Laboratorium PKM Ćwiczenie 5 Badanie parametrów hydrostatycznego łożyska wzdłużnego oraz analiza rozkładu ciśnienia w hydrodynamicznym filmie olejowym
1. Łożyska ślizgowe Łożyska to elementy maszyn służące do przejmowania sił działających na wały i osie, oraz ustalające ich położenie względem podstawy. Jeżeli powierzchnia czopa ślizga się po obejmującej go powierzchni panwi, takie łożysko nazywamy ślizgowym. W łożysku następuje rozproszenie energii mechanicznej i zamiana jej na ciepło. Opory ruchu minimalizuje się poprzez odpowiedni dobór materiałów i środka smarnego oraz precyzyjną obróbkę współpracujących powierzchni. Najmniejszy współczynnik tarcia występuje przy tarciu płynnym, kiedy warstwa smaru całkowicie oddziela współpracujące powierzchnie czopa i panwi. Tarcie płynne może być uzyskiwane w sposób hydrodynamiczny lub hydrostatyczny. W maszynach pracujących przy niewielkim obciążeniu i małych prędkościach obrotowych stosuje sie znacznie tańsze i prostsze w projektowaniu i budowie łożyska z tarciem półsuchym lub półpłynnym. Podział łożysk ze względu na kierunek działania siły wypadkowej obciążającej łożysko: poprzeczne - siła wypadkowa prostopadła do osi wału wzdłużne - siła wypadkowa działa wzdłuż osi wału poprzeczno-wzdłużne - siła skośna do osi wału. Cechy łożysk ślizgowych tarcia płynnego: odporność na uderzenia, drgania i wstrząsy dobre parametry pracy przy dużych prędkościach niskie straty tarcia możliwość dzielenia łożyska małe wymiary w kierunku promieniowym. 2
1.1. Łożyska smarowane hydrodynamicznie W łożyskach hydrodynamicznych klin smarny równoważący obciążenie łożyska powstaje na skutek ruchu czopa względem panwi. Przestrzeń między czopem a panwią jest zbieżna (w skutek ekscentryczności wału), natomiast przepływ środka smarnego ma charakter ciągły, zatem powstaje różnica ciśnień w płaszczyźnie poprzecznej łożyska. Ciśnienie w płaszczyźnie wzdłużnej dla nieskończenie długiego łożyska byłoby stałe, natomiast w przypadku rzeczywistym spada ku końcom łożyska na skutek bocznych wypływów oleju. Rys. 1. Rozkład ciśnień w klinie smarnym poprzecznego łożyska hydrodynamicznego [1] Na Rys. 2 przedstawiono zależność współczynnika oporów ruchu wału w zależności od tzw. liczby Herseya He=ηυ/p, gdzie η - lepkość dynamiczna oleju [Pa*s], υ -prędkość obrotowa wału [obr/s], p - nacisk obliczeniowy w łożysku. W obszarze I nie może powstać ciągły film smarny - mamy do czynienia z tarciem granicznym. W obszarze II część obciążenia jest przenoszona przez film smarny, a część przez warstwy graniczne - mówimy o tarciu mieszanym. W obszarze III formuje się nieprzerwany film smarny i uzyskujemy tarcie płynne. Opory ruchu osiągają minimum na granicy obszarów II i III, następnie rosną ze wzrostem prędkości obrotowej i lepkości. 3
Rys. 2. Rozkład współczynnika oporów ruchu w łożysku w zależności od liczby Herseya [1] Warunki wystąpienia smarowania hydrodynamicznego: 1. Odpowiednia lepkość cieczy smarującej. 2. Szczelina smarna musi być zbieżna w kierunku ruchu - uzyskiwana przez ekscentryczność czopa względem panwi. 3. Wystarczająca prędkość względna współpracujących powierzchni łożyska (czopa i panwi). Zalety łożysk smarowanych hydrodynamicznie: prosta budowa niska cena duża nośność nie wymagają zewnętrznego układu smarowania. Wady łożysk smarowanych hydrodynamicznie: trudność w uzyskaniu tarcia płynnego w fazie rozruchu i zatrzymywania łożyska trudność stosowania dla wałów pracujących z małą prędkością pod dużym obciążeniem. 4
