Небольшая корректировка, которая имеет большое значение
Центробежные насосы являются одними из наиболее часто используемых устройств для перекачки жидкостей в промышленности. Несмотря на довольно прочную конструкцию, центробежные насосы обычно подвергаются механическим повреждениям из-за чрезмерного износа уплотнений, повреждения подшипников скольжением и/или поломки сепаратора подшипника. В этой статье рассматриваются эти три вида отказов и с помощью запатентованного программного обеспечения для расчета подшипников объясняется, как правильный осевой зазор подшипника может смягчить эти проблемы, чтобы продлить срок службы подшипников и, в конечном счете, самого насоса.
Заглянув внутрь центробежного жидкостного насоса, можно обнаружить два отдельных положения подшипников. Ближайшее к крыльчатке переднее положение обычно занимает плавающий подшипник, реагирующий на радиальные нагрузки системы. Для этой цели чаще всего используется радиальный шарикоподшипник или цилиндрический роликоподшипник. Заднее положение обычно соответствует паре подшипников с осевым расположением, которая устанавливает осевой концевой зазор и реагирует как на осевую, так и на радиальную нагрузку. В большинстве центробежных насосов используется двухрядный радиально-упорный шарикоподшипник (DRACBB), пара радиально-упорных шарикоподшипников (ACBB) или пара конических роликоподшипников.
ИЗОБРАЖЕНИЕ 1: Типичное расположение подшипников внутри центробежного насоса (Изображения предоставлены Schaeffler Group USA Inc.)
Режимы отказа
Как упоминалось выше, три распространенных вида отказа центробежных насосов — это износ уплотнения, повреждение подшипников из-за скольжения и разрушение сепаратора подшипника. Первый из этих видов отказа — чрезмерный износ уплотнения — вызывается отклонением главного вала, что увеличивает усилие контакта уплотнения с валом, что приводит к преждевременному износу материала уплотнения. Уменьшение этого отклонения вала продлит срок службы уплотнения, что приведет к увеличению срока службы системы насоса.
Второй распространенный вид отказа центробежных насосов — повреждение подшипников из-за проскальзывания — возникает из-за недостаточной нагрузки на один из опорных подшипников. Поскольку осевая сила насоса обычно действует только в одном направлении, только один из фиксирующих подшипников принимает на себя большую часть нагрузки, а другой подшипник используется для восприятия любой дополнительной радиальной нагрузки и опрокидывающего момента. В зависимости от условий эксплуатации это может привести к разгрузке одного подшипника, в результате чего тела качения имеют тенденцию отклоняться от своей оси, а не катиться в заданном направлении по дорожке качения. ACBB и DRACBB особенно уязвимы для этого механизма в условиях небольшой нагрузки. Кроме того, центробежная сила, действующая на шарики, когда они находятся вне зоны нагрузки, может еще больше усугубить изменение угла контакта, которое испытывает подшипник. Это дополнительное вращение приводит к явлению, известному как занос, который можно распознать по следам проскальзывания на дорожке качения и телах качения. Уменьшение зазора или даже предварительное натягивание фиксирующих подшипников может помочь избежать этого вида отказа.
Скольжение также может привести к поломке сепаратора, что является третьим распространенным видом отказа центробежных насосов. В малонагруженном подшипнике зона нагрузки составляет меньшую часть дорожки качения. Это может привести к замедлению или торможению тел качения в гнезде сепаратора подшипника, когда они входят в ненагруженную зону в гнездах сепаратора, а затем к ускорению, когда они снова входят в зону нагрузки и снова начинают нормально вращаться. Если эти ускорения и замедления резкие или достаточно частые, то сепаратор может испытать усталость и, в конечном итоге, сломаться в кармане в результате более высоких, чем обычно, напряжений.
ИЗОБРАЖЕНИЕ 2: Прогиб уплотнения при различных настройках осевого зазора подшипника (показано на BEP)
Анализ
Чтобы исследовать эти режимы отказа, производитель подшипников выбрал предоставленный пользователем насос и контролировал рабочий объем в уплотнении, соотношение качения/вращения шариков, а также ускорение сепаратора в точке наилучшего КПД (BEP). Для имитации нормальных условий эксплуатации все загружения выполнялись со скоростью 1780 оборотов в минуту (об/мин) с перепадом температур 10°C (50°F) между внутренним и внешним кольцом. Были смоделированы три разные пары ACBB серии 7313 в позиционном положении при вышеупомянутых условиях с различными диапазонами зазоров. Все протестированные пары имели универсальную конструкцию (предназначены для использования в качестве пары в компоновке X или O) и имели следующие классы зазоров: UA (малый осевой зазор), UB (осевой зазор меньше UA) и UO (беззазоры). . Зазор в переднем подшипнике серии 6313 был установлен на нормальный зазор (CN) для всех расчетов. В зависимости от обеспечиваемой нагрузки подшипник со стороны двигателя в фиксирующей паре воспринимает осевую нагрузку в системе, а подшипник со стороны рабочего колеса воспринимает любые радиальные нагрузки и нагрузки от опрокидывающего момента.
Используя эти параметры испытаний и три различные пары ACBB, смещение вала в месте расположения уплотнения было первым условием, которое необходимо исследовать. Эти отклонения можно увидеть на Рисунке 2. При 0% BEP пара ACBB с UA-зазором привела к наибольшему смещению вала. Между тем, подшипники с зазором UB прогибались на 13 микрометров (мкм) меньше, чем версии с зазором UA, в то время как пара подшипников с зазором UO прогибалась на 27 мкм меньше, чем пара подшипников UA в месте уплотнения. Аналогичные результаты были получены при 25% BEP: пара с зазором UB отклонилась на 11 мкм меньше, чем пара UA, а пара с зазором UO отклонилась на 24 мкм меньше, чем пара UA в месте уплотнения.
Хотя аналогичные результаты были получены при 50% BEP, следует отметить, что общий прогиб вала уменьшается по мере увеличения BEP. Пара ACBB с зазором UB отклонилась на 2 мкм меньше, чем пара UA, в то время как подшипники с зазором UO отклонились на 4 мкм меньше, чем пара UA в месте уплотнения. При BEP 75% и 100% пара UA отклонялась меньше, чем подшипники UB и UO. При BEP 75 % подшипники с зазором UB отклонились на 1 мкм больше, чем подшипники с зазором UA, в то время как пара UO отклонилась на 2 мкм больше, чем пара UA в месте уплотнения.
Точно так же подшипники с зазором UB отклонились на 2 мкм больше, чем пара UA при 100% BEP, в то время как подшипники с зазором UO отклонились на 3 мкм больше, чем пара UA в месте уплотнения.
Имеются лишь незначительные различия в прогибе при более оптимальном диапазоне BEP, но есть преимущество при более низком BEP в отношении минимизации износа уплотнения из-за меньшего прогиба вала.
ИЗОБРАЖЕНИЕ 3: Соотношение вращения/вращения в зависимости от осевого зазора подшипника
Следующим условием, которое необходимо было исследовать после анализа отклонения вала, было отношение вращения к вращению. Отношение крена/вращения выше 0,5 связано с более высокой вероятностью повреждения подшипников при скольжении, хотя это может зависеть от смазки в системе. Для этой части анализа контролировались подшипники со стороны двигателя и крыльчатки, и полный вывод результатов можно увидеть на Рисунке 3.
Что касается пары подшипников с зазором UA, то отношение крена/вращения превышает 1,1 для всех случаев BEP в подшипнике со стороны рабочего колеса; это указывает на вероятность заноса. В то время как подшипник со стороны двигателя работает лучше после увеличения BEP, вероятность заноса сохраняется при работе ниже 50% BEP. Между тем, подшипник со стороны крыльчатки пары UB показал отношение крена/вращения выше 0,9 для всех случаев BEP, что еще раз указывает на вероятность заноса. Скольжение по-прежнему вызывает беспокойство при 0% BEP и 25% BEP в подшипнике со стороны двигателя; состояние заноса является пограничным при 50% BEP. Наконец, подшипник со стороны крыльчатки в паре подшипников с зазором UO показал отношение крена/вращения выше 0,6 для всех случаев BEP. Это указывает на вероятность заноса при 0% BEP и 25% BEP; при более высоком BEP состояние заноса является пограничным.
ИЗОБРАЖЕНИЕ 4: Разница скоростей сепаратора в зависимости от осевого зазора подшипника
Что касается третьего распространенного вида отказа центробежных насосов — поломки сепаратора подшипника, — изменение скорости сепаратора подшипников показало результаты, аналогичные условиям вращения/вращения. Это было определено путем вычисления орбитальной скорости каждого шара в карманах сепаратора, а затем использования разницы между максимальным и минимальным значениями для получения разницы скоростей сепаратора, показанной на Рисунке 4.
Поскольку большая разница скоростей сепаратора создает большую нагрузку на карманы, это может привести к переломам. Как видно из изображения 4, пара подшипников с зазором UA демонстрирует наибольшую разницу скоростей сепаратора; это явление особенно очевидно при уменьшении BEP. Хотя пара UB работает лучше, самые низкие колебания скорости сепаратора достигаются при использовании подшипников с зазором UO.
Как показало предыдущее исследование трех распространенных видов отказов центробежных насосов, правильный выбор осевого зазора подшипника должен увеличить срок службы подшипников и, следовательно, самого насоса.
Использование подшипника с меньшим зазором ограничивает отклонение уплотнения, что, в свою очередь, может помочь увеличить срок службы уплотнения насоса, особенно при работе вдали от оптимальных диапазонов BEP. Более того, уменьшенный зазор сводит к минимуму вероятность проскальзывания подшипников, особенно в ненагруженном подшипнике, который в основном используется для моментной и радиальной нагрузки.
Выбор правильного зазора также может снизить напряжения в сепараторе из-за ускорений, что может продлить срок службы подшипника и всей системы. Однако если в подшипниках по-прежнему видны повреждения даже при уменьшенном диапазоне зазоров, то может потребоваться переход на подшипник с предварительным натягом, чтобы еще больше снизить вероятность проскальзывания и нагрузки на сепаратор.