DIN 31654-1-1991 Plain bearings hydrodynamic plain thrust bearings under steady-state conditions calculation of tilting-pad thrust bearings《滑动轴承 稳定工作条件下流体动力油膜止推轴承 斜垫止推轴承的计算》.pdf

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1、DIN1 DIN 33654 TEIL II 91 = 2794442 0059362 992 E DK 621.822.573.001.24 DEUTSCHE NORM Mai 1991 Gleitlager Hydrodynamische Axial-Gleitlager im stationren Betrieb Berechnung von Axial-Kippsegmentlagern DIN 31 654 Teil 1 Plain bearings; Hydrodynamic plain thrust bearings under steady-state conditions;

2、Calculation of tilting-pad thrust bearings Paliers lisses; Paliers bute segments hydrodynamiques sous conditions de service stationnaires; Mthode de calcul des paliers bute patins oscillants Inhalt Seite 1 Anwendungsbereich und Zweck . 1 2 Allgemeine Grundlagen, Annahmen und Voraussetzungen . 1 3 Be

3、rechnungsverfahren 2 3.1 Formelzeichen, Benennungen und Einheiten 3 3.2 Koordinate des Druckmittelpunktes . 5 3.3 Tragfhigkeit 5 1 Anwendungsbereich und Zweck Ziel dieser Norm ist die betriebssichere Auslegung von Gleitlagern durch die Anwendung eines Berechnungsver- fahrens fr lgeschmierte hydrodyn

4、amische Gleitlager mit vollstndiger Trennung der Spurscheiben- und Lager-Gleit- flche durch einen Schmierfilm. Diese Norm gilt fr Axial-Gleitlager mit kippbeweglich angeordneten Gleitschuhen (Kippkltze),bei denen sich im Betrieb ein keilfrmiger Schmierspalt selbstttig einstellt. Das Verhltnis Breite

5、 zu Lnge eines Segments kann in dem Bereich BIL = 0,5 bis 2 variiert werden. Der hier beschriebene Berechnungsgang kann fr andere Spaltformen,wie z. B. den parabolischen Schmierspalt, und auch fr andere Gleitschuhformen, wie z. B. Kreisgleit- Schuhe, benutzt werden,wenn fr diese Bauarten die nume- r

6、ischen Lsungen der Reynoldsschen Differentialgleichung vorliegen. In DIN 31 654 Teil 2 sind nur die Kennzahlen fr den ebenen Keilspalt gegeben; die Werte gelten demnach nicht fr mittig untersttzte Kippsegmente. Das Berechnungsverfahren dient der Auslegung und Opti- mierung von Axial-Gleitlagern fr z

7、. B. Geblse, Getriebe, Pumpen,Turbinen, Elektromaschinen,Verdichter und Werk- zeugmaschinen. Es beschrnkt sich auf den stationren Betrieb, d. h., in anhaltend gefahrenen Betriebszustnden sind die Belastung und die Winkelgeschwindigkeit aller rotierenden Teile konstant. Nicht erfat werden instationre

8、 Betriebszustnde. 2 Allgemeine Grundlagen, Die Berechnung erfolgt grundstzlich mit den numerischen Lsungen der Reynoldsschen Differentialgleichung fr Gleit- flchen endlicher Breite unter Bercksichtigung der physika- lisch richtigen Randbedingungen fr die Druckentwicklung. Annahmen und Voraussetzunge

9、n Zur Herleitung der Reynoldsschen Differentialgleichung wird verwiesen z. B. auf Literatur l, zur numerischen Lsung auf Literatur 2. Seite 3.4 Reibleistung 5 3.5 Schmierstoffdurchsatz . 5 3.6 Wrmebilanz 5 3.7 Minimale Schmierfilmdicke und spezifische Lagerbelastung . 7 3.8 Betriebszustnde 7 3.9 Wei

10、tere Einflugren . 7 Anhang A Berechnungsbeispiele . 9 Bei der Lsung von Gleichung (1) werden folgende ideali- sierende Annahmen und Voraussetzungen gemacht, deren Zulssigkeit sich experimentell und praktisch hinreichend besttigt hat: a) Der Schmierstoff entspricht einer Newtonschen Fls- Sig keit. b)

11、 Alle Strmungsvorgnge des Schmierstoffs sind lami- nar. c) Der Schmierstoff haftet voll an den Gleitflchen. d) Der Schmierstoff ist inkompressibel. e) Der Schmierspalt ist vollstndig mit Schmierstoffgefllt. f) Trgheitswirkungen, Gravitations- und Magnetkrfte des Schmierstoffes sind vernachlssigbar.

