Malá úprava, která dělá velký rozdíl
Odstředivá čerpadla patří mezi nejčastěji používaná zařízení pro dopravu kapalin v průmyslových aplikacích. Ačkoli jsou odstředivá čerpadla svojí konstrukcí poměrně odolná, obvykle trpí mechanickým selháním v důsledku nadměrného opotřebení těsnění, poškození ložisek prokluzem a/nebo selhání klece ložiska. Tento článek zkoumá tyto tři způsoby selhání a pomocí vlastního softwaru pro výpočet ložisek vysvětluje, jak může správná axiální vůle ložisek tyto problémy zmírnit a prodloužit životnost ložisek a v konečném důsledku i samotného čerpadla.
Při pohledu dovnitř odstředivého kapalinového čerpadla lze nalézt dvě samostatné polohy ložisek. Přední poloha nejblíže oběžnému kolu je obvykle axiální ložisko, které reaguje na radiální zatížení systému. K tomuto účelu se nejčastěji používá kuličkové ložisko nebo válečkové ložisko. Zadní poloha je typicky dvojice axiálních ložisek, která nastavuje axiální koncovou vůli a reaguje na axiální i radiální zatížení. Většina odstředivých čerpadel používá buď dvouřadé kuličkové ložisko s kosoúhlým stykem (DRACBB), dvojici kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem (ACBB) nebo dvojici kuželíkových ložisek.
OBRÁZEK 1: Typické uspořádání ložisek uvnitř odstředivého čerpadla (Obrázky s laskavým svolením Schaeffler Group USA Inc.)
Režimy selhání
Jak bylo zmíněno výše, tři běžné způsoby poruchy u odstředivých čerpadel jsou opotřebení těsnění, poškození ložisek prokluzem a prasknutí klece ložiska. První z těchto poruchových režimů – nadměrné opotřebení těsnění – je způsobeno vychýlením hlavního hřídele, což zvyšuje kontaktní sílu těsnění proti hřídeli a předčasně opotřebovává materiál těsnění. Snížením tohoto průhybu hřídele se prodlouží životnost těsnění, což povede k delší životnosti systému čerpadla.
Druhý častý poruchový stav odstředivých čerpadel – poškození ložisek smykem – je způsoben nedostatečným zatížením jednoho z vodicích ložisek. Protože axiální síla čerpadla obvykle působí pouze v jednom směru, pouze jedno z vodicích ložisek přebírá většinu zatížení, zatímco druhé ložisko se používá k podpoře jakéhokoli dodatečného radiálního zatížení a klopného momentu. V závislosti na provozních podmínkách to může vést k odlehčení jednoho ložiska, přičemž valivá tělesa mají tendenci se spíše otáčet mimo svou osu, než se odvalovat v zamýšleném směru v oběžné dráze. ACBB a DRACBB jsou zvláště citlivé na tento mechanismus za podmínek nízké zátěže. Navíc odstředivá síla působící na kuličky, když jsou mimo oblast zatížení, může dále zhoršit změnu kontaktního úhlu, kterou ložisko zažívá. Toto dodatečné roztočení vede k jevu známému jako smyk, který lze rozpoznat podle prokluzujících drah na oběžné dráze a valivých prvků. Snížení vůle nebo dokonce předpětí vodicích ložisek může pomoci předejít tomuto poruchovému stavu.
Smyk může také vést k prasknutí klece, což je třetí běžný způsob selhání odstředivých čerpadel. V rámci málo zatíženého ložiska tvoří zátěžová zóna menší část oběžné dráhy. To může způsobit, že valivá tělesa v kapse klece ložiska zpomalí nebo zabrzdí, když vstoupí do nezatížené zóny v kapsách klece a poté zrychlí, když se znovu dostanou do zátěžové zóny a začnou se opět normálně otáčet. Pokud jsou tato zrychlení a zpomalení drastická nebo dostatečně častá, pak může klec pociťovat únavu a nakonec prasknutí v kapse v důsledku vyššího než normálního namáhání.
OBRÁZEK 2: Průhyb těsnění při různých nastaveních axiální vůle ložiska (zobrazeno v BEP)
Analýza
K prozkoumání těchto poruchových režimů zvolil výrobce ložisek čerpadlo dodané uživatelem a monitoroval posun v těsnění, poměr rotace kuliček a také zrychlení klece přes bod nejlepší účinnosti (BEP). Pro simulaci normálních provozních podmínek byly všechny zatěžovací stavy spuštěny při 1 780 otáčkách za minutu (ot/min) s teplotním rozdílem 10 C (50 F) mezi vnitřním a vnějším kroužkem. Tři různé páry ACBB řady 7313 byly simulovány v lokalizační poloze za výše uvedených podmínek s různými rozsahy vůle. Všechny testované páry byly univerzální konstrukce (určené pro použití jako pár v uspořádání X nebo O) a měly následující třídy vůle: UA (malá axiální vůle), UB (menší axiální vůle než UA) a UO (bez vůle). . Vůle v předním ložisku řady 6313 byla pro všechny výpočty nastavena na normální vůli (CN). Na základě poskytnutého zatížení nese ložisko na straně motoru ve vodicím páru axiální zatížení v systému, zatímco ložisko na straně oběžného kola nese jakékoli radiální zatížení a zatížení klopným momentem.
