Łożyska bezsmarowe i hydrodynamiczne poprzeczne

Łożyska bezsmarowe

i hydrodynamiczne poprzeczne

Tarcie - zależność od prędkości krzywa Herseya

Tarcie mieszane

Tarcie płynne

Łożyska - podstawowe rodzaje

Łożyska toczne Łożyska o tarciu suchym

(bezsmarowe, samosmarne)

Łożyska porowate

impregnowane smarem Łożyska

hydrodynamiczne (o tarciu płynnym)

Łożyska - zasady doboru c. d.

Typowy zakres obciążeń różnych rodzajów łożysk

Łożyska porowate impregnowane olejem lub smarem

Łożyska toczne

Łożyska o tarciu płynnym Łożyska o tarciu

suchym

Łożyska - zasady doboru

Tradycyjne materiały na skojarzenia ślizgowe

Tradycyjne skojarzenie ślizgowe - skojarzenie tradycyjny materiał ślizgowy*- stal smarowane ropopochodnym środkiem

smarowym

*materiał z następujących grup:

•stopy na osnowie miedzi -brązy i mosiądze

•żeliwa,

•stopy na osnowie cyny i ołowiu

•stopy cynkowe (Zn-Al)

•stopy Al-Sn,

Pozostałe = niekonwencjonalne

Przyczyny rezygnacji ze smarowanych skojarzeń ślizgowych

• ekologiczne - brak niekorzystnego oddziaływania środka smarowego na środowisko

(półśrodkami są stosowanie uszczelnień i biodegradowalnych środków smarowych)

• eksploatacyjne - lepsza wydajność maszyn, brak

przestojów związanych z uzupełnianiem smaru, prostsza obsługa, niższe koszty eksploatacji itp.

• „procesowe” (technologiczne) - brak smaru oznacza

czystość węzła łożyskowego i brak oddziaływania smaru

(jego wycieków) na procesy

(półśrodkami są stosowanie uszczelnień i specjalnych środków smarowych)

Jakie są efekty zastosowania niekonwencjonalnych materiałów?

12 różnych czynności smarowniczych wykonywanych co 3000 km

Obsługa techniczna samochodu FSO Warszawa (OT-I - co 3000 km)

“WCZORAJ”

“DZIŚ”

Obsługa techniczna samochodu Ford FOCUS - co 15 000 km

Na dwóch stronach wykazu czynności obsługowych DWIE POZYCJE

przewidują smarowanie i nie dotyczy to łożysk!

Jakie są efekty zastosowania niekonwencjonalnych

materiałów?

Możliwości eliminacji skojarzeń smarowanych

Orientacyjny zakres obciążeń różnych rodzajów łożysk

Łożyska bezsmarowe

Smarowany brąz cynowy

Łożyska hydrodynamiczne Zamknięte łożyska toczne

Łożyska porowate impregnowane olejem

Podział materiałów

Według Engineering Sciences Data Unit (ESDU) 87007 materiały na niesmarowane łożyska (dry rubbing bearings) podzielić można na:

A. Polimery bez napełniaczy B. Polimery z napełniaczami

C. Polimery wysokotemperaturowe D. Materiały cienkowarstwowe

E. PTFE z napełniaczami

F. Wzmacniane mat. termoutwardzalne G. Metale impregnowane smarami stałymi H. Węgiel/ grafit

podobne grupy materiałów wyróżnia się w Tribology Handbook

Charakterystyka materiałów

A. Polimery bez napełniaczy -

grupa niedrogich materiałów często o dobrej odporności na zużycie ścierne. Rzadko możliwa jest ich praca w war. dużych nacisków i wysokich temperatur. Typowe przykłady to PTFE, poliacetale, poliamidy, polietyleny (HD oraz UHMW)

B. Polimery z napełniaczami -

dodatek napełniacza poprawia własności mechaniczne ale może pogorszyć odporność na zużywanie. Typowe napełniacze to włókno szklane i stałe smary (grafit, MoS₂), stosuje się też olej mineralny

C. Polimery wysokotemperaturowe -

zachowujące właściwości w podwyższonych temperaturach. Stosuje się poliimidy, poliamidy, polieterosulfony (PES), polieteroeteroketony (PEEK – temperatura topnienia 343°C, drukowalny 3D!). Droższe od polimerów z grupy A.

D. Materiały cienkowarstwowe

- zbudowane z cienkiej warstwy ślizgowej o dobrych własnościach tribologicznych zespolonej z podłożem o dobrych własnościach mechanicznych (metal, zbrojone tworzywa termoutwardzalne itp.). Niezalecane do stosowania w warunkach gdzie może występować duże zużycie ścierne.

Charakterystyka materiałów

E. PTFE z napełniaczami

- (osobna grupa z racji częstości występowania) Typowe napełniacze to włókno szklane i stałe smary (grafit, MoS₂), minerały (mika) i metale (brąz). Duża odporność na temperaturę (duże prędkości).

Niezbyt duże dopuszczalne naciski. Duża odporność chemiczna.

F. Wzmacniane materiały termoutwardzalne

- wzmocnienie (zbrojenie) stanowią tkaniny, włókna poliestrowe. Stałe smary często stanowią domieszkę. Większa sztywność niż w łożyskach polimerowych ale zwykle większa intensywność zużywania. Odporne na krótkotrwałe przyrosty temperatury. Przykład – iglidur.

G. Metale impregnowane smarami stałymi

- stały smar, zwykle grafit, równomiernie wprowadzony do struktury materiału lub obecny w postaci wyodrębnionych wkładek.

Odporne na wysoką temperaturę i duże naciski, dobra przewodność cieplna i elektryczna. Niezbyt przydatne w warunkach małych oscylacji.

H. Amorficzny węgiel /grafit

- odporne na ekstremalne temperatury i duże prędkości, ale kruche. Źle znoszą ukosowanie wału i pracę w próżni

Możliwości eliminacji skojarzeń smarowanych Ocena wytrzymałości panewki bezsmarowej

Obciążenie - średnie naciski p=F/DB

Możliwości eliminacji skojarzeń smarowanych

Ocena trwałości panewki bezsmarowej

Krzywa zużycia

Zakres stosowania poszczególnych materiałów

Polimery (grupa A i B)

Polimery wysokotemp. (C) Mat. termoutw. (F)

Węgiel/grafit (H) Metale impregn. smarem (G) Mat cienkowarstwowe (D)

PTFE (E)

A. Polimery bez napełniaczy B. Polimery z napełniaczami

C. Polimery wysokotemperaturowe D. Materiały cienkowarstwowe E. PTFE z napełniaczami

F. Wzmacniane mat. Termoutwardzalne G. Metale impregnowane smarami stałymi H. Węgiel/ grafit

Zakres stosowania poszczególnych materiałów

Graniczna

prędkość

[m/s]

Porównanie materiałów poszczególnych grup

intensywność

zużycia [m

²

/N] względny

koszt

Polimery (grupa A i B) Polimery wysokotemp. (C) Mat. termoutw. (F) Węgiel/grafit (H)

Metale impr. smarem (G)

Mat cienkowarstwowe (D) PTFE (E)

Polimery (grupa A i B) Polimery wysokotemp. (C) Mat. termoutw. (F) Węgiel/grafit (H)

Metale impr. smarem (G)

Mat cienkowarstwowe (D) PTFE (E)

Gotowe łożyska -

poprzeczne, wzdłużne, materiał ślizgowy do samodzielnego

kształtowania,

Wiele materiałów o różnym składzie, strukturze,

właściwościach

elementy o nietypowych kształtach, ... a nawet samoprzylepna folia do wycinania nożyczkami!

Niekonwencjonalne materiały na skojarzenia ślizgowe

„Marzenie każdego inżyniera: obliczalne łożysko wykonane z polimerów o wysokich wydajnościach:

•bezsmarowność,

•odporność na korozję,

•bezobsługowość,

•odporność na różne środki,

•duża wytrzymałość na ściskanie,

•niskie współczynniki tarcia,

•wysoka tłumienność mechaniczna,

•wysoka odporność na zanieczyszczenia,

•lekkie,

•najlepsza odporność na zużycie,

•doskonały wskaźnik wydajności do ceny.”

Wygoda projektowania (kalkulator trwałości na stronie dostawcy).

„Efekt samosmarowania: polimery łożysk iglidur® składają się z:

•polimeru bazowego

•włókien oraz wypełniaczy

•smarów stałych

Komponenty nie są połączone warstwowo lecz tworzą jednorodną strukturę. Zaleta tej budowy staje się jasna, gdy zwrócimy uwagę na wymagania stawiane powierzchni łożyska:

1.Współczynnik tarcia, który jest jednoznacznie zdeterminowany przez powierzchnię łożyska, powinien być możliwie najniższy.