12、g) Die Bauteile,die den Schmierspalt bilden,sind starrbzw. ihre Verformung vernachlssigbar; ihre Oberflchen sind vollkommen glatt. h) Die Schmierfilmdicke in radialer Richtung (2-Koordi- nate) ist konstant. i) Drucknderungen im Schmierfilm senkrecht zu den Gleitflchen -Koordinate) sind vernachlssigb

13、ar, j) Eine Bewegung normal zu den Gleitflchen (y-Koordi- nate) findet nicht statt. k) Der Schmierstoff ist im ganzen Schmierspalt isoviskos. I) Der Schmierstoff wird am weitesten Schmierspalt zu- gefhrt; die Hhe des Zufhrdrucks ist vernachlssig- bar gegenber den Schmierfilmdrcken selbst. m) Die Seg

14、mentform der Gleitflchen wird durch Recht- ecke angenhert. Die Randbedingungen fr die Lsung der Reynoldsschen Differentialgleichung lauten: 1. Der Schmierstoffberdruck an der Zufhrstelle des Schmierstoffs ist p (x =O, z) =O. 2. Die Schmierstoffzufhrung ist so angeordnet, da der Druckaufbau im Schmie

15、rspalt nicht gestrt wird. 3. Der Schmierstoffberdruck an den seitlichen Rndern des Gleitlagers ist p (x, z = 4. Der Schmierstoffberdruck am Ende des Druckfeldes 0,5B) = O. ist p (x = L, 2) =o. Fortsetzung Seite 2 bis 14 NormenausschuB Gleitlager (NGL) im DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. - DIN

16、31 654 Teil I Mai 1991 Preisar. 10 einverkauf der Normen durch Beuth Verlag GrnbH, Burggrafenstrae 6.1000 Berlin 30 - Verir.-Nr. O010 05.91 DINI DIN 3Lb54 TEIL L Seite 2 DIN 31654Teil 1 Die Anwendung des hnlichkeitsprinzips in der hydrodyna- mischen Gleitlagertheorie fhrt zu dimensionslosen Ahn- lic

17、hkeitsgr6en fr die interessierenden Kennwerte wie Tragfhigkeit, Reibungsverhalten, Schmierstoffdurchsatz. Die Verwendung der hnlichkeitsgrBen reduziert die Anzahl der notwendigen numerischen Lsungen der Reynoldsschen Differentialgleichung, die in DIN 31 654 Teil 2 zusammengestellt sind. Grundstzlich

18、 knnen auch andere Lsungen verwendet werden, sofern sie den in die- ser Norm angegebenen Bedingungen und einer entspre- chenden numerischen Genauigkeit gengen. DIN 31 654 Teil 3 enthlt Betriebsrichtwerte, an denen das Berechnungsergebnis zu orientieren ist, um die Funktions- fhigkeit der Gleitlager

19、sicherzustellen. In speziellen Fllen knnen von DIN 31 654 Teil 3 anwen- dungsspezifisch abweichende Betriebsrichtwerte verein- bart werden. 3 Be rech n u ng sve rfa h ren Unter Berechnung ist die rechnerische Ermittlung der Funk- tionsfhigkeit anhand von Betriebskennwerten (siehe Bild 4) zu verstehe

