Speciální typy ložisek 1

Speciální typy ložisek

1

Speciální typy ložisek I) Aerodynamická ložiska Aerodynamická ložiska pracují na podobném principu jako ložiska hydrodynamická, pouze s tím rozdílem, že procesním médiem je místo kapaliny plyn. Tlak v ložiskové mezeře, který nese zatížení působící na ložisko, je generován pouze vzájemným pohybem kluzných ploch, na rozdíl od aerostatických ložisek, u nichž je nutný přívod tlakového plynu z vnějšího zdroje. Vzhledem k tomu, že rozdíl mezi dynamickou viskozitou běžných olejů a většiny plynů je zhruba 3 řády, je nutno počítat i s přiměřeně menší únosností a tuhostí aerodynamických ložisek ve srovnání s hydrodynamickými ložisky. Tento handicap lze kompenzovat zvětšením rozměrů ložisek při současném zachování příznivých třecích ztrát, které jsou dány rovněž výrazně menší viskozitou plynů. Větší průměr ložisek se příznivě projeví i na tuhosti rotoru a tedy i na jeho ohybových kritických otáčkách. Z hlediska konstrukce stroje je to výhodné, protože rotor na aerodynamických ložiskách nemůže vzhledem malému útlumu ložisek přejíždět ohybové kritické otáčky. V dalším textu jsou stručně popsány jednotlivé typy aerodynamických ložisek, jejich vlastnosti a možnosti použití A) Radiální ložiska 1) Ložisko kruhového průřezu: prakticky nepoužitelné s ohledem na nízkou mez stability

2) Ložisko se spirálními drážkami: v praxi je používáno, ale jeho technologie výroby je poměrně náročná. Je použitelné pouze při velmi malé ložiskové vůli, což zvyšuje nároky na přesnost výroby a ustavení ložisek.


2

3) stupňovité ložisko: prakticky nepoužívané pro velmi obtížnou technologii výroby

4) Fóliové ložisko: v praxi jeden z nejvíce rozšířených typů aerodynamického ložiska. Ložisko není příliš náročné na přesnost výroby a proto je vhodné i pro hromadnou výrobu. Geometrie ložiskové mezery se přizpůsobuje provozním podmínkám, protože tlak generovaný v plynovém filmu fólii deformuje. a) s taženou fólií b) s ohýbanou fólií nevhodná geometrie plynové nosné vrstvy, kterou lze jen velmi málo ovlivnit

c) s podpěrnou fólií (tzv. bumpfoil): je výrobně náročnější, ale má výhodné dynamické vlastnosti, vyplývající z přídavného tlumení třením mezi podpěrnou fólií a ložiskovou fólií tvořící kluznou plochu. Je relativně hodně používáno, přestože je s ohledem na velmi malou tloušťku ložiskové fólie poměrně snadno zranitelné.


3

d) Skutečné provedení s řízeným tvarováním fólie: tvar fólie je dán polohou výztuhy 2, která je zachycena ve vybrání vodicího kroužku 3, čímž je rovněž nastavena základní vůle ložiska. Na rozdíl od dříve popsaných typů fóliových ložisek je rozběh snadnější, protože fólie není přitlačována k čepu. Tvar mezery mezi fólií a čepem však není zdaleka optimální, což se projevuje i na vlastnostech ložiska.

5) Ložisko s naklápěcími segmenty: nejčastěji používaný typ aerodynamického ložiska, vyznačující se s výbornými dynamickými vlastnostmi, vyplývajícími z velmi malých vedlejších prvků tuhostní matice. Segmentová ložiska jsou schopna zajistit stabilitu rotoru téměř za všech podmínek. Aby se na kluzné ploše segmentu mohl vytvořit dostatečně únosný plynový film, mají aerodynamická ložiska na rozdíl od hydrodynamických ložisek pouze 3 segmenty. a) nejběžnější typ: segmenty 2 se naklápějí na polokulových zakončeních podpěr 3, jejichž poloha je nastavena pomocí zátek 4. V místě podepření dochází k opotřebení vlivem mikropohybů segmentů v důsledku kmitání rotoru.

b) skutečné provedení aerodynamického ložiska s naklápěcími segmenty: segment 2 je uložen na příčném čepu podepřeném ve vybrání podpěry 3, takže se může naklápět v obvodovém i příčném směru. Jeden ze segmentů (při vodorovné ose rotace obvykle horní segment) je opatřen systémem odpružení, který umožňuje radiální posun


4

segmentu, pokud se vůle zmenší na příliš malou hodnotu, např. v důsledku teplotních dilatací. Vzájemnou polohou šroubu 9 a dorazu 6 se nastaví základní ložisková vůle a předpětí pružiny umožňující posun segmentu.

6) Ložisko s naklápěcími segmenty na pružných elementech: spojuje výhody ložisek s naklápěcími segmenty, tj. vysokou odolnost proti nestabilitě, s přednostmi fóliových ložisek, spočívající v přídavném útlumu, který vzniká vytlačováním vnějšího a vnitřního plynového filmu a třením fólií po vnitřním povrchu ložiskového tělesa. Ložisko má proto výborné dynamické vlastnosti a přitom je výrobně relativně nenáročné. Stejně jako u ložiska sub 5b) lze maticí 6 nastavit při montáži základní ložiskovou vůli, pružnost fólie umožňuje opět posunutí segmentu v případě rázového zatížení nebo při přílišném zmenšení vůle v důsledku teplotních dilatací.


5

B) Axiální ložiska 1) Ložisko se spirálními drážkami: nejpoužívanější typ axiálního aerodynamického ložiska. Výroba je relativně jednoduchá, ložisko má ze všech typů nejvyšší únosnost. Hloubka drážek se pohybuje v jednotkách až desítkách µm, stejně jako minimální tloušťka plynového filmu. Vlevo ložisko s otvorem pro průchod hřídele (typ „O“), vpravo ložisko bez otvoru (tzv. „blocked centre“, typ „P“). Únosnost typu „P“ je téměř 3x vyšší než u typu „O“, jeho použití je však velmi omezené (umístění na konci rotoru).

2) Stupňovité / kapsové ložisko: málo používané, přestože jeho výrobní technologie je méně náročná než u radiálního ložiska. Uplatní se ve znečištěném prostředí, kde může docházet k ucpávání spirálních drážek. Kapsové ložisko má stupně uzavřené z obou stran, tj. na vnitřním i vnějším průměru. Hloubka stupňů/kapes je srovnatelná s hloubkou spirálních drážek.

3) Fóliové: princip: tenká fólie je podepřena silnější fólií deformovanou tak, aby se vytvořilo několik ploch klínového tvaru


6

82

72

skutečné provedení s možností regulované deformace fólie: posouváním růžice 2 se mění deformace podpěrné fólie a tím i tvar mezery mezi fólií a diskem axiálního ložiska. Ložisko bylo funkčně odzkoušeno.

Příklady aplikací aerodynamických ložisek Aerodynamická ložiska našla širší pole pro aplikaci ve dvou oblastech. Byla to jednak cirkulační dmychadla, např. pro plynem chlazené reaktory, jednak gyroskopy pro letectví a kosmonautiku. Cirkulační dmychadla Cirkulátory zajišťovaly oběh chladicího plynu reaktorem nebo smyčkou pro čištění plynu. Výkony hnacích motorů se pohybovaly v desítkách až stovkách kW, otáčky od 10.000 do 25.000 min-1. V převážné většině případů byl rotor uložen v aerodynamických ložiskách se 3mi naklápěcími segmenty, aerodynamická axiální ložiska byla rovněž segmentová nebo se spirálními drážkami. Pracovním médiem bylo většinou helium nebo CO2. Přestože tyto stroje pracovaly při relativně velmi vysokých teplotách (i přes 500°C), dosahovaly velkou spolehlivost a značnou trvanlivost – i více než 25.000 hod bezproblémového provozu. Typické příklady těchto cirkulátorů jsou uvedeny na obr. 1-1 a 1-2 [1].

. Obr. 1-1 Cirkulátor helia Union Carbide, 150 kW


7

Obr. 1-2 Cirkulátor CO2; 190 kW, 11.500 min-1 Reaktory chlazené plynem byly později z bezpečnostních důvodů vytlačeny tzv. vodo-vodními reaktory, takže potřeba cirkulátorů plynu a tedy i jejich další vývoj byly silně omezeny. V posledních letech se však intenzivně pracuje na vývoji tzv. vysokoteplotních reaktorů (HTR, ev. VHTR – very high temperature reactors). Tyto reaktory jsou chlazeny opět plynem o teplotě až 1000°C. Pro tyto extrémní podmínky bude nutno vyvinout novou generaci cirkulačních dmychadel. Prakticky jedinou alternativou jsou stroje s aerodynamickým uložením, protože použití hydrodynamických nebo magnetických ložisek v těchto podmínkách je těžko představitelné. Ani pro aerodynamická ložiska nejsou provozní podmínky HTR jednoduché, ale problémem bude pouze nalezení vhodných materiálů pro takto vysoké teploty. S ohledem na dynamickou viskozitu plynů rostoucí s tlakem a teplotou lze dosáhnout vyšší únosnosti, tuhosti a útlumu ložisek než v obvyklých podmínkách. Na obr. 1-3 je zachycen cirkulátor zkušebního zařízení HENDEL [2], které je instalováno v Japonském výzkumném ústavu pro atomovou energii. Cirkulátor má otáčky regulované v rozmezí 3.000 až 12.000 min-1 a výkon motoru 119 až 139 kW. Rotor o hmotnosti 140 kg je uložen ve dvou radiálních aerodynamických ložiskách s naklápěcími segmenty o průměru 160 mm, axiální ložisko je rovněž segmentové. Maximální teplota dopravovaného plynu je 400°C, maximální tlak činí 4,5 MPa a dopravované množství činí 4 kg/s.

Obr. 1-3 Cirkulátor helia firmy ALSTHOM RATEAU pro výzkum vysokoteplotních reaktorů


8

Gyroskopy Dalším oborem, ve kterém se aerodynamická ložiska v širším měřítku uplatnila, jsou gyroskopy. Typické provedení aerodynamického uložení gyroskopu je zřejmé z obr. 1-4 [2].

Obr. 1-4. Aerodynamické uložení gyroskopu [2].

Obr. 1-5. Aerodynamické uložení gyroskopu [2]


9

V obvyklém řešení byl gyroskop uložen v jednom aerodynamickém radiálním ložisku a jeho axiální poloha byla zajištěna dvěma axiálními ložisky po stranách, tzv. „H“ uspořádání (obr. 1-4 a 1-5). Pro zajištění stability bylo nutno použít nekruhový tvar kluzné plochy radiálního ložiska nebo vytvořit na čepu spirální drážky (viz A2), axiální ložiska byla obvykle opatřena spirálními drážkami na stacionárním nebo rotujícím členu (viz B1). V některých případech bylo pro uložení gyroskopu použito sférické ložisko (obr. 1-6 převzatý z [2]), které zajišťovalo funkci radiálního i axiálního ložiska. Výhodou bylo zjednodušení konstrukce, ale výrazně stouply nároky na technologii a přesnost výroby.

Obr. 1-6 Uložení gyroskopu ve sférických ložiskách


10

Aplikace aerodynamických ložisek realizované v ČR 1. Expanzní turbiny pro zkapalňování helia: Jednou z prvních a zároveň nejúspěšnějších aplikací aerodynamických ložisek bylo uložení rotoru expanzní turbiny pro zkapalňování hélia (obr. 1-7).

Obr. 1-7 Heliová expanzní turbina Rotor 1 poháněný oběžným kolem 6 je uložen ve dvou radiálních aerodynamických ložiskách s naklápěcími segmenty 2 a jeho axiální polohu zajišťují axiální aerodynamická ložiska se spirálními drážkami 3. Konstrukce radiálních ložisek, umožňující nastavování vůle ložisek při montáži a naklápění segmentů ve směru obvodu i v příčném směru je patentována. Otáčky rotoru jsou regulovány elektrickou brzdou 5 pracující na principu vířivých proudů. Provozní podmínky jsou velmi náročné; nejde jen o velmi vysoké otáčky, ale také o extrémně nízké teploty v místě oběžného kola dosahující až 5 K (-268ºC). Z počátku měly rotory expanzních turbin otáčky 230.000 až 250.000 min-1. Postupným vývojem došlo ke zvýšení provozních otáček až na 350.000 min-1. Současně s vývojem uložení musely být řešeny i otázky technologie výroby a vyvažování rotoru [např. 4]. Byly vyrobeny řádově desítky expanzních turbin různých modifikací a spolehlivost jejich uložení byla ověřena dlouhodobým bezporuchovým provozem. O náročných provozních podmínkách svědčí mj. maximální obvodová rychlost na vnějším obvodu axiálních ložisek, která v některých případech přesahuje 450 m/s (1,4 násobek rychlosti zvuku). 2. Rychloběžná dmychadla Za další úspěšnou aplikaci aerodynamických ložisek lze považovat uložení rotorů rychloběžných dmychadel různých velikostí a výkonů pro otáčky až 110.000 min-1. Tato dmychadla používají podobný způsob uložení jako expanzní turbiny. Na obr. 1-8 je uvedeno typické provedení dmychadla s aerodynamickým uložením a pohonem vysokofrekvenčním motorem [5]. Radiální ložiska 2 mají 3 naklápěcí segmenty, jejichž polohy vzhledem ke středu ložiska lze přestavovat pomocí podpěrných elementů, takže lze nejen měnit vůli, ale i posouvat osu ložiska. V ložiskách je aplikován systém pružného podepření jednoho segmentu (viz A5b), který umožňuje radiální posuv segmentu v případě, že se vůle snížila pod bezpečnou hodnotu. Axiální síly směřující k oběžnému kolu jsou zachyceny aerodynamickým axiálním ložiskem se spirálními drážkami 4. Náhodné síly opačného směru jsou zachyceny pomocným ložiskem 5,


11

které slouží zároveň jako bezkontaktní ucpávka umožňující regulaci zatížení hlavního axiálního ložiska. Dmychadlo s příkonem 9 kW umožňuje při provozních otáčkách 90.000 min-1 dodávat plyn v množství až 450 Nm3/hod. Průměr radiálních ložisek tohoto stroje je 36 mm, axiální aerodynamické ložisko 4 má průměr 64 mm.

Obr. 1-8 Dmychadlo o výkonu 9 kW s provozními otáčkami 80.000 min-1

( 52)

( 38)

Podobnou konstrukci mají menší dmychadla o výkonu 3, resp. 5 kW s provozními otáčkami 70.000, resp. 110.000 min-1.

Obr. 1-9 Cirkulační dmychadlo argonu pro výzkumné středisko CERN Pro zkušební okruh výzkumného střediska CERN byla dodána dvě cirkulační dmychadla argonu s velmi přísnými požadavky na čistotu plynu. Vinutí statoru je proto zcela odděleno od prostoru, v němž se vyskytuje přepravovaný plyn. Větší ze strojů s výkonem motoru 6,3 kW a provozními otáčkami 77.000 min-1 je zachycen na obr. 1-9 [5]. Menší dmychadlo mělo výkon 2,5 kW a provozní otáčky 55.000 min-1. Oba stroje jsou dlouhodobě v provozu.


12

V rámci grantového projektu AV ČR bylo navrženo a ověřeno aerodynamické uložení rotoru dmychadla o výkonu 100 kW s provozními otáčkami 18.000 min-1 (obr. 1-10).

Obr. 1-10 Dmychadlo o výkonu 100 kW Původní uložení rotoru v keramických valivých ložiskách, které nemělo potřebnou trvanlivost, bylo nahrazeno aerodynamickým uložením; radiální ložiska mají průměr 120 mm, hlavní axiální ložisko má vnější průměr 250 mm. Axiální ložisko s relativně velkým průměrem se stalo zdrojem obtíží, protože se nepodařilo dosáhnout potřebné přesnosti ustavení jeho disku. Přestože bylo původně pevně uchycené axiální ložisko uloženo do kardanového závěsu, při otáčkách nad 14.000 min-1 docházelo vlivem házení disku k rozkmitání závěsu a kontaktům kluzných ploch v axiálním ložisku. Radiální aerodynamická ložiska pracovala bez problémů až do maximálních otáček, přičemž k úplnému „vyplavání“ (oddělení kluzných ploch vzduchovým filmem) rotoru o hmotnosti cca 50 kg docházelo již při otáčkách cca 1500 min-1. 3. Aerodynamické uložení silového gyroskopu Gyroskop určený pro stabilizaci sanitního lehátka (obr. 1-11) je navržen pro otáčky 40.000 min-1. Je uložen v aerodynamických radiálních ložiskách s naklápěcími segmenty 3, které jsou uloženy na pružných elementech 4. Vzhledem ke svislé ose rotace a relativně velké hmotnosti gyroskopu 2 (3,5 kg) bylo nutno spodní axiální ložisko 7 řešit jako aerostatické, tj. s přívodem stlačeného vzduchu z vnějšího zdroje. Toto provedení ulehčí rozběh, neboť pohon gyroskopu stlačeným vzduchem má omezený rozběhový moment. Proud vzduchu ze čtyř tangenciálně orientovaných trysek naráží na lopatky vyfrézované na vnějším obvodu gyroskopu, což při kritické výtokové rychlosti vzduchu umožňuje dosáhnout výkonu více než 50 W. Výchylky gyroskopu jsou sledovány dvojicí relativních snímačů na vnějším obvodu. Pružné uložení segmentů zmírňuje rázy působící na rotor při jízdě vozidla po nerovném povrchu. Obr. 1-11 Uložení silového gyroskopu


13

II) Aerostatická ložiska Aerostatická ložiska potřebují pro svou činnost vnější zdroj stlačeného plynu; proto mohou pracovat i bez jakéhokoli vzájemného pohybu kluzných ploch. Plynový film s relativně vysokou tuhostí dokonale odděluje kluzné plochy a kompenzuje jejich nerovnosti, takže je dosaženo vysoké přesnosti běhu. Předností aerostatických ložisek jsou rovněž nízké ztráty třením a z toho vyplývají malý vývin tepla. A) Radiální ložiska 1) S diskrétními plnicími otvory: nejběžnější typ aerostatického radiálního ložiska; stlačený plyn je do ložiska přiváděn vrtanými otvory, uspořádanými v jedné nebo dvou řadách po obvodu ložiska

2) S pórovitou kluznou plochou: stlačený plyn je přiváděn póry v materiálu výstelky (např. neimpregnovaný elektrografit, spékaný bronz), tedy po celé kluzné ploše. Využití plynu je efektivnější, jeho spotřeba je tedy menší, únosnost ložiska je díky přívodu plynu po celé ploše vyšší. Je možno také kombinovat pórovitý materiál s vrtanými otvory a tím dosáhnout optimálních vlastností ložiska. radiální

+0,01

+0,01

radi-axiální

3) S plnicí spárou: stlačený plyn vstupuje do ložiska úzkou spárou v jedné nebo dvou rovinách po šířce ložiska. Šířka drážky je velmi malá (řádově 0,01 mm), což lze


14

+0,01

prakticky realizovat pouze u axiálně dělené výstelky, kde je spára vytvořena vytvořením drážky v jedné polovině výstelky,

B) Axiální ložiska 1) S diskrétními otvory: podobně jako u radiálního ložiska vstupuje plyn do ložiska malými otvory - tryskami; ložisko bez otvoru pro průchod hřídele může mít jen jednu centrální trysku, mezikruhové ložisko má několik trysek uspořádaných na roztečné kružnici a) mezikruhové s několika otvory na kružnici b) s centrální tryskou a kapsou

Ložisko s centrální tryskou má vyšší únosnost, ale je použitelné jen u omezeného počtu aplikací rotačních strojů, protože axiální síla směřující vesměs k oběžnému kolu vyžaduje provedení s otvorem, podobně jako u aerodynamických axiálních ložisek.


15

Příklady aplikací aerostatických ložisek K největším přednostem aerostatických ložisek patří poměrně vysoká tuhost, vysoká přesnost běhu a skutečnost, že ani při rozběhu a doběhu nedochází ke kontaktům kluzných ploch a tedy ani k jejich opotřebení. Z těchto vlastností vyplývají dvě největší oblasti uplatnění, a to obráběcí stroje a měřicí přístroje. Z měřicích přístrojů lze uvést zejména třísouřadnicové měřicí stroje, u kterých jsou používána jak rovinná aerostatická ložiska pro lineární posuvy, tak radiální ložiska pro otočná vřetena. A) Brousicí vřetena Vzduchová vrstva, která odděluje kluzné plochy, vyrovnává nerovnosti těchto ploch a tak zajišťuje vysokou přesnost běhu vřetena. Běžně dosažitelné jsou hodnoty házení do 0,1 µm. Nízké třecí ztráty v ložiskách umožňují dosahovat vysokých otáček, což má význam zejména při broušení vnitřních ploch. Na obr. 2-1 je řez vřetenem pro vnitřní broušení s pneumatickým pohonem [7], které pracuje při otáčkách až 140.000 min-1. Vřeteno je uloženo ve dvou radiálních ložiskách, jejichž vnější čelní plochy fungují jako axiální ložiska. Pohon zajišťuje vzduchová turbinka 7 na převislém konci vřetena.

Obr. 2-1 Brousicí vřeteno s pneumatickým pohonem Naproti tomu u vřetena s elektrickým pohonem (obr. 2-2) [7] musí být pohon vzhledem na podstatně vyšší hmotnosti elektromotoru umístěn mezi radiálními ložisky. Dvoustranné axiální ložisko se nachází na straně pro upínání nástroje.

Obr. 2-2 Brousicí vřeteno s elektrickým pohonem Brousicí vřeteno pro vnější broušení [8] může mít s ohledem na větší průměr brusného kotouče podstatně nižší otáčky. Na obr. 2-3 je vřeteno s elektrickým pohonem pro otáčky 1500 min-1.


16

S ohledem na vyšší zatížení má ložisko u brusného kotouče větší průměr a zároveň je tak zajištěna dostatečná ohybová tuhost vřetena. Axiálně je vřeteno vedeno axiálními aerostatickými ložisky umístěnými u obou radiálních ložisek.

Obr. 2-3 Vřeteno pro vnější broušení Vzhledem k tomu, že aerostatická ložiska oddělují kluzné plochy i za klidu nebo při minimální rychlosti vzájemného pohybu kluzných ploch, jsou ideálním řešením pro vedení obráběcích strojů (obr. 2-4) [7] .

Obr. 2-4 Aerostatické vedení obráběcího stroje Vysokou přesnost a minimální pasivní odpory aerostatických ložisek lze využít také u otočných stolů obráběcích strojů (obr. 2-5) [7].

Obr. 2-5 Otočný stůl s aerostatickým uložením


17

Aplikace aerostatických ložisek v ČR Vrtací vřeteno pro tištěné spoje: Vřeteno s otáčkami 125.000 min-1 (obr. 2-6) bylo navrženo pro vrtání malých otvorů v plošných spojích [9]. Kotva elektromotoru je umístěna mezi radiálními ložisky, dvoustranné axiální ložisko je na volném konci rotoru. Pro účely testování bylo vřeteno osazeno relativními snímači kmitání 12.

Obr. 2-6 Vřeteno pro vrtání tištěných spojů Spřádací vřetena: V 80. letech bylo vyvinuto a provozně odzkoušeno aerostatické uložení spřádací komory pro otáčky až 90.000 min-1. S ohledem na vysokou spotřebu stlačeného vzduchu však nebyla zahájena sériová výroba a spřádací komory byly nadále ukládány na valivých ložiskách s vysokou hladinou hluku. Na obr. 2-7 je zachyceno spřádací vřeteno pro otáčky 50.000 min-1, které má s ohledem na minimalizaci spotřeby vzduchu radiální i axiální ložiska s kluznou plochou z pórovitého materiálu.

Obr. 2-7 Spřádací vřeteno s pórovitými ložisky

Obr. 2-8 Vřeteno se vzduchovým pohonem

Pro snížení výrobní náročnosti a rozměrů bylo navrženo aerostatické uložení spřádacího vřetena s pohonem vzduchovou turbinkou (obr. 2-8). Vřeteno pro otáčky 60.000 - 130.000 min-1 bylo uloženo v kuželovém radiálním ložisku, čímž byla zároveň zachycena axiální síla směrem


18

vzhůru. Tíha vřetene byla zachycena mezikruhovým axiálním ložiskem, pohon zajišťovala vzduchová turbinka se 4mi tangenciálními tryskami ofukujícími lopatky uspořádané na vnějším průměru vřetena. K průmyslové aplikaci nedošlo opět pro příliš vysoké nároky na spotřebu vzduchu. Zubní vrtačka: S cílem snížit hladinu hluku zubních vrtaček s miniaturními valivými ložisky bylo vyvinuto aerostatické uložení rotoru zubní vrtačky[10], které pracovalo při otáčkách 450.000 až 750.000 min-1 (obr. 2-9). Navržené řešení bylo patentováno a klinicky odzkoušeno. Ve srovnání s valivým uložením se otáčky zvýšily o více než 100% a hladina hluku se snížila pod požadovanou hranici 70 dB. Radiální a axiální ložiska průměru 7 mm měla při standardním přetlaku vzduchu 0,25 MPa relativně vysokou únosnost, která umožňovala zatížit nástroj silou až 1,2 N v radiálním a 3,4 N v axiálním směru. Pohon zajišťovala vzduchová turbinka s tangenciálními tryskami působícími na stěny radiálních otvorů v rotoru. Těmito otvory vzduch proudil dovnitř rotoru a axiálními otvory v jeho horní části odcházel zpět do rukojeti vrtačky.

Obr. 2-9 Uložení rotoru zubní vrtačky Demonstrační vřeteno: Pro demonstraci jevů z rotorové dynamiky, zejména nestability rotoru, bylo navrženo zařízení s aerostatickými ložisky [11], zachycené na obr. 2-10. Radiální ložiska 5 se dvěma řadami trysek mají průměr 30 mm. Pohon vysokofrekvenčním elektromotorem 3 na převislém konci rotoru umožňuje dosáhnout otáček až 60.000 min-1. Relativní snímače 15 umožňují sledovat chování rotoru za běhu.

Obr. 2-10 Zařízení pro demonstraci jevů z rotorové dynamiky


19

III) Magnetická ložiska Podobně jako plynová ložiska mohou být magnetická ložiska výborným řešením pouze pro specifické provozní podmínky. Nejdůležitější vlastností magnetických ložisek je možnost aktivního ovlivňování jejich vlastností za provozu. 1) Pasivní: rotor i stator jsou opatřeny několika kroužky z permanentních magnetů. Magnetický obvod se uzavírá přes pouzdro z magnetického materiálu. Pro uložení rotoru nelze použít pouze pasivní ložiska, alespoň 1 ložisko (i axiální) musí být řešeno jako aktivní princip:

skutečné provedení: pro rotor zkušebního VF elektromotoru


20

2) Aktivní (AML): princip: čep je vracen do středu ložiska působením elektromagnetů, které jsou řízeny na základě údajů relativních snímačů polohy. Řídicí systém umožňuje i statické posunutí osy rotace, což lze využít např. u brousicích vřeten.

axiální AML

radiální AML

Pro případ výpadku proudu nebo selhání řídicího systému musí být rotor vybaven tzv. záchytnými valivými ložisky (viz auxiliary bearings v pravém obrázku), která jsou za běhu nefunkční a do nichž rotor „spadne“. Zachycení rotoru, který má desítky tisíc otáček do stojících ložisek je velmi náročné a záchytná ložiska pro vydrží pouze několik nouzových doběhů. princip řízení


skutečné provedení AML: ložiska firmy S2M

dalšími producenty AML v Evropě jsou firmy: Waukesha Magnetic Bearings, Worthing, West Sussex , UK Mecos Traxler AG, Winterthur, Switzerland SKF Magnetic Bearings Göteborg, Sweden

21


Literatura: [1] Sternlicht, B.: Gas-Bearing Turbomachinery Trans. ASME, J. of Lubr. Technology, No. 4, vol. 90, 1968, p. 665 [2] Patterson, A. G.: Review of Gas-Bearing Gyro Development in the United Kingdom Trans. ASME, J. of Lubr. Technology, No. 4, vol. 90, 1968, p. 741 [3] Shimomura, H., et al.: Operating experience of gas bearing helium circulators in HTGR development facility [4] Šimek, J.-Korec, L.: Vývoj technologie vyvažování rotorů expanzních turbin Technická zpráva TECHLAB č. 97-2401 [5] Šimek, J.: Návrh aerodynamického uložení rotoru dmychadel o výkonu 5 a 9 kW Technická zpráva TECHLAB č. 01-407 a 02-416 [6] Šimek, J.: Návrh aerodynamického uložení rotoru Ar cirkulátoru o výkonu 6,3 kW Technická zpráva TECHLAB č. 05-407 [7] Wiemer, A.: Luftlagerung, Veb Verlag Technik Berlin, 1969 [8] Grassam, N. S.- Powell, J. W.: Gas Lubricated Bearings, London, Butterworths, 1964 [9] Šimek, J.: Aerostatické uložení vrtacího vřetena Technická zpráva TECHLAB č. 01-403 [10] Šimek, J.: Vývoj uložení a pohonu zubní turbinové vrtačky Výzkumná zpráva č. SVÚSS 76-06006 [11] Šimek, J.: Konstrukce zařízení pro demonstraci jevů z rotorové dynamiky Technická zpráva TECHLAB č. 04-404

22

Speciální typy ložisek 1

Recommend Documents