Optimálne mazanie

Optimálne mazanie, preklad z Angliny, MTF STU

Optimálne mazanie: najlepší kompromis dynamickej stability a pracovnej teploty pre guličkové ložiská pri vysokých rýchlostiach.

Súhrn

Mazanie vysoko rýchlostných guličkových ložísk musí zaistiť zvýšenú statickú, dynamickú a teplotnú stabilitu, čo sú podstatné podmienky pre vysokú spoľahlivosť a pracovnú presnosť prístrojov. Vysoká dynamická viskozita mazadla by mohla viesť k zvyšovaniu pracovnej teploty ložiska s negatívnym dopadom na jeho životnosť. Na druhej strane, za tých istých podmienok, pri zvlhčovaní kontaktného miesta ložiskovej guličky a kanálika, je pozitívnym efektom nárast dynamickej stability ložiska. Tým pádom sa výber vhodného mazadla stáva jedným z hlavných cieľov pri konštruovaní výrobkov s vysoko rýchlostnými ložiskami. Pre takéto výrobky bol rozvinutý komplexný teoretický aj experimentálny výskum ich záťaže, ktorý berie do úvahy režim mazania pri zadaných podmienkach dynamickej stability, pracovnej teploty a životnosti. Vhodné mazadlo bolo určené z analýzy výsledkov, ktoré brali do úvahy súvzťažnosť mazadlo - dynamická stabilita - tepelný režim, získaných na hlavnom hriadeli testovanej brúsky.

Úvod

V súčasnosti sa na vysoko rýchlostné guličkové ložiská a súčiastky z nich kladú nové, vyššie požiadavky na rýchlosť, silu, statickú a dynamickú stabilitu spolu s nízkymi stratami z trenia a pracovnej teploty pri daných nárokoch na životnosť a presnosť pri práci. Ložisko ako hlavná súčasť má rozhodujúci vplyv na správanie sa výrobku počas pracovného procesu. Spoľahlivosť ložiska vo veľkej miere rozhoduje o kvalitatívnom výkone výrobku v pracovnom procese a vplyv režimu mazania sa stáva jedným z najdôležitejších faktorov. Pri vysokých rýchlostiach, vzhľadom na relatívne pohyby na kontaktných miestach ložiskovej guličky a kanálika, vzniká tepelná energia hlavne pohybom hmoty mazadla. Toto by pri mazadle s nevhodnými vlastnosťami mohlo viesť k zvyšovaniu pracovnej teploty spolu so znižovaním hrúbky filmu kvôli javu hladovania, s negatívnym pôsobením na životnosť ložiska (1) (2) (3). Na druhej strane, nedávne výskumy zaoberajúce sa dynamickým správaním vysoko rýchlostných guličkových ložísk vyzdvihli významný dopad mazadla na tuhosť a charakteristiky zvlhčovania ako výsledok stláčajúceho efektu v oblasti vstupu mazadla na kontakt guličky a kanálika (4).

Nárast dynamickej viskozity mazadla po určité hodnoty viedol k nárastu zvlhčovania kontaktného miesta guličky a kanálika s pozitívnym efektom na dynamické správanie ložiska a teda aj na dynamický stav celého prístroja.

V týchto podmienkach je zrejmé, že kompromis dynamická stabilita - tepelný režim ložiska, možno dosiahnuť iba výberom vhodného mazadla. Majúc na zreteli tieto aspekty, výber vhodného mazadla sa vzhľadom na požiadavky životnosti, dynamickej a tepelnej stability ložiska pri práci za vysokých rýchlostí stáva zásadným problémom, a to hlavne pri navrhovaní výrobkov s takýmito ložiskami (5) (6) (7) (8).

Vzhľadom na tento cieľ bol vypracovaný komplexný teoretický a experimentálny výskum zaoberajúci sa mazaním vysoko rýchlostných ložísk vo výrobkoch s nimi podľa daných podmienok dynamickej stability a pracovnej teploty v kontrolovaných pracovných podmienkach. Vhodné mazadlo bolo určené podľa výsledkov získaných na hlavnom hriadeli testovanej brúsky.

Mazadlo a dynamická stabilita ložiska

Interakcie prvkov ložiska pri vysokých rýchlostiach, t.j. gulička - klietka - kanálik, jeho tuhosť a charakteristiky zvlhčovania možno pokladať za najvplyvnejšie faktory na dynamické správanie ložiska.

Hagiu a Gafitanu navrhli dynamický model prezentovaný rovnicou 1 pre jednoduchý kontakt gulička - kanálik v podmienkach EHL, ktorý zvažuje nasledovné aspekty:
- elastická deformácia Hertzového kontaktu,
- stláčajúce a zvlhčujúce efekty v olejovom filme
Keďže v oblasti Hertzového kontaktu je olejový film veľmi tuhý, vyvodil sa predpoklad, že dynamický mechanizmus kontaktného miesta guličky a kanálika pri vysokej rýchlosti je ovládaný elastickou tuhosťou kc Hertzového kontaktu a tuhosťou filmu kef spolu so zvlhčovaním hef vo vstupnej oblasti Hertzového kontaktu. V týchto podmienkach je normálna záťaž na kontakt daná vzťahom:


(1)


Najdôležitejším záverom bolo, že vplyv mazadla na dynamický mechanizmus kontaktu guličky s kanálikom, ako výsledok stláčajúceho efektu, bol oveľa významnejší vo vstupnej oblasti.

Nelineárne správanie stlačenia filmu bolo odhadnuté priamou integráciou Reynoldsovej rovnice (9). Elastickú tuhosť filmu mazadla kef vo vstupnej oblasti možno teda vyjadriť :


(2)


a zvlhčovanie hef , pôsobiace v kvadráte:


(3)


Dynamický model prezentovaný rovnicou 2 bol navrhnutý po zvážení vysoko rýchlostného uhlového kontaktu ložiska zaťaženého radiálnou silou Fr , osovou silou Fa a točivým momentom M, pri malých vibračných amplitúdach celého kontaktu guličky s kanálikom pôsobiacich vo fáze.

Navrhnutý dynamický model ložiska zahŕňa:
- Kr , Ka , Km , celkové tuhosti pôsobiace vo fáze pri vytláčaní v radiálnych, osových a uhlových smeroch, v uvedenom poradí,
- Hr , Ha , Hm , celkové zvlhčovanie pôsobiace v kvadráte s vytláčaním, v uvedenom poradí.

Na zdôraznenie vplyvu mazadla na dynamické správanie vysoko rýchlostného guličkového ložiska bola vypracovaná komplexná teoretická a experimentálna analýza dynamického stavu hlavného hriadeľa testovanej brúsky, schematicky uvedená v rovnici 3 pri konštrukčných parametroch z tabuľky 1. Čiže pre tri oleje, ktorých charakteristiky sú uvedené v tabuľke 2, boli určené teoretické aj experimentálne amplitúdy priečnych vibrácií testovaného hlavného hriadeľa brúsky pre rôzne hodnoty rýchlosti, záťaže ložísk Fp a testovacej sily Fg , ktorá simulovala hlavnú brúsnu silu. Teoretické amplitúdy priečnych vibrácií boli určené metódou transferovej matice (9) pri zvážení dynamického modelu ložísk uvedeného v rovnici 2 a zhodnotení tuhosti a charakteristík zvlhčovania pri daných pracovných podmienkach.

Pokusné uplatnenie získaných teoretických výsledkov bolo vykonané na testovacej súprave schematicky znázornenej na obrázku 4. Hlavný hriadeľ testovanej brúsky bol pripevnený na betónový podklad izolovaný od okolitého prostredia gumovými tlmičmi, aby sa odstránili možné vonkajšie ruchy. Bol poháňaný remeňom z elektromotora upevneného na oddelenom podklade. Amplitúdy priečnych vibrácií hriadeľa brúsky boli merané Bruel & Kjaerovým meracím reťazcom: akcelerometer typ 2431, zosilňovač typ 2626, frekvenčný analyzér typ 2113, nahrávač úrovne typ 2305. Keď bolo potrebné zmeniť olej, hriadeľ bol starostlivo umytý vo vhodnom rozpúšťadle a vysušený, aby malo každé testovanie rovnaké podmienky.

Porovnania teoretických a experimentálnych výsledkov uvedených v tabuľke 5 vyzdvihli nasledovné aspekty:
1. Pri olejoch s vyššou viskozitou sme získali vyššiu dynamickú stabilitu testovaného hriadeľa. Tento fakt poukazuje na to, že nárast zvlhčovania ložiska je výsledkom väčšej odolnosti oleja stláčať sa vo vstupnej oblasti kontaktu guličky s kanálikom.
2. Dynamická stabilita klesá s nárastom rýchlosti.
3. Existuje určitý rozsah záťažových hodnôt, ktoré zaručujú dynamickú stabilitu testovaného hriadeľa.




Mazadlo a tepelný režim ložiska

Tepelný režim vysoko rýchlostnej súčiastky a jej guličkového ložiska nezávisí len od systému mazania, typu
ložiska, jeho konštrukčného riešenia a uloženia na hriadeli, kombinácií zaťaženia a rýchlosti, ale aj od iných faktorov, ako sú intenzívne lokálne zahrievanie alebo schladzovanie následkom rýchlosti alebo zmien zaťaženia, od tesniaceho a chladiaceho systému. Počas práce je teda veľmi dôležité si uvedomiť a udržiavať nízke a stabilné teploty, aby sme sa vyhli možnému následnému javu s negatívnym dopadom na životnosť ložiska: zníženie viskozity mazadla, zahrievanie ložiska, zadŕhanie ako dôsledok náhlych kolapsov olejového filmu, poruchy ložiska (3) (10).

Poznanie pracovných teplôt ložísk má podstatný význam pre bezpečnosť a spoľahlivosť a tiež umožňuje pochopiť a odhadnúť kvalitatívny výkon ložiska a celého výrobku, ktorého je súčasťou. Tepelný režim ložiska udávajú výsledky z dvoch hlavných zdrojov: z viskózneho trenia v olejovom filme - t.j. z pohybov v rámci hmoty mazadla a z prenosu tepla medzi guličkou a kanálikom cez olejový film. V skutočnosti pracujú jednotlivé časti ložiska pri rôznych teplotách, ktoré sa ešte naviac menia počas práce ložiska. Vzhľadom na tento fakt, ktorý uvádza mnoho autorov (5) (6) (10), je ťažké vypočítať a zmerať teploty ložiska na rôznych miestach počas pracovného zaťaženia ložiska. V mnohých praktických prípadoch sa teda určujú priemerné teploty ložiska na základe pokusov. Priemerné pracovné teploty ložísk testovaného hriadeľa uvedené v tabuľke 3, boli neustále kontrolované a merané tepelnými senzormi pri tých istých pracovných podmienkach, aké boli použité pri pokusoch s dynamikou, a to pre typy olejov uvedené v tabuľke 2, pri použití testovacej súpravy podľa obrázku 4. Získané výsledky, uvedené v tabuľke 6, vyzdvihli nasledujúce aspekty:
- nárast teploty ložiska testovaného hriadeľa pri náraste zaťaženia a rýchlosti,
- vyššie pracovné teploty sme dostali pri použití olejov s väčšou viskozitou

Vhodné mazanie ložiska

Konštrukcia prístroja s vysoko rýchlostným ložiskom a jeho pracovná presnosť zaisťujú jeho kvalitatívny výkon, kým režim mazania má významný vplyv na jeho životnosť (7) (8) (11) (12). Výsledky získané pri skúmaní dynamickej stability, rozhodujúceho faktora pre pracovnú presnosť a pri skúmaní tepelného režimu, rozhodujúceho faktora pre životnosť, poukázali na zložitosť výberu vhodného mazadla. Konštruktér sa musí rozhodnúť, aký olej bude vhodný, na základe cieľového určenia jeho produktu a na základe požiadaviek na jeho životnosť a pracovnú presnosť. Vo väčšine prípadov, pri vysokých rýchlostiach, nepredstavuje porucha ložiska hlavný dôvod nefunkčnosti prístroja. Pri hlavných hriadeľoch brúsok, pri požiadavkách na vysokú kvalitu opracovávaných dielcov, sa vysoká pracovná presnosť stáva dôležitejšou ako dlhá životnosť a mazadlo teda treba vybrať podľa tohto faktora spoľahlivosti.