20、n, die mit Betriebsrichtwerten zu ver- gleichen sind. Hierbei mssen die bei unterschiedlichen Betriebszustnden ermittelten Betriebskennwerte gegen- ber den Betriebsrichtwerten zulssig sein. Dazu sind alle anhaltend gefahrenen Betriebszustnde zu untersuchen. Die Sicherheit gegen Verschiel6 ist dann g

21、egeben, wenn eine vollstndige Trennung der Gleitpartner durch den Schmierstoff erreicht wird. Anhaltender Betrieb im Mischreibungsgebiet fhrt zur vorzeitigen Funktionsunf- higkeit. Kurzzeitiger Betrieb im Mischreibungsgebiet, bei- spielsweise beim Anfahren und Auslaufen gleitgelagerter Maschinen, is

22、t unvermeidbar und kann bei zu gro6er Hu- figkeit zum Lagerschaden fhren. Unter hoher Last kann beim langsamen Anfahren oder Auslaufen eine hydrosta- tische Anhebung erforderlich werden. Einlauf- und Anpas- sungsverschlei6 zum Ausgleich der Oberflchen-Formab- weichungen von der Idealform sind zulass

23、ig, solange diese rtlich und zeitlich begrenzt und ohne Uberlasterscheinun- gen auftreten. In bestimmten Fllen kann ein gezielter Ein- lauf von Vorteil sein,was auch durch die Werkstoff-Auswahl zu beeinflussen ist. Die Grenzen der mechanischen Beanspruchung sind gege- ben durch die Festigkeit des La

24、gerwerkstoffs. Geringe blei- bende Verformungen sind zulssig, solange sie die Funk- tionsfhigkeit des Gleitlagers nicht beeintrchtigen. Die Grenzen der thermlschen BeanspNchung ergeben sich durch die Warmfestigkeit des Lagerwerkstoffs, aber 91 2794442 00593b3 829 auch durch die Viskositts-Temperatur

25、-Abhngigkeit und die Alterungsneigung des Schmierstoffs. Die Berechnung der Funktionsfhigkeit von Gleitlagern setzt voraus, da6 die Betriebsbedingungen fr alle an- haltend gefahrenen Betriebszustnde bekannt sind. In der Praxis treten jedoch hufig zustzliche Streinflsse auf, die bei der Auslegung noc

26、h unbekannt sind und einer rech- nerischen Erfassung auch nicht immer zugnglich sind. Daher ist zu empfehlen, mit einem entsprechenden Sicher- heitsabstand zwischen den Betriebskennwerten und den zulssigen Betriebsrichtwerten zu arbeiten. Streinflsse sind z. B.: - Strkrfe (Unwuchten, Schwingungen us

27、w.) - Formabweichungen von der Idealgeometrie (Ferti- - Schmierstoffverunreinigungen durch feste, flssige und - Korrosion, Elektroerosion usw. In Abschnitt 3.8 werden Hinweise zu einigen weiteren Ein- fluBgrBen gegeben. Die Anwendbarkeit dieser Norm, bei der eine laminare Str- mung im Schmierspalt v

28、orausgesetzt wird, ist durch die Reynoldszahl zu berprfen: gungstoleranzen, Montageabweichungen usw.) gasfrmige Fremdstoffe (2) Fr Keilspalte mit hrnin/Cwed = 0,8 kann als Richtwert nach Literatur 3 eine kritische Reynoldszahl Re, = 600 ange- nommen werden. Die Gleitlagerberechnung erfaBt, ausgehend

29、 von den bekannten LagermaBen und Betriebsdaten, - die Beziehung zwischen Tragfhigkeit und Schmierfilm- - die Reibleistung, - den Schmierstoffdurchsatz, - die Wrmebilanz, die alle miteinander in einer Wechselbeziehung stehen.Die Lsung erfolgt in einem iterativen Verfahren, dessen Ablauf in dem Berec

30、hnungsschema nach Bild 4 zusammengefa8t ist. Zur Optimierung einzelner Parameter kann eine Parameter- Variation durchgefhrt werden. Eine Modifikation des Berechnungsablaufes ist mglich. Q.U.hrnin Re = I Re, Veff dicke, DIN1 DIN 31b54 TEIL II 91 2794442 00593b4 7b5 - aF - DIN 31 654 Teil 1 Seite 3 st