2.Powierzchnia styku nie może zostać przemieszczona w wyniku sił działających na łożysko.

3.Siły zużywające łożysko działają głównie na powierzchni łożyska, łożysko powinno być szczególnie odporne w tym miejscu.

Do spełnienia każdego z wymogów stawianych łożysku, służy inny składnik materiału iglidur.

Polimer bazowy jest odpowiedzialny za odporność na zużycie.

Włókna oraz wypełniacze wzmacniają łożysko w kierunku przenoszenia dużych obciążeń i sił krawędziowych.

Smary stałe zmniejszają tarcie, są wbudowane jako mikroskopijne cząstki, znajdujące się w komorach stałego materiału, wzmocnionego włóknami. Podczas pracy łożyska, smary stałe wydobywają się z tychże komór. Powoduje to natychmiastowe smarowanie współpracujących powierzchni. Smary pomagają zredukować współczynnik tarcia łożysk iglidur, ale nie są

niezbędne do pracy łożyska, a jedynie wspierają jego działanie. Ponieważ znajdują się w

komorach nie dają się wycisnąć. Dają znać o sobie zawsze, gdy łożysko jest wprawiane w ruch.

Rodzaj ruchu

Rodzaj obciążenia Wymagania trwałości Wymagania dot.

powierzchni wału

Metoda uniwersalna ESDU 87007

START

Wymagania związane z zastosowaniem Dostępne materiały

Przydatność do danego zastosowania /warunków pracy

Przyrost temperatury

Zużycie/ trwałość

Koszt/dostępność

KONIEC

Środowisko pracy:

 związki chemiczne,

 promieniowanie,

 próżnia,

 płyny

Wymuszenia:

 średnie naciski

 temperatura pracy

Prędkość ślizgania

Wyznaczenie przyrostu

temperatury podczas pracy łożyska z uwzględnieniem współczynnika tarcia i zdolności odprowadzania ciepła

Metody obliczania trwałości łożysk niesmarowanych

r r

L - trwałość [lata]

h_dop - dopuszczalne zużycie liniowe [m]

k - współczynnik intensywności zużycia [m²/N]

p - średnie naciski w łożysku [N/m²]

a - współcz. korekcyjny uwzględniający obciążenie i temperaturę b - współcz. korekcyjny uwzględniający chropowatość

c - współcz. korekcyjny uwzględniający prędkość ślizgania s - droga tarcia [m/rok]

s p

k c

b a

L h ^dop









 

Metoda prognozowania trwałości przedstawiona w Engineering Sciences Data Unit (ESDU) 87007

Metoda uniwersalna ESDU 87007

Metody producentów

Arkusze obliczeniowe

Niekiedy

ankiety z danymi dla doboru przez producenta

Dobór wymiarów

Wyznaczanie trwałości

Metody obliczania trwałości łożysk niesmarowanych

Tabele wymiarowe,

wytyczne dotyczące zabudowy Instrukcja montażu

Metody producentów

28

Poprzeczne łożyska hydrodynamiczne – powrót do historii

Są z nami od czasów rewolucji przemysłowej (połowa XVIII w.), chociaż do czasu eksperymentów Beauchampa Towera nie było jasne, jak działają

Do skutecznej pracy hydrodynamicznego łożyska poprzecznego wystarczy:

(1) wał cylindryczny i tuleja o odpowiedniej precyzji, (2) odpowiedni luz (szczelina) pomiędzy nimi,

(3) wypełnienie szczeliny smarem (płynem)

From: Machinery Lubrication

29

Są z nami od rewolucji

przemysłowej (połowa XVIII w.). Beuchamp Tower w 1884 roku opublikował wyniki

potwierdzające

doświadczalnie istnienie

wysokiego ciśnienia w filmie smarowym łożyska

poprzecznego

Osborne Reynolds – wyjaśnił wyniki Towera na drodze teoretycznej w roku 1886 (również w Proceedings of the IMechE!)

