Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Poznatky v oblasti hydrostatických ložisek
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Poznatky v oblasti hydrostatických ložisek

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.

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.

Další články

Převody/pohony/ložiska/spojky

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: