Berapakah-Prinsip Pemikul Beban dari Bantalan Dorong Tanah yang Lancip-?

ALancip-Bantalan Dorong Tanahadalah sejenis bantalan dorong hidrodinamik dengan geometri tetap. Tidak memiliki poros, tidak ada bantalan penyesuaian otomatis, dan tidak ada penyesuaian kemiringan otomatis. Bantalan membawa beban aksial dengan menggunakan area saluran masuk baji yang dikerjakan langsung ke permukaan bantalan.

Kapasitas tekanan bantalan berasal dari bentuk baji ini. Ketika permukaan yang berputar menggerakkan pelumas ke dalam celah sempit, tekanan terbentuk di dalam lapisan oli. Tekanan ini mendukung beban aksial dan menjaga permukaan tetap terpisah selama pengoperasian.

Karena bantalan bergantung sepenuhnya pada geometri mesinnya, dimensi kerucut harus dikontrol dengan cermat. Perubahan kecil pada sudut lancip, ketebalan film atau bentuk permukaan dapat mempengaruhi pembentukan tekanan dan kinerja bantalan.

Untuk memahami cara kerja bantalan dorong berbentuk kerucut, penting untuk memeriksa hidrodinamika tekanan yang dihasilkan dalam film pelumas, daripada hanya melihat bantalan sebagai komponen dengan peringkat beban yang ditentukan.

Mekanisme Inti: Tekanan Hidrodinamik dari Baji Konvergen

Setiap bantalan film fluida hidrodinamik, termasuk bantalan jurnal, bantalan dorong bantalan miring, dan bantalan dorong tanah tirus, memiliki daya dukung yang sama dengan efek fisik yang dijelaskan Osborne Reynolds pada tahun 1886. Ketika cairan kental diseret melalui celah sempit oleh pergerakan dua permukaan, tekanan di dalam membran fluida meningkat. Tekanan ini, ketika menyebar ke area bantalan, akan menopang beban tanpa kontak logam-ke-logam.

Pada Bantalan Dorong{0}}tanah Taper, penyempitan celah ini dilakukan dengan memperbaiki geometri, bukan memindahkan atau menyesuaikan. Setiap paking pada cincin bantalan memiliki dua area utama searah putarannya.

Zona lancip (inlet): Permukaan berada pada sudut kecil terhadap landasan pacu. Hal ini menciptakan celah yang menyempit saat minyak ditarik ke dalam secara rotasi. Sebagian besar tekanan hidrodinamik dihasilkan di wilayah ini.

Flat (outlet): permukaan sejajar dengan landasan pacu. Area ini mempertahankan tekanan setelah dihasilkan dan oli meninggalkan bantalan di tepi ekor menuju alur pembuangan.

Rasio panjang lahan datar terhadap total panjang pad umumnya 0,60-0,70. Jika tanah datar terlalu pendek, maka tidak ada cukup area untuk menahan tekanan yang dihasilkan. Jika terlalu lama, zona lancip akan menjadi terlalu kecil dan tekanan tidak akan meningkat secara efektif.

Persamaan Reynolds yang Diterapkan pada Geometri Lancip

Bentuk satu-dimensi persamaan Reynolds untuk film dengan viskositas-konstan yang tidak dapat dimampatkan dalam kondisi tunak adalah:

d/dx (h³ dp/dx)=6 μ U dh/dx

Dalam persamaan ini, h adalah ketebalan film lokal, p adalah tekanan, mu adalah viskositas dinamis, U adalah kecepatan permukaan relatif, x adalah koordinat arah gerak.

Untuk saluran masuk berbentuk kerucut linier, h (x) berkurang dengan laju konstan dari ketebalan membran saluran masuk h1 ke membran minimum h2 pada persimpangan tanah kerucut-. Gradien tekanan dp/dx bergantung pada μU dan dh/dx. Hal ini mempunyai dampak langsung sebagai berikut:

• Kecepatan yang lebih tinggi akan meningkatkan tekanan film dan meningkatkan kapasitas beban ketika ketebalan film sama.

• Viskositas yang lebih tinggi menghasilkan efek yang sama dengan kecepatan yang lebih tinggi.

• Taper yang lebih curam tidak selalu meningkatkan kinerja. Jika sudut lancip menjadi terlalu besar, tekanan akan terbentuk terlalu dekat dengan saluran masuk dan distribusi tekanan secara keseluruhan menjadi tidak merata. Hal ini mengurangi kapasitas beban total.

Rasio kerucut optimal h1/h2 dari daya dukung maksimum adalah sekitar 2,2 pada kondisi aliran laminar dan viskositas{3}}konstan. Ini berarti ketebalan film masuk sekitar 2,2 kali lebih tebal dari film minimum. Khususnya, jika ketebalan film minimum adalah 15–25 μm, tinggi langkah masuk kira-kira 33-55 mikron. Ini adalah fungsi mekanis yang tetap, bukan sesuatu yang berubah selama pengoperasian.

Geometri vs. Kemiringan Adaptif: Perbedaan Tanah-Lancip dengan Kemiringan-Pad

Alternatif utama untuk desain tanah berbentuk kerucut adalah bantalan dorong tiltpad (Michell/Kingsbury). Dalam desain ini, setiap bantalan dipasang pada poros. Gasket dapat dimiringkan dan dimiringkan sesuai dengan kondisi pengoperasian dan gerakan pelari.

Gerakan yang dapat-menyesuaikan diri ini memungkinkan paking menemukan sudut paling optimal selama pengoperasian. Ini membantu bantalan membentuk lapisan oli yang stabil pada berbagai kecepatan dan beban.

Perbedaan antara kedua desain tersebut mencerminkan kelebihan dan keterbatasan bantalan tanah berbentuk kerucut:

Taper tetap merujuk pada efisiensi tertinggi-land Thrust Bearing pada titik kerja desain. Karena kecepatannya jauh lebih rendah dari yang dirancang, lapisan hidrodinamik menjadi tipis dan bantalan dilumasi mendekati batas-transisi pelumasan campuran-yang dijelaskan di bawah.

Kapasitas Beban, Kecepatan, dan Nomor Sommerfeld

Kapasitas beban bantalan dorong tanah yang lancip-berskala dengannomor bantalan(terkadang disebut nomor Sommerfeld untuk bantalan dorong), didefinisikan sebagai:

S=μNP(Rc)2S=PμN​(cR​)2

Di manaNadalah kecepatan rotasi (rev/s),Padalah tekanan bantalan rata-rata (beban ± luas yang diproyeksikan),Radalah radius karakteristik, dancadalah izin referensi terkait denganh₂. Untuk geometri tertentu, kapasitas beban kira-kira sebanding denganμNU- artinya daya dukung berskala linear dengan kecepatan.

Kisaran kapasitas beban praktis untuk bantalan dorong tanah lancip-dalam layanan industri (Boyd dan Rowe, 1982; Wilcock dan Booser, 1957):

Jika Anda melebihi batas tetapi tidak meningkatkan viskositas atau kecepatan dengan jumlah yang sama, maka film akan runtuh dan Anda mendapatkan pelumasan batas. Jika Anda melaju di bawah kecepatan minimum, bantalannya terlalu besar untuk memuat beban. Hal ini menimbulkan masalah lain: oli tidak masuk dan menyapu zona lancip dengan cukup merata, sehingga suhu tidak merata di seluruh lebar pad.

Geometri Alur dan Manajemen Termal

Setiap landasan tanah yang lancip-dipisahkan dari landasan berikutnya melalui alur drainase melingkar. Alur ini memiliki dua fungsi: menghilangkan oli panas dari tepi belakang salah satu bantalan, dan mengalirkan oli dingin ke bagian depan bantalan berikutnya. Pertukaran oli ini adalah cara utama untuk mengontrol panas dalam desain lahan yang lancip-. Karena bantalan tanah lancip-tidak memiliki pelumasan terarah seperti bantalan-bantalan miring, sehingga bantalan tersebut bergantung pada turbulensi alur untuk mencampurkan oli panas dan dingin sebelum masuk ke lancip berikutnya.

Lebar alur biasanya 15–25% dari total jarak bantalan. Alur yang lebih sempit membuat jarak antar bantalan menjadi lebih kecil, sehingga menggunakan ruang dengan lebih baik. Namun hal tersebut juga mengganggu pencampuran minyak dan membuat-suhu berlebih menjadi lebih besar. Temperatur carry-over adalah temperatur oli yang masuk ke dalam taper dibandingkan dengan temperatur pasokan. Ettles (1969) menunjukkan bahwa fraksi bawaan dapat menyebabkan kenaikan suhu film sebesar 40–70% pada desain lahan lancip ketika kecepatan permukaan pelari melebihi 50 m/s. Jadi ini sangat menurunkan viskositas efektif dan kemudian menurunkan kapasitas beban.

Pada kecepatan periferal tinggi di atas 60 m/s, pemanasan kental menjadi batas desain utama, bukan beban. Temperatur suplai oli biasanya harus tetap pada 40–49 derajat dengan oli turbin ISO VG 32–46. Hal ini untuk menjaga suhu puncak film di bawah 95–100 derajat. Suhu tersebut adalah titik di mana kerusakan termal pada paket aditif oli semakin cepat.

Mekanisme-Kecepatan dan Mulai-Kegagalan Hentikan Rendah

Keterbatasan terbesar dari desain tanah berbentuk kerucut adalah cara kerjanya saat memulai, menutup, dan berlari pada kecepatan rendah. Karena tekanan film hidrodinamik bergantung pada kecepatan, tekanan bantalan rata-rata 2,0 MPa hanya dapat mencapai 20% 0,3–0,5 MPa pada kecepatan normal. Jika beban dorong yang diterapkan lebih besar dari kapasitas membran yang lebih rendah ini, ketebalan film minimum kurang dari jumlah kekasaran permukaan --biasanya 0,5 hingga 1,5 μm Ra untuk roda bantalan tanah --dan terjadi kontak asperitas.

Siklus menghidupkan dan mematikan yang berulang-ulang di bawah beban menyebabkan keausan yang stabil pada permukaan datar, yang tidak dapat diperbaiki. Berbeda dengan bantalan tiltpad, dimana sedikit keausan pada poros masih dapat membuat bantalan kembali ke posisi semula, keausan pada area datar pada lantai berbentuk kerucut secara langsung mengurangi area tekanan dan kemudian mempercepat kerusakan yang lebih besar. Uji keausan empat-bola ASTM D-4998 biasanya digunakan untuk menguji kinerja aditif anti-aus oli pada kondisi awal dan penghentian pelumasan campuran. Hal ini karena aditif tekanan ekstrim pada oli memberikan satu-satunya dukungan beban ketika lapisan hidrodinamik belum terbentuk.

Untuk mesin yang sering dihidupkan dengan beban-seperti pompa berpenggerak motor yang berputar beberapa kali per shift-opsi bantalan miring harus dipertimbangkan. Sebagai alternatif, spesifikasi tanah berbentuk kerucut harus mencakup sistem pengangkatan hidrostatik untuk mendorong minyak secara eksternal ke dalam film dengan kecepatan rendah.

Ringkasan Penerapan Praktis

Konsep bantalan bantalan dorong bertingkat terutama diwujudkan dalam tiga aspek berikut:

1.Bentuk baji konvergen-Dipotong menjadi saluran masuk lancip pada h1/h2 busur 2.2, sehingga menghasilkan tekanan hidrodinamik melalui mekanisme Reynolds.

2. Tanah datar -60-70 persen panjang paking-menyediakan area bertekanan untuk menahan beban aksial.

3. Saluran pembuangan-Ini menyediakan oli yang lebih dingin untuk kerucut berikutnya dan menghentikan viskositas membran pengurai termal.

Tak satu pun dari ketiga parameter tersebut dapat diubah, karena setiap perubahan parameter memengaruhi ketiga nilai kinerja: kapasitas beban, suhu film, dan ketebalan film minimum. Oleh karena itu, para insinyur harus memulai dengan tekanan bantalan rata-rata pada kecepatan normal ketika memilih perangkat ground berbentuk kerucut untuk mesin tertentu. Mereka kemudian harus memeriksa apakah nomor Sommerfeld yang cocok menempatkan bantalan dalam keadaan membran penuh. Mereka kemudian harus memastikan bahwa frekuensi start-stop dan suhu pasokan sistem pelumasan bekerja dalam batas geometrik yang tetap. Hal ini karena, tidak seperti desain bantalan pivot, bantalan tanah berbentuk kerucut tidak dapat memperbaiki kondisi pengoperasian desainnya sendiri.

Referensi

• Reynolds, O. (1886). Tentang teori pelumasan dan penerapannya pada eksperimen Mr. Beauchamp Tower, termasuk eksperimen penentuan viskositas minyak zaitun.Transaksi Filsafat Royal Society of London, 177, 157–234.
• Boyd, J., & Rowe, WB (1982).Tribologi: Prinsip dan Aplikasi Desain. Pers Macmillan.
• Wilcock, DF, & Booser, ER (1957).Desain dan Aplikasi Bantalan. McGraw-Bukit.
• Ettles, CMM (1969). Oli panas terbawa-dalam bantalan dorong.Prosiding Lembaga Insinyur Mekanik, 184(12), 75–81.
• Hamrock, BJ, Schmid, SR, & Jacobson, BO (2004).Dasar-dasar Pelumasan Film Cairan(edisi ke-2). Marcel Dekker.
• Frêne, J., Nicolas, D., Degueurce, B., Berthe, D., & Godet, M. (1997).Pelumasan Hidrodinamik: Bantalan dan Bantalan Dorong. Elsevier.
• Khonsari, MM, & Booser, ER (2008).Tribologi Terapan: Desain dan Pelumasan Bantalan(edisi ke-2). Wiley.
• Szeri, AZ (2011).Pelumasan Film Cairan(edisi ke-2). Pers Universitas Cambridge.
• ASTM D4998-22.Metode Uji Standar untuk Mengevaluasi Karakteristik Keausan Cairan Hidraulik Traktor. ASTM Internasional.
• ISO 12168-1:2001.Bantalan biasa - Beban statis-kapasitas dukung bantalan kerah dorong hidrodinamik tanpa bantalan miring. ISO.
• Stachowiak, GW, & Batchelor, AW (2014).Tribologi Teknik(edisi ke-4). Butterworth-Heinemann.