31、elle) 3.1 Formelzeichen, Benennungen und Einheiten .It n Bild 1. Schematische Darstellung des Axial-Kippsegmentlagers 91 9 279444Z 0059365 bT1 9 Schmierspalt (axial) Koordinate quer zur Bewegungs- richtung (radial) Anzahl der Kippsegmente Dynamische Viskositt des Schmierstoffs Effektive dynamische V

32、iskositt des Schmierstoffs Dichte des Schmierstoffs DIN1 DIN 31b54 TEIL 1 m - Pa s Pa s kglm3 Seite 4 DIN 31 654 Teil 1 Einheit Formel- zeichen Formel- zeichen Benennung Benennung Einheit A Wrmeabgebende Oberflche des Lagergehuses m2 Q Schmierstoffdurchsatz m3is Q* Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl I -

33、 m Abstand der Untersttzungsstelle vom Spalteintritt in Bewegungs- richtung (Umfangsrichtung) Relativer Abstand der Unter- sttzungsstelle vom Spalteintritt in Bewegungsrichtung (Umfangs- richtung) Qo I m3/s Bezugsschmierstoffdurchsatz Qo = B. hmin. U -Z QI Schmierstoffdurchsatz am Eintrittsspalt (Um

34、fangsrichtung) 1 m3/s QT Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl - am Eintrittsspalt B Breite eines Segments m 42 I m3is Schmierstoffdurchsatz am Austrittsspalt (Umfangsrichtung) Cwed Keiltiefe m CP Spezifische Wrmekapazitt des Schmierstoffs (p = const.) Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl - Qf - Qg am Austrittss

35、palt D Mittlerer Gleitdurchmesser m 43 Schmierstoffdurchsatz an den m3/s Seitenrndern (quer zur Umfangsrichtung) Di Innendurchmesser innerhalb der Kippsegmente m Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl - an den Seitenrndern AuBendurchmesser ber die Kippsegmente m Im Gemittelte Rauhtiefe der Spurscheibe Lager

36、kraff (Belastung) bei Nenn- drehfrequenz Tragkraftkennzahl Lagerkraff (Belastung) bei Stillstand F F* Re Reynoldszahl I- Tamb Umgebungstemperatur I “C Fst f* Lagertemperatur I “C Reibungskennzahl Effektive Schmierstoff- temperatur h rtliche Schmierfilmdicke (Spalthhe) m Schmierstofftemperatur am “C

37、Schmierstofftemperatur am “C Zulssige Lagertemperatur “C Schmierstofftemperatur am “C Eintrittsspalt Eintritt in das Lager Austritt aus dem Lager Ten Tex Tiim T1 Mindestzulssige Schmierfilm- dicke im Betrieb m hiimtr Mindestzulssige Schmierfilm- dicke am bergang in die Mischreibung m hmin Minimale S

38、chmierfilmdicke (kleinste Spalthhe) Wrmedurchgangskoeff izient, bezogen auf das Produkt B - L. Z uBerer Wrmedurchgangs- koeffizient (Bezugsflche A) Segmentlnge in Umfangs- richtung m W/(m2 K) W/(m2 K) m Schmierstofftemperatur am Austrittsspalt k U Gleitgeschwindigkeit, bezogen mis auf den mittleren

39、Tragring- durchmesser L Wamb Anstrmungsgeschwindigkeit mis der das Lagergehuse anstr- menden Luft M Mischungsfaktor Im Koordinate in Bewegungs- richtung (Umfangsrichtung) N Umdrehungsfrequenz (Drehzahl) der Spurscheibe S-1 31 Y Pth,amb Wrmestrom an die Umgebung W Reibleistung im Lager bzw. der durch

40、 sie hervorgerufene Wrmestrom W z Pth.L Wrmestrom im Schmierstoff W Z 4 4eff P rtlicher Schmierfilmdruck Pa P Spezifische Lagerbelastung p= F/(B -L *Z) Pa Fiim Pa Zulssige spezifische Lager- belastung e DIN1 DIN 33654 TEIL 1 91 3.2 Koordinate des Druckmittelpunktes Bei Kippsegmenten stimmt die x-Koo

41、rdinate des Druckmit- telpunktes aF mit der x-Koordinate der Kippachse berein. Die auf die Gleitschuhlnge bezogene %-Koordinate des Druckmittelpunktes a$=aF/L ist eine Funktion der bezoge- nen minimalen Schmierfilmdicke hmin/Cwed und der bezo- genen Gleitschuhbreite BIL. In DIN 31 654 Teil 2 ist a;=

42、 f (hmin/Cwed; BIL) dargestellt. Dort ist auch eine Nherungsfunktion angegeben. Wichtig fr die Berechnung ist, da durch die Wahl der Untersttzungsstelle aF sowohl die bezogene minimale Schmierfilmdicke hmin/Cwed als auch die Tragfhigkeits-, Reibleistungs- und Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl fest- gel

43、egt werden,die sich -auch unterwechselnden Betriebs- bedingungen - nicht ndern. 3.3 Tragfhigkeit Kennzeichnend fr die Tragfhigkeit ist die dimensionslose Tragkraft kennzah I F* : (3) Die Funktion F* =f (hmin/Cwed; BIL) ist auf der Grundlage von Literatur 4 dargestellt in DIN31 654Teil2.Dort ist auch

44、 eine Nherungsfunktion angegeben. 3.4 Reibleistung Die Verluste durch Reibung in einem hydrodynamischen Axial-Gleitlager werden durch die Reibungskennzahl f* erfat. Sie ist definiert als (4) Damit ergibt sich die Reibleistung wie folgt: firnin Die Funktion f* = f (hmin/Cwed; B/L) ist auf der Grundla

45、ge von Literatur 4 in DIN 31 654Teil2 dargestellt. Dort ist auch eine Naherungsfunktion angegeben. 3.5 Schmierstoffdurchsatz Der dem Lager zugefhrte Schmierstoff bildet einen trag- fhigen Schmierfilm zur Trennung der Gleitflchen. Gleich- zeitig hat der Schmierstoff die Aufgabe, die im Lager ent- ste

46、hende Reibungswrme abzufhren. Durch die Drehbewegung der Spurscheibe wird der Schmierstoff unter Druckaufbau in Richtung des konver- gierenden Spalts mitgenommen. Dabei tritt bei jedem Kippsegment ein Teil des Schmierstoffs an den Seiten des Kippsegments aus. Die seitlichen Anteile werden nhe- rungs

47、weise als gleich gro angenommen. Q2 T2 Bild 2. Schematische Darstellung der Schmierstoff- und Wrmebilanz eines Kippsegments 2794442 00593bb 538 DIN 31654Teil 1 Seite 5 In Bild 2 ist mit Qi=Q2+Q3 (6) Qi = Q:. Qo (7) Q3 = QB. Qo (8) Q2 = Qi - Q3 (9) Qo = B. hmjn. U -2 (10) Die bezogenen Gren Q; = Q1/Q

48、o und Q: = Q3/Qo knnen in Abhngigkeit von der Geometrie (BIL) und der sich einstellenden relativen Schmierfilmdicke hmin/Cwed aus DIN 31 654Teil2 entnommen werden.Dort sind auch Nhe- rungsfunktionen angegeben. Es wird angenommen,da der seitlich an den Kippsegmen- ten austretende Schmierstoff Q3 die

49、Temperatur (Ti + T2)/2 und der an den Enden austretende Schmierstoff 42 die Temperatur T2 hat. 3.6 Wrmebilanz Der thermische Zustand des Gleitlagers ergibt sich aus der Wrmebilanz. Der durch die Reibleistung Pf im Lager entstehende Warmestrom Pth,f wird abgefhrt ber das Lagergehuse an die Umgebung sowie durch den aus dem Lager austre- tenden Schmierstoff. Bei praktis