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ZHEJIANG BHS JOURNAL BEARING CO., LTD. Das im Bezirk FengXian in Shanghai ansässige Unternehmen „BHS“ ist ein Profi Hersteller von Kippsegment-Axiallagern Und Kipplagerfabrik...
Rotierende Geräte wie Turbinen, Kompressoren und Pumpen hängen stark davon ab, wie der Rotor im Maschinengehäuse gelagert ist. Der gewählte Lagertyp hat direkten Einfluss auf die Stabilität des Rotors, das Vibrationsverhalten und die maximale Geschwindigkeit, die die Maschine sicher erreichen kann. Zwei große Kategorien dominieren rotierende Industriemaschinen: Lager mit fester Geometrie, bei denen die Lagerfläche ein einzelner starrer Bogen ist, und Kipplager , bei dem die tragende Fläche in mehrere unabhängig voneinander bewegliche Polster unterteilt ist.
Diese Unterscheidung ist kein kleines Designdetail. Es verändert, wie sich der Ölfilm unter Last verhält, wie der Rotor auf Störungen reagiert und wie viel Spiel Ingenieure in die Konstruktion einbauen müssen, um Instabilität zu vermeiden. Das Verständnis dieser Unterschiede hilft Ingenieuren bei der Auswahl des richtigen Lagertyps, wenn sie neue Geräte spezifizieren oder wiederkehrende Vibrationsprobleme beheben.
Ein Kippsegmentlager ersetzt die einzige durchgehende Bohrung eines Festlagers durch einen Satz einzelner Segmente, die um die Welle herum angeordnet sind. Jedes Polster ruht auf einem Drehpunkt und kann als Reaktion auf die von der rotierenden Welle erzeugten Kräfte leicht schaukeln. Durch diese Schwenkbewegung kann jedes Pad unabhängig von den anderen seinen eigenen konvergierenden Ölkeil bilden.
Abhängig von der Richtung der zu tragenden Last erscheint das Design in zwei Hauptkonfigurationen.
Unterstützt radiale Belastungen senkrecht zur Wellenachse. Mehrere Pads umgeben den Schaft und erzeugen jeweils einen lokalisierten hydrodynamischen Film, der in Echtzeit auf die Schaftposition reagiert.
Unterstützt axiale Belastungen entlang der Wellenachse. Die Pads sind in einem kreisförmigen Muster dem Druckring zugewandt angeordnet und neigen sich jeweils, um bei Last- und Geschwindigkeitsänderungen eine optimale Ölfilmdicke aufrechtzuerhalten.
Das Funktionsprinzip beruht auf hydrodynamischer Schmierung, dem gleichen physikalischen Phänomen, das jedes Flüssigkeitsfilmlager beherrscht. Wenn sich die Welle dreht, zieht sie Öl in einen enger werdenden Spalt zwischen ihr und der Lageroberfläche und erzeugt so einen Druck, der die Welle anhebt und zentriert, ohne dass es zu einem Kontakt zwischen Metall und Metall kommt.
In einem Festlager bildet sich dieser Keil entlang eines einzigen festen Bogens, was bedeutet, dass die Druckverteilung vollständig von der Bohrungsgeometrie bestimmt wird. Bei einem Kippsegment-Gleitlager stellt jedes Segment seinen eigenen Winkel zur Wellenoberfläche basierend auf dem lokalen Filmdruck ein, sodass die Keilform an jeder Segmentposition und bei jedem Betriebszustand selbstoptimierend ist.
Da jedes Kissen unabhängig reagiert, verhält sich ein Kippkissenlager praktisch wie mehrere kleine, zusammenarbeitende Lager und nicht wie eine durchgehende starre Oberfläche.
Das Diagramm unten zeigt, wie ein Festlager einen einzigen durchgehenden Ölkeil bildet, im Vergleich dazu, wie ein Kippsegmentlager mehrere unabhängige Keile um die Welle herum bildet.
Festlager funktionieren in vielen allgemeinen Anwendungen gut, aber mit zunehmender Rotorgeschwindigkeit neigen sie zu einem selbsterregten Vibrationsphänomen, das allgemein als Ölwirbel und bei höherer Schwere als Ölpeitsche bekannt ist. Diese Instabilität entsteht, weil der Ölfilm in einem Festlager eine kreuzgekoppelte Steifigkeit entwickeln kann, die Energie in die Rotorbewegung einspeist, anstatt sie zu dämpfen.
Kippsegmentlager eliminieren diesen Querkopplungseffekt weitgehend. Da sich jedes Polster frei drehen kann, kann es keine anhaltende Tangentialkraft zurück in die Welle übertragen, wie dies bei einer starren Bohrung der Fall ist. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass Kippsegment-Gleitlager die Standardwahl für Hochgeschwindigkeits-Turbomaschinen sind.
| Charakteristisch | Festes Lager | Kipplager |
|---|---|---|
| Ölfilmstabilität bei hoher Geschwindigkeit | Ab bestimmten Geschwindigkeitsschwellen neigt es zu Ölwirbeln | Von Natur aus stabiler durch unabhängige Pad-Reaktion |
| Kreuzgekoppelte Steifigkeit | Vorhanden und kann zu Instabilität führen | Minimal, da die Pads keine tangentiale Kopplung aufrechterhalten können |
| Mechanische Komplexität | Einfach, weniger bewegliche Teile | Komplexer, erfordert Drehpunkte und einzelne Pads |
| Tragfähigkeit pro Flächeneinheit | Mäßig | Vergleichbar oder höher, je nach Padanzahl und Design |
| Typischer Anwendungsbereich | Allzweckpumpen und Ventilatoren | Turbinen, Kompressoren, Hochgeschwindigkeitspumpen |
| Wartung und Inspektion | Einfacher zu prüfen und auszutauschen | Erfordert Aufmerksamkeit auf Gelenkverschleiß und Belagausrichtung |
Axiale Belastungen in rotierenden Maschinen entstehen durch Druckunterschiede zwischen den Laufrädern, Schrägverzahnungskräften oder dem Gewicht eines vertikal ausgerichteten Rotors. Ein Axial-Kippsegmentlager begegnet diesen Belastungen mit dem gleichen selbstausrichtenden Prinzip wie bei Gleitlagern, ist jedoch so ausgerichtet, dass es Bewegungen entlang der Wellenachse widersteht.
Jedes Druckstück neigt sich, um zwischen sich und dem rotierenden Druckring einen konvergierenden Film zu bilden. Da sich die Bremsbeläge unabhängig voneinander anpassen können, ist die Lastverteilung über den gesamten Bremsbelagring tendenziell gleichmäßiger als mit einer festen Druckfläche möglich, insbesondere wenn der Kragen aufgrund von Fertigungstoleranzen oder thermischem Wachstum nicht perfekt senkrecht zur Welle steht.
| Gerätetyp | Typische axiale Lastquelle |
|---|---|
| Radialkompressoren | Druckunterschied zwischen den Laufradstufen |
| Dampf- und Gasturbinen | Blattreaktionskräfte und Wärmeausdehnung |
| Vertikalpumpen | Gewicht der rotierenden Baugruppe plus hydraulischer Schub |
| Getriebe mit Schrägverzahnung | Axiale Komponente, die durch den Zahnwinkel des Zahnrads erzeugt wird |
Vibrationen in rotierenden Geräten entstehen häufig durch die Wechselwirkung zwischen Rotordynamik und Lagersteifigkeit und Dämpfungseigenschaften. A Kippsegment-Gleitlager Reduziert Vibrationen durch mehrere miteinander verbundene Mechanismen und nicht durch eine einzelne Funktion.
Da die Bremsbeläge die Lastreaktion über den gesamten Umfang verteilen, anstatt die Reaktionskräfte auf einen Bogen zu konzentrieren, wird die Gesamtsteifigkeit und Dämpfung des Rotors in alle Richtungen gleichmäßiger. Diese Gleichmäßigkeit ist einer der Hauptgründe dafür, dass die an Maschinen mit Kippsegmentlagern gemessenen Schwingungsamplituden über einen größeren Drehzahlbereich tendenziell flacher bleiben als an Maschinen mit Festlagern, wo Amplitudenspitzen in der Nähe bestimmter kritischer Drehzahlen scharf auftreten können.
Felddaten, die bei verschiedenen Hochgeschwindigkeitskompressorsträngen gesammelt wurden, haben gezeigt, dass die Umstellung von Festlagern auf Kipplager bei einer Neukonstruktion der Rotordynamik die Schwingungsamplitude bei der ersten kritischen Drehzahl erheblich reduzieren kann, wodurch die Messwerte oft gut innerhalb der Standardakzeptanzkriterien liegen, wo die ursprüngliche Festlagerkonstruktion marginale oder fehlerhafte Werte aufwies.
Ja. Die Hochgeschwindigkeitsfähigkeit ist einer der Hauptgründe für die Existenz dieses Lagertyps. Der relevante Parameter, den Ingenieure verfolgen, ist das Produkt aus Wellenoberflächengeschwindigkeit und Lagerdurchmesser, oft ausgedrückt als DN-Wert. Festlager neigen dazu, ihre Stabilitätsgrenze bei niedrigeren DN-Werten zu erreichen, da die Wirbelschwellengeschwindigkeit eine direkte Funktion der Lagergeometrie und des Lagerspiels ist.
Kippsegmentlager verschieben diesen Schwellenwert deutlich nach oben, da der wirbelerzeugende kreuzgekoppelte Steifigkeitsterm weitgehend aus dem System entfernt wird. Aus diesem Grund gehören Kippsegment-Gleitlager zur Standardausrüstung in Anwendungen wie Dampfturbinen, Gasturbinen-Generatorsätzen, Hochgeschwindigkeits-Zentrifugalkompressoren und mehrstufigen Pumpen, die deutlich über den Drehzahlbereichen laufen, in denen Festlager stabil bleiben.
Nicht jede Maschine benötigt ein Kippsegmentlager. Die Auswahl sollte auf den Betriebsbedingungen basieren und nicht davon ausgehen, dass das komplexere Design immer die bessere Wahl ist.
Die Betriebsgeschwindigkeit bleibt deutlich unter der Stabilitätsschwelle, die Lastrichtung ist konstant und die Anwendung verträgt eine einfachere Wartung mit weniger Präzisionskomponenten.
Die Maschine arbeitet mit hoher Relativgeschwindigkeit, ist einer variablen oder leichten Belastung ausgesetzt oder hat zuvor eine Vibrationsinstabilität gezeigt, die mit einer Wirbelfrequenz nahe der Hälfte der Laufgeschwindigkeit korreliert.
Wenn bei einer Maschine, die mit kippbaren Gleitlagern ausgestattet ist, Vibrationen oder thermische Probleme auftreten, liegt die Ursache häufig eher im Zustand der Gleitlager, der Schmiermittelversorgung oder der Ausrichtung als in der grundlegenden Lagerkonstruktion.
| Symptom | Wahrscheinliche Ursache |
|---|---|
| Erhöhte Lagertemperatur | Unzureichender Ölfluss oder verschlechterte Schmiermittelviskosität |
| Subsynchrone Schwingungskomponente | Der Verschleiß des Belagzapfens verringert die Selbstausrichtungsreaktion |
| Ungleichmäßiges Belagverschleißmuster | Wellenfehlausrichtung oder ungleiche Lastverteilung |
| Plötzlicher Vibrationsanstieg beim Start | Unzureichender Ölfilm bei Betrieb mit niedriger Drehzahl |
Die routinemäßige Überwachung der Lagermetalltemperatur und der Vibrationsspektren ist nach wie vor die zuverlässigste Methode, um sich entwickelnden Belagverschleiß zu erkennen, bevor er zu einem Funktionsausfall führt.
Kippsegmentlager sind hydrodynamische Lager, die aus mehreren unabhängigen Segmenten bestehen, die sich drehen, um selbstregulierende Ölfilme zu bilden, die zur Aufnahme radialer oder axialer Lasten in rotierenden Geräten verwendet werden.
Jedes Pad dreht sich als Reaktion auf den lokalen Ölfilmdruck und bildet so bei Wellengeschwindigkeit und Lastwechsel einen optimalen konvergierenden Keil, der die Welle ohne Metall-zu-Metall-Kontakt zentriert hält.
Sie eliminieren weitgehend die kreuzgekoppelte Steifigkeit, die in Festlagern zu Ölwirbeln und Ölpeitschen führt, und ermöglichen so einen stabilen Betrieb der Maschinen bei viel höheren Drehzahlen.
Durch die gleichmäßige Verteilung der Lastreaktion um die Welle und die Minimierung der Querkopplungskräfte erzeugen sie eine gleichmäßigere Steifigkeit und Dämpfung, wodurch die Vibrationsreaktion über den gesamten Betriebsgeschwindigkeitsbereich abgeflacht wird.
Ja, sie wurden speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen entwickelt und sind Standard in Turbinen, Kompressoren und Hochgeschwindigkeitspumpen, wo feste Lager instabil werden würden.
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