1.2. Łożyska smarowane hydrostatycznie W łożyskach hydrostatycznych ciśnienie oleju niezbędne do rozdzielenia współpracujących powierzchni jest zapewniane przez pompę (zwykle z napędem niezależnym od łożyskowanego wału), zatem możliwe jest uzyskanie tarcia płynnego niezależnie od warunków pracy łożyska (np. w fazie rozruchu). Na rysunku 3a przedstawiono przykładowe rozwiązanie budowy hydrostatycznego łożyska wzdłużnego, posiadającego cztery komory. Olej pod ciśnieniem doprowadzany jest do komór przewodami (poz. 1), natomiast jego nadmiar odprowadzany jest przewodem przelewowym (poz. 2). Na rysunku 3b przedstawiono hydrostatyczne łożysko poprzeczne, również posiadające cztery komory. Regulacja ciśnienia oleju zasilającego poszczególne komory umożliwia środkowe ustawienie osi wału. Rys. 3. Schemat budowy łożyska hydrostatycznego: a) wzdłużnego, b) poprzecznego [1] Na rysunku 5 przedstawia układ zasilania w olej wzdłużnego łożyska hydrostatycznego. Pompa (P) pobiera olej ze zbiornika i tłoczy go do komory łożyska, skąd olej przepływa pod wał unosząc go, następnie wypływa bokami łożyska i wraca do zbiornika. Istnienie komory zwiększa powierzchnię, na którą oddziałuje olej w fazie rozruchu, tym samym umożliwia uniesienie wału bez nadmiernego zwiększenia ciśnienia. 5
Rys. 4. Wzdłużne łożysko hydrostatyczne wraz z układem zasilania w olej [1] Zalety łożysk smarowanych hydrostatycznie: możliwość uzyskiwania tarcia płynnego niezależnie od warunków pracy łożyska (rozruch, zatrzymanie) wydajne odprowadzanie ciepła - zwłaszcza przy zastosowaniu chłodnicy oleju. Wady łożysk smarowanych hydrostatycznie: złożona budowa związana z koniecznością stosowania zewnętrznego układu smarowania dla zapewnienia smarowania w fazie rozruchu konieczny niezależny napęd pompy. Literatura 1. M. Dietrich Podstawy konstrukcji maszyn t. 2, WNT Warszawa 1999 2. E. Mazanek Przykłady obliczeń z podstaw konstrukcji maszyn t. 2, WNT Warszawa 2008 3. Z. Osiński, W. Bajon, T. Szucki Podstawy konstrukcji maszyn, PWN Warszawa 1980 4. W. Korewa, K. Zygmunt Podstawy konstrukcji maszyn, t. 2, WNT Warszawa 1967 6
2. Badanie nośności hydrostatycznego łożyska wzdłużnego 2.1. Opis stanowiska Stanowisko badawcze (Rys.5) składa się z ramy (poz. 1), na której spoczywa hydrauliczna płyta nośna (poz. 2) z kanałami doprowadzającymi olej pomiędzy płytę nośną (poz. 2), a płytę pomiarową (poz. 3). Płyta pomiarowa (poz. 3) posiada kanał, łączący otwór pomiarowy, znajdujący się na powierzchni płyty z przetwornikiem ciśnienia (poz. 4). Posuw płyty pomiarowej realizowany jest za pomocą śruby (poz. 5), a kontrolowany za pomocą przetwornika położenia (poz. 6). Na płycie pomiarowej (poz. 3) umieszczony jest model panwi łożyska stopowego (poz. 7), (Rys. 6) z kanałem doprowadzającym olej do kieszeni smarowej. Do modelu przymocowane są czujniki zegarowe do pomiaru grubości filmu olejowego. Obciążenie wywierane jest za pomocą układu obciążającego (poz. 8), (Rys. 7). Olej do badanego filmu olejowego, oraz do filmu olejowego pomiędzy płytą nośną (poz. 2) a płytą pomiarową (poz. 3) dostarczany jest za pomocą zespołu pomp zębatych (poz. 9). Rama stanowiska ustawiona jest w misie spływowej (poz. 10), zbierającej olej wypływający ze szczelin smarowych. Przemieszczanie płyty pomiarowej (poz. 3) względem modelu panwi łożyska stopowego (poz. 7) umożliwia pomiar ciśnienia filmu olejowego w wybranych punktach na badanej powierzchni. Sygnały z przetwornika ciśnienia (poz. 4) i położenia (poz. 6) kierowane są do układu kondycjonowania sygnałów (wzmacniacza) (poz. 11). Wzmacniacz (poz. 11) zasila przetworniki, oraz przetwarza sygnały pomiarowe na standardowy sygnał 0 10 V, który jest rejestrowany za pomocą karty pomiarowej zainstalowanej połączonej z komputerem. 7
Rys. 5. Schemat stanowiska badawczego 8