Při použití těchto zkušebních parametrů a tří různých párů ACBB bylo posunutí hřídele v místě těsnění první podmínkou, která byla zkoumána. Tyto výchylky jsou vidět na obrázku 2. Při 0% BEP vedla dvojice ACBB s vůlí UA k největšímu posunutí hřídele. Mezitím se ložiska s vůlí UB vychýlila o 13 mikrometrů (µm) méně než verze s vůlí UA, zatímco dvojice ložisek s vůlí UO se v místě těsnění vychýlila o 27 µm méně než pár UA. Podobné výsledky byly pozorovány při 25% BEP: Pár s mezerou UB se vychýlil o 11 µm méně než pár UA, zatímco pár s mezerou UO se v místě těsnění vychýlil o 24 µm méně než pár UA.
Ačkoli podobné výsledky byly pozorovány při 50% BEP, je třeba poznamenat, že celková výchylka hřídele se snižuje se zvyšujícím se BEP. Pár ACBB s vůlí UB se vychýlil o 2 µm méně než pár UA, zatímco ložiska s vůlí UO se vychýlila o 4 µm méně než pár UA v místě těsnění. Při 75 % a 100 % BEP se pár UA vychýlil méně než ložiska UB i UO. Při 75% BEP se ložiska s vůlí UB vychýlila o 1 µm více než ložiska s vůlí UA, zatímco pár UO se vychýlil o 2 µm více než pár UA v místě těsnění.
Podobně se ložiska s vůlí UB vychýlila o 2 µm více než pár UA při 100% BEP, zatímco ložiska s vůlí UO se vychýlila o 3 µm více než pár UA v místě těsnění.
Při optimálnějším rozsahu BEP jsou jen nepatrné rozdíly v průhybu, ale při nižším BEP je výhoda s ohledem na minimalizaci opotřebení těsnění díky menšímu průhybu hřídele.
OBRÁZEK 3: Poměr náklon/rotace jako funkce axiální vůle ložiska
Po analýze průhybu hřídele byl další zkoumanou podmínkou poměr náklon/rotace. Poměr náklonu/rotace větší než 0,5 je spojen s vyšší pravděpodobností poškození ložisek smykem, i když to může záviset na mazání v systému. Pro tuto část analýzy byla sledována ložiska v místech motoru a oběžného kola a úplný výstup výsledků je vidět na obrázku 3.
S ohledem na dvojici ložisek UA s vůlí je poměr valení/rotace větší než 1,1 pro všechny případy BEP v ložisku na straně oběžného kola; to naznačuje, že smyk by byl pravděpodobný. Zatímco ložisko na straně motoru funguje lépe, jakmile se BEP zvýší, při provozu pod 50 % BEP je stále pravděpodobné prokluzování. Ložisko na straně oběžného kola páru UB mezitím vykázalo poměr náklon/rotace větší než 0,9 pro všechny případy BEP – opět, což naznačuje, že je pravděpodobný smyk. Smyk je stále problémem při 0% BEP a 25% BEP v ložisku na straně motoru; stav smyku je hraniční při 50% BEP. A konečně, ložisko na straně oběžného kola dvojice ložisek UO s vůlí vykázalo poměr valení/rotace větší než 0,6 pro všechny případy BEP. To znamená, že smyk by byl pravděpodobný při 0 % BEP a 25 % BEP; při vyšším BEP jsou podmínky smyku hraniční.
OBRÁZEK 4: Rozdíl otáček klece jako funkce axiální vůle ložiska
Co se týče třetího běžného poruchového režimu pro odstředivá čerpadla – selhání klece ložiska – kolísání rychlosti klece ložisek vykazovalo výsledky podobné stavu rotace. To bylo určeno výpočtem orbitální rychlosti každé kuličky v kapsách klece a poté použitím rozptylu mezi maximálními a minimálními hodnotami ke generování rozdílu rychlosti klece, který je vidět na obrázku 4.
Protože větší rozdíly v rychlosti klece vyvíjejí větší tlak na kapsy, může tento stav vést ke zlomeninám. Podle obrázku 4 vykazuje dvojice ložisek UA s vůlí největší rozdíl v rychlosti klece; tento jev je zvláště patrný, když BEP klesá. Zatímco pár UB funguje lépe, nejnižších změn rychlosti klece je dosaženo použitím ložisek s vůlí UO.
Jak ukázal předchozí průzkum tří běžných poruchových režimů odstředivých čerpadel, výběr správné axiální vůle ložiska by měl zlepšit životnost ložisek a následně i samotného čerpadla.
Použití ložiska s menší vůlí omezuje průhyb na těsnění, což zase může pomoci zlepšit životnost těsnění čerpadla – zejména při provozu dále od optimálních rozsahů BEP. Snížená vůle navíc minimalizuje množství potenciálního smyku v ložiskách, zejména v nezatíženém ložisku, které se primárně používá pro momentové a radiální zatížení.
Výběr správné vůle může také snížit namáhání v kleci v důsledku zrychlení, což může prodloužit životnost ložiska a celého systému. Pokud je však poškození ložisek stále vidět i při zmenšeném rozsahu vůle, může být nutné přejít na předepjaté ložisko, aby se dále snížila pravděpodobnost smyku a namáhání klece.