  _ ^

  



 

 



 











 

 

 













2 1 2

6 1 3

3 v

x u h

z u h p

z x

h p

x 

Hydrodynamiczne łożysko poprzeczne

Łożysko cylindryczne

Podstawowe zjawiska -

•generowanie nośności hydrodynamicznej

•generowanie ciepła

Hydrodynamiczne cylindryczne łożysko poprzeczne

Kryteria bezpiecznej pracy:

h₀ > h_dop „minimalna grubość filmu” większa od dopuszczalnej

t_max < t_dop maksymalna temperatura mniejsza od dopuszczalnej

Zalecenia:

średnicy, luzu, lepkości oleju

Hydrodynamiczne cylindryczne łożysko poprzeczne

Dostępne są stablicowane,

bezwymiarowe wyniki całkowania

(przy założeniu stałej lepkości tzw.

efektywnej, przećwiczymy na laboratorium) Liczba Sommerfelda – liczba podobieństwa hydrodynamicznego, podobieństwo

przepływu.

Bezwymiarowe wskaźniki wyznaczane z wykresów w funkcji liczby Sommerfelda

Obliczenia h

₀

i t

_max oparte na całkowaniu

równania Reynoldsa i równania energii, łatwiejsze od obliczeń łożysk wzdłużnych, bo panewki

praktycznie nie odkształcają się termicznie.

3 o

h h U h

dx 6

dp 



a 

Łożysko poprzeczne

Podstawowe charakterystyki łożyska:

^h₀

Łożysko poprzeczne

Podstawowe charakterystyki łożyska:

przesunięcie środka czopa e (ekscentryczność, duża w łożyskach hydrodynamicznych!

e~0.5 y )

Łożysko poprzeczne

Podstawowe charakterystyki łożyska:

t_max

Łożyska hydrodynamiczne

Dostarczanie środka smarowego –

b) pierścień stały a) pierścień luźny

Łożyska hydrodynamiczne

Odbieranie ciepła z łożyska- chłodnice wewnętrzne

chłodnice zewnętrzne

Metody intensyfikacji chłodzenia

Zewnętrzny układ chłodzenia

Rozpraszanie ciepła powiększone dzięki zastosowaniu wentylatorów i

użebrowanych korpusów

39

o dużym wskaźniku lepkości (WL - VI)

Simmons et all TribInt 2013

Badania eksploatacyjne zainicjowane przez S. Glavatskiego w 10 MW turbinie badawczej w elektrowni Porjus (Szwecja)

Porównano straty tarcia dla dwóch olejów smarowych: mineralnego ISO VG-68, and

syntetycznego (Turbway SE) o WL=150 i lepkości @ 40°C odpowiadającej ISO VG-46

Wyniki:

Maksymalna temperatura łożyska obniżyła się o 7°C, film smarowy był grubszy, z drugiej strony wyższa temperatura kąpieli olejowej (o 5°C) zmniejszyła straty tarcia o 18.5%,

Całkowitą korzyść energetyczną oceniono na 30 kW, co oznacza 0.3% wzrostu sprawności

Łożyska hydrodynamiczne – straty i grubość filmu

w zależności od zmian lepkości oleju

Łożyska hydrodynamiczne

Przykłady konstrukcji

całego zespołu łożysko + korpus

Wymagania dla łożysk w turbinach parowych

gruby, bezpieczny film olejowy

temperatura filmu olejowego poniżej dopuszczalnego maksimum odporność na przeciążenie

Cechy STATYCZNE filmu olejowego

bardzo wysoka sztywność filmu olejowego

bardzo mała różnica sztywności w kierunku pionowym i poziomym

kolista orbita ruchu środka czopa wysokie współczynniki tłumienia

DYNAMICZNE właściwości filmu olejowego - aby uniknąć wiru oleju i uzyskać bardzo niską amplitudę drgań

Bardzo trudno jest osiągnąć kompromis między charakterystykami statycznymi i dynamicznymi filmu olejowego, kosztami i montażem itp.

! compromise !

Klasyczne łożyska nie są wystarczające dla zmodernizowanych turbin

Istnieje zapotrzebowanie na nową konstrukcję, która będzie miała lepsze cechy statyczne i dynamiczne, niewielkie wymiary ogólne i niską cenę

Łożyska zwykle stosowane w turbinach parowych

dobre właściwości dynamiczne, niska cena,

małe wymiary zewnętrzne,

złe charakterystyki statyczne, zwłaszcza gdy kierunek obciążenia nie jest pionowy

bardzo dobre cechy dynamiczne, dobre cechy statyczne,

wysoka cena, duża średnica eliminuje ten typ łożysk w modernizowanych turbinach

dobre właściwości statyczne,

niska cena, mała średnica zewnętrzna,

złe cechy dynamiczne przy małym obciążeniu i dużej prędkości obrotowej - może wystąpić wir olejowy (rezonans przepływu z obrotem wału)

cylindrical 3-lobe sym. lemon

offset pressure dam tilting pad

Idea nowego łożyska, tzw. Y

Dobre cechy statyczne osiągane dzięki małemu luzowi promieniowemu-

duża obciążalność

odporność na zmiany kierunku obciążenia

Łożysko cylindryczne

Łożyska wielocylindryczne Dobre cechy dynamiczne – ciśnienie hydrodynamiczne jest generowane na dwóch albo trzech powierzchniach walcowych

