky lineární, ve které se získané zdroje použijí do produktů a nakonec vyřadí. Cílem cyklické alternativy je ekonomická produkce méně závislá na využívání zdrojů. Zaměřuje se na menší spotřebu materiálu, větší využití výrobků a lepší recyklaci materiálů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Velmi přesná profilová lineární vedení s oběhem kuliček

Nová šestiřadá profilová lineární vedení s oběhem kuliček KUSE X-life jsou důkazem toho, že i v případě osvědčeného produktu lze dosáhnout dalších velkých pokroků ve vývoji. Nová lineární vedení značky INA z koncernu Schaeffler jsou tak přesná a mají natolik klidný chod, že je lze použít dokonce i v měřicích strojích.

Lineární vedení v robotizovaných svařovacích linkách

Výrobce dílů svařovaných z plechů hledal řešení, jak prodloužit krátkou životnost pohonů a vodicích prvků svých automatizovaných svařovacích zařízení, neboť lineární vedení robotizované svařovací pistole v jedné jeho výrobní lince muselo být vyměňováno každé dva nebo tři měsíce.

Projekt výrobní linky pro inovovaná ložiska do převodovek Porsche

V souvislosti s vyššími požadavky odběratelů v automobilovém průmyslu na nižší výslednou hlučnost pro pasažéry plánuje olomoucký závod na výrobu ložisek Koyo Bearings zavedení technologických změn. Konkrétně se jedná o nákup nové linky, která umožní implementaci technologie vysoce přesných dokončovacích operací, mezi něž patří soustružení „za tvrda“, broušení a superfinišování pro ložiskové kroužky nově vyvinuté řady ložisek LNT (Low Noise Transmission).

Energetická účinnost mazaných ložisek

Energetická účinnost valivých ložisek se v posledních letech výrazně zvýšila. Přispívají k tomu zejména nové designy ložisek, pomocí nichž lze například snižovat ztráty třením. Jakou roli přitom hraje použité mazivo? Společnost Klüber Lubrication získala díky zkušebnímu zařízení, které sama vyvinula, nové poznatky o vlivu maziv na energetickou účinnost ložisek, a může tedy poskytovat uživatelům optimální poradenství.

Ložiska pro velká zatížení

Společnost Coroll jako významný dodavatel ložisek do všech hutních provozů včetně kontinuálního lití, válcoven, výroby surového železa, přepravy a úpravy rud i dalších materiálů využívá zázemí japonského výrobce ložisek NSK a jeho vývoj speciálních produktů pro hutní průmysl.

Prémiové nástroje pro výpočet ložisek

Společnost SKF své lety nabyté zkušenosti a znalosti předává svým zákazníkům nejen prostřednictvím seminářů, brožur či katalogů, ale také poskytováním výpočetních nástrojů.

Správné mazání předchází třetině selhání ložisek

Domazávání ložisek je naprostou nutností, pokud ložiska nepoužíváte výhradně v aplikacích, které domazávání nevyžadují. Nestačí však pouze domazávat, je důležité provádět domazávání vhodným množstvím a způsobem. Z důvodu nevhodného domazávání totiž selhává 36 % ložisek. Jak tedy správně domazávat?

Padělky ložisek na celnici i v aplikaci

Padělky čtyř velkých kuličkových ložisek zadržel Celní úřad na začátku března při vstupu na celní území Unie. Zmíněná ložiska, označená obrazovou ochrannou známkou SKF, do České republiky dovážel český prodejce strojních dílů, který však není autorizovaným distributorem SKF.

Ložiska pro velmi náročné podmínky

Prostorové omezení představovalo pro firmu Papcel při navrhování nového papírenského stroje velký problém. Řešením byla unikátní toroidní ložiska CARB a inovativní mazací systém od společnosti SKF.

Inovace komponentů pro obráběcí stroje

Firma Coroll již od roku 1995 zastupuje na českém trhu společnost NSK. Opírá se o technické zázemí tohoto japonského výrobce, který nepřetržitě investuje do inovací a vývoje svých produktů – ložisek, kuličkových šroubů a lineárních vedení.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit