Плавучий підшипник турбіни підтримує вал на плівках оливи. Розуміння їхньої роботи допомагає оцінити зношення, порівняти ремкомплекти та вибрати CHRA для заміни.
Що саме підтримує підшипник ковзання
Щоб зрозуміти, як працюють плавучі підшипники турбіни, розгляньмо спільний обертовий вал турбінного та компресорного коліс. Усередині центрального корпусу радіальні підшипники обмежують поперечні переміщення вала, водночас забезпечуючи його обертання з малим тертям. Гладкі ділянки поверхні вала, що працюють усередині цих підшипників, називають шийками.
У підшипнику ковзання турбокомпресора рухомі поверхні розділяє олива, а не кульки. За нормальних умов роботи, коли сформувалася гідродинамічна плівка, прямого контакту металевих поверхонь шийки та підшипника немає.
Обертання затягує оливу в зазор, що звужується між шийкою та підшипником, центри яких дещо зміщені один відносно одного. У цьому клині оливи виникає тиск, який сприймає навантаження. Так утворюється гідродинамічна підіймальна сила: рух поверхонь допомагає створювати тиск, що їх розділяє.
Система мащення двигуна поповнює оливу в підшипнику та відводить тепло, однак сам тиск подавання не пояснює, чому шийка не торкається підшипника. Значення мають обертання, в’язкість, навантаження та геометрія.
Під час запуску, зупинки або перебоїв у мащенні повного розділення поверхонь може не бути. Саме тому підшипник, розрахований на дуже мале зношення в робочому режимі, може зазнати серйозних пошкоджень через порушення подавання оливи.
Радіальні підшипники також виконують інше завдання, ніж упорний підшипник, який обмежує переміщення вздовж вала. Надмірний осьовий люфт потребує окремої перевірки упорного підшипника.
Як плавучий підшипник турбіни використовує дві плівки оливи
У турбокомпресорі з повністю плавучими підшипниками між шийкою вала та отвором центрального корпусу розташована кільцева втулка. Олива заповнює два робочі зазори:
- Внутрішній зазор: між шийкою вала та внутрішньою поверхнею втулки.
- Зовнішній зазор: між зовнішньою поверхнею втулки та отвором корпусу.
Олива надходить у ці проміжки каналами корпусу та через отвори або канавки підшипника — залежно від конструкції.
Втулка може вільно обертатися. Олива, яку захоплює вал, створює на її внутрішній поверхні рушійний крутний момент, тоді як зовнішня плівка оливи чинить опір обертанню. Частота обертання втулки встановлюється відповідно до рівноваги цих протилежних впливів.
Зазвичай втулка обертається в тому самому напрямку, що й вал, але з частотою, яка становить лише частину частоти обертання вала. Це співвідношення змінюється залежно від умов роботи: втулка не з’єднана з валом зубчастою передачею.
Завдяки обертанню втулки різниця швидкостей поверхонь по обидва боки внутрішньої плівки менша, ніж у разі нерухомої втулки. Це може зменшувати тертя у внутрішній плівці. Зовнішня плівка також створює тертя, тому загальні втрати в підшипнику залежать від усієї конструкції.
Обидві плівки передають зусилля. Внутрішня підтримує шийку відносно втулки, а зовнішня — втулку відносно корпусу, водночас забезпечуючи важливе демпфування. Під час поперечних переміщень вузла олива чинить їм опір і розсіює енергію коливань.
Переріз вала.
Внутрішня оливна плівка: між валом і кільцем.
Плаваюче кільце: розділяє дві оливні плівки.
Зовнішня оливна плівка: між кільцем і корпусом.
Спрощена схема, не в масштабі.
Чому плавучі підшипники так поширені в автомобільних турбокомпресорах
Підшипники ковзання з плавучими втулками забезпечують практичне поєднання вартості виготовлення, компактності, обмеження тертя та демпфування коливань. Ці переваги допомагають пояснити, чому плавучі підшипники автомобільних турбокомпресорів набули широкого застосування.
Їхні відносно прості деталі придатні для масового виробництва. Плівки оливи допускають невеликі робочі переміщення, а зовнішня плівка допомагає обмежувати коливання ротора за різних частот обертання та навантажень.
Виробничі допуски також мають значення. Конструктори добирають розміри та допустимі відхилення так, щоб підшипник працював з урахуванням очікуваних відмінностей виготовлення та змін температури. Це керування допусками, а не дозвіл складати вузол із приблизно підібраних деталей.
Працездатна конструкція має узгоджувати кілька взаємопов’язаних вимог:
- Достатня несуча здатність плівок оливи для обмеження переміщень вала.
- Достатнє демпфування для обмеження вібрації.
- Належна витрата оливи для мащення й охолодження підшипника.
- Прийнятні тертя та тепловиділення.
- Розміри, які можна стабільно відтворювати під час виготовлення.
Системи з кульковими підшипниками передбачають інші компроміси. Докладніше порівняння наведено в матеріалі «Турбокомпресори на кулькових підшипниках і підшипниках ковзання».
Повністю плавучі та напівплавучі підшипники турбіни: порівняння
Напівплавучий підшипник також має внутрішню та зовнішню плівки оливи, але його втулка зафіксована від обертання. Залежно від конструкції таку фіксацію забезпечує штифт або інший фіксувальний елемент, який водночас допускає передбачене невелике радіальне переміщення.
Вал обертається всередині втулки, яка не обертається. Зовні плівка оливи переважно працює як демпфер із витисканням оливи: невеликі поперечні переміщення витискають оливу через наявний зазор, створюючи опір коливанням.
| Характеристика | Повністю плавуча втулка | Напівплавучий підшипник |
|---|---|---|
| Обертання втулки | Дозволене; зазвичай повільніше за вал | Заблоковане фіксувальним елементом |
| Внутрішня плівка оливи | Між валом та обертовою втулкою | Між валом і втулкою, що не обертається |
| Зовнішня плівка оливи | Підтримує обертову втулку та демпфує її коливання | Переважно забезпечує демпфування завдяки витисканню оливи |
| Особливості тертя | Обертання втулки зменшує відносну швидкість у внутрішній плівці | Внутрішня плівка працює за повної відносної швидкості вала |
| Вимоги до заміни | Правильна геометрія втулки та зазори | Правильна геометрія втулки, зазори та фіксація від обертання |
«Напівплавучий» не означає, що підшипник частково зношений або має лише одну плівку оливи. Ця назва описує передбачену конструкцію підшипникового вузла.
Ці дві конструкції не стають взаємозамінними лише через зовнішню схожість деталей. Канали оливи, фіксувальні елементи та динамічні характеристики ротора мають відповідати початковому інженерному задуму.
На що впливають внутрішній і зовнішній зазори
Зазор у плавучому підшипнику турбіни — це передбачений конструкцією робочий проміжок. Замалий зазор може бути так само шкідливим, як і завеликий, а універсального значення для всіх турбокомпресорів немає.
Внутрішній зазор впливає на клин оливи, що підтримує шийку, а також на витрату оливи, тертя, тепловиділення та переміщення вала. Надто щільне прилягання може обмежувати потік оливи й залишати недостатній запас зазору за зміни температури. Надмірний зазор змінює несучі властивості плівки та може допускати переміщення, що спричиняють пошкодження.
Зовнішній зазор визначає, як втулка переміщується в корпусі, як олива проходить навколо неї та як зовнішня плівка підтримує вузол і демпфує його коливання. Надмірний зовнішній зазор може погіршувати стабільність ротора, навіть якщо втулка правильно підібрана до вала.
Зовнішній зазор часто більший за внутрішній, але їхнє передбачене співвідношення залежить від конкретної конструкції. Збільшення будь-якого із зазорів не обов’язково поліпшує мащення або демпфування.
Також розрізняйте радіальний зазор і діаметральний зазор. Діаметральний зазор — це різниця між діаметром відповідного отвору та зовнішнім діаметром деталі в ньому; радіальний зазор дорівнює половині цієї різниці. Плутанина між ними може спричинити серйозну помилку під час перевірки.
Переміщення, виміряне на кінці вала з боку компресорного колеса, не дорівнює жодному із зазорів підшипника. На нього впливають розташування підшипників і відстань від них до точки вимірювання. Дотримуйтеся встановленої методики перевірки та граничних значень.
Як проявляється зношення підшипників
Починайте з оцінювання всіх спряжених поверхонь. Пошкоджена втулка може бути найпомітнішою деталлю, однак саме стан шийки та отвору корпусу визначає, чи зможуть нові підшипники працювати правильно.
Під час огляду варто перевірити:
- Задири: борозни або подряпини на внутрішній чи зовнішній поверхні втулки або на шийці можуть свідчити про сторонні частинки чи контакт поверхонь після втрати розділювальної плівки оливи.
- Овальне зношення: некруглість отвору втулки або корпусу може створювати нерівномірний зазор, якого не виявить одне вимірювання діаметра.
- Зношення втулки: втрата матеріалу з внутрішньої або зовнішньої поверхні змінює робочі зазори. Нерівномірне зношення потребує з’ясування причин, а не лише заміни втулки.
- Сліди на шийках вала: борозни, розмазаний метал, зміна кольору або локальні сліди тертя потребують оцінювання за вимогами до стану поверхні та допустимих розмірів.
- Пошкодження корпусу: задири або збільшення діаметра отвору корпусу можуть залишити надмірний зовнішній зазор навіть із новою втулкою стандартного розміру.
- Відкладення в каналах оливи: сторонні частинки або нагар можуть порушувати подавання оливи та спричинити повторний вихід із ладу замінених деталей.
Вимірюйте доступні шийки й отвори в кількох перерізах і напрямках, щоб перевірити діаметр, конусність і круглість. Використовуйте відповідне точне вимірювальне обладнання та належні технічні вимоги до конкретних деталей.
Самих слідів пошкодження недостатньо, щоб установити початкову причину несправності. Забруднення, недостатнє подавання оливи, дисбаланс та інші несправності можуть залишати подібні пошкодження. Наш посібник із діагностики несправного турбокомпресора перед заміною пояснює, які додаткові перевірки потрібні.
Стан поверхні вала так само важливий, як і його розміри. Надмірне полірування може змінити геометрію шийки або вплинути на зміцнену поверхню; дивіться посібник зі зміцнення вала та шийок під плавучі підшипники.
Чи доводить шум підшипника, що втулки зношені?
Ні. Виття, звук тертя або зміна тону — це привід з’ясувати причину, але самі собою вони не дають змоги достовірно визначити несправність підшипника.
Дисбаланс ротора може спричиняти вібрацію, синхронну з обертанням вала. Сили в плівках оливи також можуть спричиняти субсинхронний рух: вісь вала переміщується по орбіті всередині підшипника з частотою, нижчою за частоту обертання вала. За певних умов цей рух може стати нестійким.
Обертання втулки підшипника та вихрові коливання в плівці оливи — різні види руху. Для повністю плавучої конструкції обертання втулки повільніше за вал є очікуваним і саме собою не свідчить про нестійкість.
Джерелом звуку також можуть бути потік повітря, витоки або пошкодження коліс. Докладніше ці відмінності розглянуто в матеріалі «Вихрові коливання та резонансна нестійкість у плівці оливи турбокомпресора: пояснення явищ oil whirl та oil whip».
Що це означає під час вибору ремкомплекту або CHRA
Ремкомплект доцільний, коли перевірка підтверджує придатність деталей до повторного використання, а фахівець із відновлення має змогу правильно виконати вимірювання, складання та балансування турбокомпресора.
Добирайте комплект за ідентифікаційними даними турбокомпресора та конструкцією підшипників. Розміри втулок, елементи подавання оливи, деталі упорного вузла та стопорні елементи можуть відрізнятися навіть у зовні схожих агрегатів. Уточнюйте точний склад комплекту.
Нові втулки не відновлять зношений вал або отвір корпусу. Якщо встановити їх без вимірювання обох спряжень, відновлений турбокомпресор може від самого початку мати неправильні зазори.
Перш ніж порівнювати ремкомплекти, перевірте сумісність за матеріалом «Як вибрати ремкомплект турбокомпресора».
Заміна CHRA стає практичним варіантом, якщо пошкоджені вал, колеса або центральний корпус чи немає необхідного обладнання для відновлення. Перевірте сумісність і з’ясуйте, які роботи зі складання та балансування виконав постачальник. Посібник «CHRA чи турбокомпресор у зборі» допоможе визначити, чи можна повторно використати зовнішні корпуси та елементи керування.
Відновлення також потребує належної процедури балансування турбокомпресора. Складання за старими мітками не підтверджує, що готовий ротор достатньо збалансований.
Який би варіант ви не обрали, усуньте початкову причину несправності перед установленням.
Поширені запитання
Чи належить підшипник із плавучою втулкою до підшипників ковзання?
Так, підшипник із плавучою втулкою є різновидом підшипника ковзання. Назва «підшипник ковзання» описує спосіб підтримування вала плівкою оливи, а «плавучий» означає здатність втулки переміщуватися всередині корпусу. У повністю плавучій конструкції втулка також може обертатися.
З якою швидкістю обертається повністю плавуча втулка підшипника?
Зазвичай вона обертається в тому самому напрямку, що й вал, але з частотою, яка становить лише частину частоти обертання вала. Співвідношення залежить від геометрії підшипника, зазорів, в’язкості оливи, температури та умов роботи. Універсального відсоткового значення для всіх турбокомпресорів немає.
Чи допустимий люфт вала в турбіні з підшипниками ковзання без оливи?
За відсутності робочих плівок оливи певне радіальне переміщення може бути нормальним. Допустиме переміщення залежить від турбокомпресора та способу вимірювання. Перевірка пальцями не дає змоги визначити зазор у підшипнику, а контакт коліс із корпусами, нерівномірне обертання або надмірне виміряне переміщення потребують з’ясування причин.
Чи можлива заміна зношених втулок турбіни без заміни вала?
Лише якщо шийки вала та отвори корпусу залишаються в установлених для них межах розмірів і стану поверхні. Нові втулки не усунуть задири, зменшений діаметр, конусність чи некруглість шийки або зношення отвору корпусу.
Чи є напівплавучий підшипник кращою заміною повністю плавучого?
Жодна з цих конструкцій не є безумовно кращою. Кожна передбачає інше співвідношення тертя, демпфування, витрати оливи та динамічних характеристик ротора. Використовуйте систему підшипників, передбачену для конкретного турбокомпресора: перехід між цими конструкціями потребує інженерних змін, а не лише заміни втулок.
Чи відновить густіша олива зношений плавучий підшипник?
Ні. Густіша олива не відновлює зношені поверхні й не усуває надмірний зазор. Використовуйте оливу, визначену виробником двигуна, і з’ясовуйте причини порушення мащення та механічного зношення, замість того щоб приховувати симптоми зміною в’язкості.
Чи нормально, що втулка підшипника турбіни обертається?
Так, у повністю плавучій конструкції. Обертання з частотою, яка становить лише частину частоти обертання вала, саме собою не свідчить про нестійкість. Втулка напівплавучого підшипника зафіксована від обертання.
Щоб отримати допомогу з порівнянням ремкомплекту, CHRA або турбокомпресора для заміни, зверніться до LeadTurbo, зазначивши каталожний номер вашої турбіни та симптоми несправності.