Brúska, ktorú sme testovali (obrázok 3), sa zvyčajne používa na opracovávanie ložiskových kanálikov a vo väčšine takýchto prípadov sa požaduje kvalita povchu Za týchto okolností, aj keď olej typu Te 14 zaisťuje nižšie pracovné teploty za daných pracovných podmienok, je lepšie použiť typ M 20 na získanie požadovanej dynamickej stability, čiže amplitúdy priečnych vibrácií nepresahujúcej 2 m/s .

Závery

Na určenie mazadla schopného v tom istom čase zaistiť aj dynamickú stabilitu, aj optimálny tepelný režim vysoko rýchlostného ložiska pri daných pracovných podmienkach, bol rozvinutý komplexný výskum. V tomto zmysle bol určený dynamický stav a tepelný režim hlavného hriadeľa testovanej brúsky v rôznych podmienkach mazania, pri kontrolovanej rýchlosti, zaťaženia ložiska a vonkajších zaťaženiach.

Z analýzy získaných výsledkov možno vyvodiť nasledujúce závery:
1. Určiť vplyv mazania na hlavné faktory spoľahlivosti ložiska, t.j. životnosť, dynamická stabilita, tepelný režim, nie je jednoduchý problém a to hlavne kvôli účinku dvoch efektov, ktoré sa dejú súčasne:
- po prvé, nárast viskozity oleja spôsobí nárast zvlhčovania ložiska z miesta kontaktu kvôli zvýšenej odolnosti proti stláčaniu
- po druhé, naopak nárast viskozity oleja spôsobí nárast hrúbky olejového filmu spolu so zvýšením tlaku na tento film.
Konečný výsledok bude teda závisieť od toho, ako sú tieto dva faktory vyvážené a aká je voľnosť kontaktov, aby sa vytvorila určitá neobmedzovaná hrúbka filmu bez teplotných rozdielov a záťažových efektov. 2. Aby konštruktér vytvoril produkt s vysoko rýchlostným ložiskom so zvýšenými kvalitatívnymi nárokmi, musí vybrať vhodné mazadlo podľa cieľového určenia výrobku, podľa požiadaviek na jeho najdôležitejšie faktory spoľahlivosti a podľa požadovanej presnosti opracovávania dielcov.

Názvoslovie jednotiek:

vzdialenosť medzi stredmi guličiek (m)
priemer guličky (m)
prispôsobenia kanálikov
sila (N)
zvlhčovanie kontaktu gulička - kanálik (Nm )
minimálna hrúbka filmu v plne zaplavených a izotermálnych podmienkach EHL (m)
zvlhčovanie ložiska (Nm )
imaginárna jednotka ( )
tuhosť kontaktu gulička - kanálik (Nm )
zaťaženie ložiskového kontaktu / odchýlka (Nm )
tuhosť ložiska (Nm )
hlavná os elipsy kontaktu gulička - kanálik (m)
hmota guličky (kg)
točivý moment (Nm)
rýchlosť (ms )
normálna záťaž na kontakte gulička - kanálik (N)
drsnosť kanálika (m)
drsnosť guličky (m)
ekvivalent dosahu guličky / kanálika v smere valenia (m):
stredná rýchlosť v smere valenia (ms ):
počet guličiek
súradnice (vzhľadom na kontakt gulička - kanálik)
súradnice (vzhľadom na ložisko)

Grécke symboly

nástupný kontaktný uhol (rad)
voľný kontaktný uhol (rad)
koeficient tlaku / viskozity (Pa )
koeficient teploty / viskozity ( C )
bezrozmerný parameter
vytláčanie v smere valenia (m)
dynamická viskozita mazadla v izotermálnych podmienkach (Pa s)
frekvencia kmitania (rad s )

Označenia pri jednotkách

a osový smer
c Hertzový kontakt
e oblasť vstupu mazadla
f film
g testovacia sila
m uhlový smer
p záťaž
r radiálny smer.