Rys. 6. Model łożyska stopowego, będącego przedmiotem badania 1 6 8 Rys. 7. Schemat układu obciążającego: 1 siłownik obciążający (membranowy), 2 nurnikowa prasa hydrauliczna, 3 nurnik, 4 gwintowana powierzchnia zewnętrzna cylindra siłownika 2, 5 nakrętka, 6 kulka, 7 manometr, 8 badany segment 9
2.2. Przebieg ćwiczenia 1. Sprawdzić przewody hydrauliczne. Upewnić się, że: zawory spustowe są otwarte wolne końce przewodów zasilających są zanurzone w oleju w dolnej wannie olejowej 2. Uruchomić komputer (poz. 11) i aplikację LabView. Uruchomić układ zasilania (poz. 9). 3. Uruchomić pompę oleju. 4. Wyzerować czujniki zegarowe. 5. Zamknąć zawory spustowe na przewodach zasilających 6. Obracając nakrętkę układu obciążenia (poz. 8), wywrzeć na segment żądany nacisk. Wartość nacisku odczytywać z manometru nr 1, korzystając z widocznego na nim przelicznika MPakN, a następnie wpisać w komórce 4.3 tabeli 2 7. Ustawić płytę pomiarową tak, aby otwór pomiarowy znajdował się na środku komory smarowej modelu łożyska. Będzie to miało miejsce, gdy wskazanie woltomierza w układzie kondycjonowania sygnałów wynosić będzie 0,00 V. 8. Uruchomić procedurę pomiarową. 9. Obracając śrubą (poz. 5) przemieszczać płytę pomiarową względem badanego modelu łożyska. 10. Odczytać wskazania czujników zegarowych. Wartości wpisać do tabeli 1. 11. Po zakończeniu pomiaru otworzyć zawory spustowe, zdjąć obciążenie łożyska, oraz wyłączyć pompę oleju. 12. W oknie aplikacji LabView wyświetlić na wykresach wartości sygnałów przetwornika przemieszczenia i przetwornika ciśnienia. 13. Zapisać wyniki pomiarów w pliku. Zamknąć program. 2.3. Opracowanie wyników badań Korzystając z dowolnego programu: Excel, MathCAD, MatLab, lub innego, posiadającego odpowiednie funkcje matematyczne, przedstawić na wykresie rozkład ciśnienia filmu olejowego na powierzchni łożyska p(r) Na tym samym wykresie nanieść teoretyczny rozkład ciśnienia, opisany wzorem: p r P0 gdy r rk r z ln r P 0 gdy r r rz ln rk k 10
gdzie: p(r) P 0 r k r z η Q h ciśnienie lokalne filmu olejowego na promieniu r ciśnienie w komorze smarowej promień komory smarowej zewnętrzny promień łożyska lepkość dynamiczna oleju strumień oleju grubość filmu olejowego wyznaczyć nośność badanego filmu olejowego według formuły: W 2 n i1 i i r p r r i i1 gdzie: W i n r i p i nośność łożyska numer próbki liczba próbek długości promieni dla każdej próbki wartości ciśnienia dla każdej próbki. Tak wyznaczoną nośność wpisać w komórce 4.4 tabeli 2. Wyznaczyć teoretyczną nośność filmu olejowego o zbadanych parametrach, korzystając ze wzoru: W F P0 rz rk 2 r z ln rk 2 2 Tak wyznaczoną nośność wpisać w komórce 4.5 tabeli 2. Porównać otrzymane wartości i wyciągnąć wnioski. 11
Tabela 1. Przybliżone parametry filmu olejowego. Temperatura oleju T[ C] nie mierzone Lepkość dynamiczna oleju η [Pa s] nie mierzone Grubość filmu olejowego h m 1 h m 2 h m 3 h4 m średnia Tabela 2. Porównanie wartości nośności otrzymanych różnymi sposobami 1 2 3 4 2 Oznaczenie Opis Wartość 3 Q [kn] 4 W [kn] 5 W F [kn] Wartość odczytana z manometru układu obciążenia Wartość wyznaczona na podstawie pomiarów Wartość wyznaczona z modelu teoretycznego 6 P 0 [MPa] Ciśnienie zasilania 12
3. Analiza rozkładu ciśnienia w hydrodynamicznym filmie olejowym 3.1. Opis stanowiska Schemat stanowiska badawczego przedstawiono na Rys. 8. Na ramie (poz. 4) zamocowano silnik asynchroniczny (poz. 2) na wale którego znajduje się badane łożysko ślizgowe (poz.1). Pomiar ciśnienia dokonywany jest przez odczyt poziomu oleju w rurkach pomiarowych (poz.3). Do ustalenia początkowej wysokości słupa oleju w rurkach tablicy pomiarowej służy zbiornik wyrównawczy (poz.5). Rys.8. Schemat stanowiska do wyznaczania rozkładu ciśnienia w łożysku smarowanym hydrodynamicznie 13
