ما هو مبدأ الحمل-لمحمل الدفع المستدق-الأرضي؟

Aمحمل الدفع الأرضي المستدق-هو نوع من محامل الدفع الهيدروديناميكية ذات الهندسة الثابتة. لا يوجد بها محور، ولا لوحة تعديل تلقائية ولا تعديل تلقائي للإمالة. يحمل المحمل حمولة محورية باستخدام منطقة مدخل إسفينية يتم تشكيلها مباشرة على سطح المحمل.

تأتي قدرة ضغط المحمل من هذا الشكل الإسفيني. عندما يقوم السطح الدوار بتحريك مادة التشحيم إلى فجوة ضيقة، يتشكل الضغط داخل طبقة الزيت. يدعم هذا الضغط الحمل المحوري ويحافظ على السطح منفصلاً أثناء التشغيل.

وبما أن المحامل تعتمد كليًا على هندستها الآلية، فيجب التحكم في أبعاد المخاريط بعناية. يمكن أن تؤثر التغييرات الطفيفة في زاوية الاستدقاق أو سمك الفيلم أو شكل السطح على توليد الضغط وأداء المحمل.

من أجل فهم كيفية عمل محامل الدفع المخروطية، من الضروري فحص الهيدروديناميكية للضغط المتولد داخل طبقة التشحيم، بدلاً من مجرد عرض المحامل كمكونات ذات تصنيف حمل محدد.

الآلية الأساسية: الضغط الهيدروديناميكي من إسفين متقارب

كل محمل لفيلم السوائل الهيدروديناميكية، بما في ذلك المحامل الدورية ومحمل الدفع المائل ومحمل الدفع الأرضي المستدق، لديه نفس قدرة التحمل مثل التأثيرات الفيزيائية التي وصفها أوزبورن رينولدز في عام 1886. عندما يتم سحب السائل اللزج عبر فجوة ضيقة عن طريق حركة سطحين، يزداد الضغط داخل غشاء السائل. هذا الضغط، عند انتشاره إلى منطقة المحمل، يدعم الحمل بدون تلامس المعدن-إلى-المعادن.

في المحمل الدفعي الأرضي المستدق-، يتم تضييق هذه الفجوة عن طريق تثبيت الشكل الهندسي بدلاً من تحريكه أو ضبطه. تحتوي كل حشية على حلقة المحمل على منطقتين رئيسيتين في اتجاه الدوران.

المنطقة المستدقة (المدخل): يكون السطح بزاوية صغيرة بالنسبة للمدارج. وهذا يخلق فجوة تضيق عندما يتم سحب الزيت إلى الداخل عن طريق الدوران. يتم توليد الكثير من الضغط الهيدروديناميكي في هذه المنطقة.

مسطح (مخرج): سطح موازي للمدارج. تحافظ هذه المنطقة على الضغط بعد إنتاجها ويترك الزيت الوسادة عند حافة الذيل في أخدود التصريف.

عادة ما تكون نسبة طول الأرض المسطحة إلى إجمالي طول اللوحة 0.60-0.70. إذا كانت الأرض المسطحة قصيرة جدًا، فلا توجد مساحة كافية لتحمل الضغط الناتج. إذا استغرقت وقتًا طويلاً، فستكون المنطقة المستدقة صغيرة جدًا ولن يزيد الضغط بشكل فعال.

تطبيق معادلة رينولدز على الهندسة المستدقة

إن الصيغة-أحادية البعد لمعادلة رينولدز لفيلم لزوجة ثابتة وغير قابلة للضغط-في ظل ظروف ثابتة هي:

d/dx (h³ dp/dx)=6 μ U dh/dx

في هذه المعادلة، h هو سمك الفيلم المحلي، p هو الضغط، mu هي اللزوجة الديناميكية، U هي سرعة السطح النسبية، x هي إحداثيات اتجاه الحركة.

بالنسبة للمداخل المخروطية الخطية، يتناقص h (x) بمعدل ثابت من سمك غشاء المدخل h1 إلى الحد الأدنى من الغشاء h2 عند التقاطع الأرضي المخروطي -. يعتمد تدرج الضغط dp/dx على كل من μU وdh/dx. وهذا له التأثيرات المباشرة التالية:

• تعمل السرعة الأعلى على زيادة ضغط الفيلم وزيادة سعة التحميل عندما يكون سمك الفيلم هو نفسه.

• تنتج اللزوجة الأعلى نفس تأثير السرعة الأعلى.

• لا يؤدي الانحدار الشديد إلى تحسين الأداء دائمًا. إذا أصبحت الزاوية المستدقة كبيرة جدًا، فإن الضغط يتراكم قريبًا جدًا من المدخل ويصبح توزيع الضغط الإجمالي غير متساوٍ. وهذا يقلل من سعة الحمولة الإجمالية.

تبلغ نسبة المخروط الأمثل h1/h2 لقدرة التحمل القصوى حوالي 2.2 تحت التدفق الصفحي وظروف اللزوجة الثابتة-. وهذا يعني أن سمك فيلم السحب يكون أكثر سمكًا بحوالي 2.2 مرة من الحد الأدنى للفيلم. على وجه التحديد، إذا كان الحد الأدنى لسمك الفيلم هو 15-25 ميكرومتر، فإن ارتفاع خطوة المدخل يبلغ حوالي 33-55 ميكرون. هذه وظيفة ميكانيكية ثابتة، وليست شيئًا يتغير أثناء التشغيل.

الهندسة مقابل الإمالة التكيفية: كيف يختلف التناقص المستدق-الأرض عن الإمالة-الوسادة

البديل الرئيسي لتصميم الأرض المخروطي هو المحمل الدفعي القابل للإمالة (ميشيل/كينجسبري). في هذا التصميم، يتم تثبيت كل وسادة على محور. يمكن إمالة الحشية وزاويتها وفقًا لظروف التشغيل وحركة العداء.

تسمح حركة الضبط الذاتي هذه للحشية بالعثور على الزاوية المثالية أثناء التشغيل. فهو يساعد المحامل على تكوين طبقة زيتية مستقرة عبر نطاق واسع من السرعات والأحمال.

يعكس الفرق بين التصميمين مزايا وقيود المحامل الأرضية المخروطية:

يشير الاستدقاق الثابت إلى أعلى كفاءة للمحمل الدفعي الأرضي-عند نقطة عمل التصميم. نظرًا لأن السرعة أقل بكثير من التصميم، يتم ترقق الطبقة الهيدروديناميكية ويتم تشحيم المحامل بالقرب من حدود -انتقال التشحيم المختلط-الموضح أدناه.

سعة التحميل والسرعة ورقم سومرفيلد

سعة التحميل لمقاييس لوحة الدفع الأرضية المستدقة- باستخدامرقم تحمل(يُسمى أحيانًا رقم سومرفيلد لمحامل الدفع)، ويُعرف على النحو التالي:

S=μNP(Rc)2S=PμN​(سي آر​)2

أينNهي سرعة الدوران (rev/s)،Pيعني ضغط التحمل (الحمل ÷ المساحة المتوقعة)،Rهو نصف قطر مميز، وcهو التخليص المرجعي المتعلقh₂. بالنسبة لهندسة معينة، تكون سعة الحمولة متناسبة تقريبًا معμنو- يعني مقاييس قدرة التحمل خطيًا مع السرعة.

نطاقات سعة التحميل العملية لمنصات الدفع الأرضية المستدقة-في الخدمة الصناعية (Boyd and Rowe, 1982; Wilcock and Booser, 1957):

إذا تجاوزت الحد ولكن لم تقم بزيادة اللزوجة أو السرعة بنفس المقدار، فسوف ينهار الفيلم وتحصل على التشحيم الحدودي. إذا تجاوزت الحد الأدنى للسرعة، يكون المحمل كبيرًا جدًا بالنسبة للحمل. يؤدي هذا إلى مشكلة مختلفة: لا يتحرك الزيت ويكتسح المنطقة المستدقة بشكل متساوٍ بما فيه الكفاية، وبالتالي لا يتم توزيع درجة الحرارة بالتساوي عبر عرض الوسادة.

هندسة الأخدود والإدارة الحرارية

ويتم فصل كل وسادة أرضية مستدقة- عن الأخرى بواسطة أخدود تصريف محيطي. للأخدود وظيفتان: فهو يزيل الزيت الساخن من الحافة الخلفية لإحدى الوسائد، ويعطي زيت مدخل باردًا إلى الاستدقاق الأمامي للوسادة التالية. يعد تبديل الزيت هذا هو الطريقة الرئيسية للتحكم في الحرارة في تصميم الأرض المستدقة-. نظرًا لأن المحامل الأرضية المستدقة-لا تحتوي على تشحيم مباشر مثل محامل الوسادة المائلة-، لذلك فهي تعتمد على اضطراب الأخدود لخلط الزيت الساخن والبارد قبل الانتقال إلى الاستدقاق التالي.

يتراوح عرض الأخدود عادة ما بين 15 إلى 25% من إجمالي مسافة الوسادة. الأخاديد الأضيق تجعل الفجوة بين الفوط أصغر، لذا فهي تستخدم المساحة بشكل أفضل. ولكنها أيضًا تضر بخلط الزيت وتزيد من تحمله-لدرجة الحرارة. تحمل-درجة الحرارة الزائدة هي درجة حرارة الزيت الذي يدخل في الاستدقاق مقارنة بدرجة حرارة العرض. أظهر Ettles (1969) أن الجزء المرحل-يمكن أن يتسبب في ارتفاع درجة حرارة الفيلم بنسبة 40-70% في تصميمات الأرض المستدقة-عند الجري بسرعة أعلى من 50 م/ث لسطح العداء. لذلك فإن هذا يقلل بشكل كبير من اللزوجة الفعالة ومن ثم يقلل من سعة الحمولة.

عند السرعات الطرفية العالية التي تزيد عن 60 م/ث، يصبح التسخين اللزج هو الحد الرئيسي للتصميم بدلاً من الحمل. يجب أن تظل درجة حرارة إمداد الزيت عادة عند 40-49 درجة مع زيت التوربينات ISO VG 32-46. هذا للحفاظ على درجة حرارة الفيلم القصوى أقل من 95-100 درجة. درجة الحرارة هذه هي النقطة التي يتسارع فيها التلف الحراري لحزمة الزيت المضافة.

آلية -السرعة المنخفضة والبدء-إيقاف الفشل

أكبر قيود تصميم الأرض المخروطي هو الطريقة التي يعمل بها عند البدء والإغلاق والتشغيل بسرعات منخفضة. نظرًا لأن ضغط الفيلم الهيدروديناميكي يعتمد على السرعة، فإن متوسط ​​ضغط التحمل البالغ 2.0 ميجا باسكال يمكن أن يصل إلى 20% فقط (0.3-0.5 ميجا باسكال) عند السرعة العادية. إذا كان حمل الدفع المطبق أكبر من سعة الغشاء السفلية، فإن الحد الأدنى لسمك الغشاء يكون أقل من مجموع خشونة السطح - عادة 0.5 إلى 1.5 ميكرومتر Ra للعجلات الحاملة للأرض - ويحدث اتصال شديد.

تؤدي دورات التشغيل والإيقاف المتكررة تحت الحمل إلى تآكل ثابت على السطح المستوي، وهو أمر لا يمكن إصلاحه. على عكس محامل لوحة الإمالة، حيث لا يزال من الممكن أن تؤدي كمية صغيرة من التآكل عند المحور إلى إعادة وضع الوسادة، فإن التآكل على المنطقة المسطحة من الأرضية المخروطية يقلل بشكل مباشر من منطقة الضغط ومن ثم يسرع المزيد من الضرر. يتم استخدام اختبار ASTM D-4998 أربعة- لتآكل الكرات بشكل شائع لفحص أداء إضافات الزيت المضادة للتآكل في ظل ظروف بدء وإيقاف التشحيم المختلط. وذلك لأن إضافات الزيت ذات الضغط العالي توفر الدعم الوحيد للحمل عندما لا يتم تشكيل الفيلم الهيدروديناميكي بعد.

بالنسبة للآلات التي غالبًا ما تبدأ تحت الحمل-مثل المضخات التي تعمل بمحرك والتي تدور عدة مرات في كل نوبة عمل-يجب مراعاة خيار وسادات الإمالة. وبدلاً من ذلك، يجب أن تشتمل مواصفات الأرض المخروطية على نظام رفع هيدروستاتيكي لدفع الزيت خارجيًا إلى الطبقة بسرعات منخفضة.

ملخص التطبيق العملي

يتجسد مفهوم المحمل لمحامل الدفع المدرجات بشكل أساسي في الجوانب الثلاثة التالية:

1.شكل إسفين متقارب-مقطع إلى مدخل مستدق عند h1/h2 قوس 2.2، بحيث يولد ضغطًا هيدروديناميكيًا من خلال آلية رينولدز.

2. الأرض المسطحة -60-70 بالمائة من طول الحشية توفر مساحة مضغوطة لتحمل الحمل المحوري.

3. حوض التصريف-يوفر هذا زيتًا باردًا للمخروط التالي ويوقف لزوجة غشاء الانهيار الحراري.

لا يمكن تغيير أي من المعلمات الثلاثة في حد ذاتها، حيث يؤثر كل تغيير في المعلمة على قيم الأداء الثلاثة: سعة التحميل ودرجة حرارة الفيلم والحد الأدنى لسمك الفيلم. لذلك يجب على المهندسين البدء بمتوسط ​​ضغط التحمل بالسرعة العادية عند اختيار جهاز التأريض المخروطي لآلة معينة. يجب عليهم بعد ذلك التحقق من أن رقم Sommerfeld المطابق يضع المحمل في حالة غشاء كاملة. يجب عليهم بعد ذلك التأكد من أن تردد توقف البداية -ونظام التشحيم يزود درجة الحرارة بالعمل ضمن حدود هندسية ثابتة. وذلك لأنه، على عكس تصميم الوسادة المحورية، لا تستطيع المحامل الأرضية المخروطية إصلاح ظروف تشغيل التصميم الخاصة بها.

مراجع

• رينولدز، أو. (1886). حول نظرية التشحيم وتطبيقها على تجارب السيد بوشامب تاور، بما في ذلك التحديد التجريبي لزوجة زيت الزيتون.المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن, 177, 157–234.
• بويد، J.، ورو، WB (1982).Tribology: المبادئ وتطبيقات التصميم. مطبعة ماكميلان.
• ويلكوك، دي إف، وبوسر، إي آر (1957).تحمل التصميم والتطبيق. ماكجرو-هيل.
• اتلس، CMM (1969). يتم نقل الزيت الساخن-في محامل الدفع.وقائع معهد المهندسين الميكانيكيين, 184(12), 75–81.
• هامروك، بي جيه، شميد، إس آر، وجاكوبسون، بو (2004).أساسيات تزييت فيلم السوائل(الطبعة الثانية). مارسيل ديكر.
• Frêne، J.، Nicolas، D.، Degueurce، B.، Berthe، D.، & Godet، M. (1997).التشحيم الهيدروديناميكي: المحامل ومحامل الدفع. إلسفير.
• خونساري، إم إم، وبوسر، إي آر (2008).علم الاحتكاك التطبيقي: تصميم المحامل والتشحيم(الطبعة الثانية). وايلي.
• سزيري، أريزونا (2011).تشحيم فيلم السوائل(الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج.
• أستم D4998-22.طريقة الاختبار القياسية لتقييم خصائص التآكل للسوائل الهيدروليكية للجرار. ASTM الدولية.
• آيزو 12168-1:2001.محامل عادية - حمل ثابت-سعة حمل محامل طوق الدفع الهيدروديناميكية بدون منصات إمالة. ايزو.
• ستاتشوياك، جي دبليو، وباتشيلور، إيه دبليو (2014).علم القبائل الهندسي(الطبعة الرابعة). بتروورث-هاينمان.