Połączenie korzystnych cech

dynamicznych łożyska cytrynowego i korzystnych cech statycznych

łożyska walcowego

Nowy patent na łożysko Y –

Olgierd Olszewski

& Artur Olszewski

3 niezależne łuki

klasyczne, symetryczne łożysko 3-łukowe 2 górne łuki dociskające i

stabilizujące wał

Dolny łuk daje dobrą nośność i i sztywno podpiera wał

geometryczny zacisk każdego łuku jest inny

środki poszczególnych łuków nie są symetryczne wokół łożyska, ale każdy środek może być indywidualnie umieszczony w pozycji wybranej przez projektanta

powierzchnie podziału łuków są usytuowane symetrycznie w poziomie i symetrycznie w pionie dla dwóch górnych płatów

Wysokie ciśnienie jest generowane jednocześnie na 3 łukach

Ciśnienie podpierające Ciśnienia

stabilizujące

Łożysko Y ma niższą maksymalną temperaturę przy obciążeniu nominalnym i znacznie niższe, gdy jest przeciążone

Maximum temperature of oil film

0.0E+00 2.0E+01 4.0E+01 6.0E+01 8.0E+01 1.0E+02 1.2E+02 1.4E+02 1.6E+02

0.0E+00 1.0E+05 2.0E+05 3.0E+05 4.0E+05 5.0E+05

Load [N]

Temperature [C]

Y Lemon bearing

Maksymalna temperatura filmu olejowego w funkcji obciążenia

Minimum oil film thickness

0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025

0.0E+00 1.0E+05 2.0E+05 3.0E+05 4.0E+05 5.0E+05

Load [N]

Minimum oil film thickness [m]

Łożysko Y ma nieznacznie grubszą szczelinę smarową przy nominalnym obciążeniu i znacznie grubszą przy przeciążeniu

Lemon bearing

Y Minimalna grubość filmu olejowego w funkcji obciążenia

Characterystyki dynamiczne

Łożysko Y ma znacznie wyższe wartości współczynników sztywności niż cytrynowe Wzrost sztywności poziomej jest najbardziej znaczący

Wyższość łożyska Y ujawnia się zwłaszcza przy niskich obciążeniach To samo dotyczy współczynników tłumienia

Spring coefficients of oil film. Lemon and Y bearing

-1.1E+10

-9.0E+09

-7.0E+09

-5.0E+09

-3.0E+09

-1.0E+09

0.E+00 1.E+05 2.E+05 3.E+05 4.E+05 5.E+05

Load [N]

spring coefficients [N/m]

horizontal vertical

Y Współczynniki sztywności filmu olejowego w funkcji obciążenia

Lemon bearing

Łożysko Y - zalety

Możliwość dostrojenia cech filmu olejowego zgodnie z wymaganiami konkretnej turbiny

Wymiary i podział tulei łożyskowej pozwalają wykorzystać to łożysko zamiast łożyska cytrynowego. Nie potrzeba żadnych zmian średnicy obudowy i otworów olejowych w turbinie.

Technologia montażu jest praktycznie identyczna z technologią zastosowaną w łożyskach cytrynowych dzięki symetrycznej powierzchni podziału poziomego, jak w klasycznych łożyskach

Technologia i zastosowanie przemysłowe

Na podstawie dobrze udokumentowanych charakterystyk z symulacji komputerowych łożyska Y – firma ALSTOM Power zdecydowała się na zakup praw patentowych do projektu

We współpracy z ALSTOM Power opracowano dwie oryginalne technologie produkcji łożysk Y

Pierwsze łożysko Y zostało zastosowane w nowej turbinie ALSTOM Power w roku 1999 z bardzo dobrym skutkiem - dynamika maszyny została znacznie poprawiona, a maksymalna temperatura filmu olejowego została zmniejszona. Obecnie łożysko Y jest stosowane powszechnie w turbinach parowych 200MW Alstom.