3.1.1. Zespół łożyska Schemat komory badawczej przedstawiono jest na Rys 9. Czop badanego łożyska (poz.2) zamocowano na wale silnika asynchronicznego (poz.1) zasilanego z wykorzystaniem falownika. Czop współpracuje z panewką (poz.3). Komora łożyska zamknięta jest z dwóch stron za pomocą pokryw (poz.4). W panewce wykonano 16 otworów na których zamontowano króćce pozwalające na pomiar wartości ciśnienia w wybranych punktach łożyska. Zasilenie olejem badanego łożyska odbywa się przez króciec (poz.6) umieszczony na dodatkowym zespole (poz.5) połączonym z komorą badanego łożyska gumowym mieszkiem. Obciążenie badanego łożyska odbywa się przez zmianę ilości odważników na szalce (poz.8). Szalka jest mocowana przesuwnie, co umożliwia to centrowanie obciążenia panewki. Zawieszenie szalki można wykonać tak, aby przesuwanie obciążenia wprowadzało do układu symulację obciążenia łożyska momentem gnącym. Rys. 9. Schemat komory badawczej 14
3.1.2. Układ pomiaru ciśnienia Na Rys. 10 przedstawiono rozkład punktów p i pomiaru ciśnienia (otwory w panewce) Otwory p 1 do p 5 służą do pomiaru ciśnienia w kierunku osiowym łożyska. Otwory p 6 do p 17 odpowiadają pomiarom ciśnienia w kierunku obwodowym, przy czym jeden z otworów jest wspólny dla obu pomiarów (p 3 =p 17 ). Rys. 10. Schemat rozmieszczenia otworów pomiarowych: p i ciśnienia Do otworów pomiarowych widocznych na rysunku 2 podłączone są elastyczne przewody, które prowadzą olej do tablicy pomiarowej. Składa się ona z 16 przezroczystych rurek pomiarowych, umieszczonych na tle podziałki liniowej. Z tablicy odczytywane jest ciśnienie w milimetrach słupa cieczy smarującej. Na Rys. 11 przedstawiono schemat tablicy pomiarowej, kolorami oznaczono rurki odpowiadające pomiarowi ciśnienia w kierunku osiowym (pierwszych 5 rurek od lewej) oraz na obwodzie łożyska (kolejne rurki). 15
Rys. 11. Tablica pomiarowa ciśnienia: 1 łożysko, 2 układ rurek, 3 rynna przelewowa, 4 przewody pomiarowe, 5 naczynie zbiorcze. 3.2. Przebieg ćwiczenia Przed uruchomieniem stanowiska odczytać początkową wysokość słupa cieczy h 0 (jednakowa dla wszystkich rurek pomiarowych) oraz zanotować masę odważników umieszczonych na szalce. Po uruchomieniu silnika i ustawieniu na falowniku zadanej częstotliwości odczekać do ustalenia się poziomu cieczy w rurkach pomiarowych, następnie odczytać i zanotować poziom h i w każdej rurce. Wyniki zanotować w tabeli. Prędkość obrotową wału zmierzyć tachometrem laserowym lub oszacować na podstawie ustawionej częstotliwości (Tabela 3). 16
Tabela 3. Zależność obrotów silnika od częstotliwości prądu zasilającego f [Hz] n [obr/min] 5 147 10 288 15 422 20 578 25 660 30 796 35 927 40 1039 45 1200 50 1310 55 1410 60 1580 17
3.3. Opracowanie wyników 3.3.1. Dane stanowiska: Klasa lepkości oleju: VG 46 Gęstość oleju: 878 kg/m 3 Średnica czopa: 60 mm Luz promieniowy: 0,25mm Prędkość obrotowa: obr/min Obciążenie: kg Wysokość początkowa słupa cieczy (h 0 ): mm 3.3.2. Pomiar ciśnienia Nr rurki Wysokość słupa cieczy h i [mm] Względna wysokość słupa cieczy h i -h 0 [mm] Ciśnienie p i =ρ g h [Pa] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18
3.3.3. Sporządzić wykresy rozkładu ciśnienia w łożysku w płaszczyźnie wzdłużnej i poprzecznej. Wykres 1: Rozkład ciśnienia w płaszczyźnie osiowej łożyska p[pa] 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Nr rurki -1000 1 2 3 4 5-2000 -3000-4000 19
Wykres 2: Rozkład ciśnienia na obwodzie łożyska 14 15 16 17 p [Pa] 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0-1000 -2000-3000 -4000 6 7 8 13 9 12 10 11 3.3.4. Wnioski i spostrzeżenia 20