การปรับเล็กน้อยที่สร้างความแตกต่างอย่างมาก
ปั๊มหอยโข่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการถ่ายเทของเหลวในงานอุตสาหกรรม แม้ว่าการออกแบบจะค่อนข้างทนทาน แต่ปั๊มแบบแรงเหวี่ยงมักจะประสบกับความล้มเหลวทางกลเนื่องจากการสึกหรอของซีลมากเกินไป ความเสียหายจากการลื่นไถลในตลับลูกปืน และ/หรือความล้มเหลวของกรงลูกปืน บทความนี้สำรวจโหมดความล้มเหลวสามโหมดนี้ และใช้ซอฟต์แวร์คำนวณตลับลูกปืนที่เป็นเอกสิทธิ์ อธิบายว่าระยะห่างตามแนวแกนของตลับลูกปืนที่เหมาะสมสามารถลดปัญหาเหล่านี้ได้อย่างไรเพื่อยืดอายุการใช้งานของตลับลูกปืนและสุดท้ายคือตัวปั๊มเอง
เมื่อมองเข้าไปในปั๊มของเหลวแบบแรงเหวี่ยง จะพบตำแหน่งตลับลูกปืนแยกกันสองตำแหน่ง ตำแหน่งด้านหน้าที่ใกล้กับใบพัดมากที่สุดมักจะเป็นตลับลูกปืนที่ไม่มีตำแหน่งซึ่งทำปฏิกิริยากับโหลดในแนวรัศมีของระบบ ตลับลูกปืนเม็ดกลมร่องลึกหรือตลับลูกปืนลูกกลิ้งทรงกระบอกมักใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ โดยทั่วไปแล้ว ตำแหน่งด้านหลังจะเป็นคู่แบริ่งกำหนดตำแหน่งตามแนวแกน ซึ่งกำหนดระยะห่างปลายแกนและตอบสนองต่อภาระในแนวแกนและแนวรัศมี ปั๊มหอยโข่งส่วนใหญ่ใช้ตลับลูกปืนเม็ดกลมสัมผัสเชิงมุมสองแถว (DRACBB) ตลับลูกปืนเม็ดกลมสัมผัสเชิงมุมคู่หนึ่ง (ACBBs) หรือตลับลูกปืนเม็ดกลมเรียว
ภาพที่ 1: การจัดเรียงตลับลูกปืนทั่วไปภายในปั๊มหอยโข่ง (ภาพโดย Schaeffler Group USA Inc.)
โหมดความล้มเหลว
ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น โหมดความล้มเหลวทั่วไปสามโหมดในปั๊มหอยโข่ง ได้แก่ การสึกหรอของซีล ความเสียหายจากการลื่นไถลในตลับลูกปืน และการแตกหักของกรงแบริ่ง โหมดความล้มเหลวครั้งแรกเหล่านี้—การสึกหรอของซีลมากเกินไป—เกิดจากการโก่งตัวของเพลาหลัก ซึ่งเพิ่มแรงสัมผัสของซีลกับเพลา ซึ่งทำให้วัสดุซีลสึกหรอก่อนเวลาอันควร การลดการโก่งตัวของเพลานี้จะช่วยยืดอายุของซีล ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานของระบบปั๊มยาวนานขึ้น
โหมดความล้มเหลวทั่วไปที่สองสำหรับปั๊มหอยโข่ง—ความเสียหายจากการลื่นไถลในตลับลูกปืน—เกิดจากการโหลดไม่เพียงพอบนตลับลูกปืนตำแหน่งตัวใดตัวหนึ่ง เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วแรงในแนวแกนของปั๊มจะกระทำในทิศทางเดียวเท่านั้น ตลับลูกปืนระบุตำแหน่งเพียงตัวเดียวรับน้ำหนักส่วนใหญ่ ในขณะที่ตลับลูกปืนอีกตัวใช้เพื่อรองรับโหลดในแนวรัศมีเพิ่มเติมและโมเมนต์พลิกกลับ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสภาพการทำงาน สิ่งนี้อาจนำไปสู่การขนถ่ายของตลับลูกปืนตัวเดียว โดยองค์ประกอบที่กลิ้งมักจะหมุนออกจากแกนของมันแทนที่จะหมุนไปตามทิศทางที่ตั้งใจไว้ในร่องน้ำ ACBB และ DRACBB มีความเสี่ยงต่อกลไกนี้เป็นพิเศษภายใต้สภาวะโหลดน้อย ยิ่งไปกว่านั้น แรงเหวี่ยงที่ส่งไปยังลูกบอลในขณะที่ลูกบอลอยู่นอกเขตโหลด อาจทำให้การเปลี่ยนแปลงมุมสัมผัสที่ลูกปืนสัมผัสรุนแรงยิ่งขึ้นไปอีก การหมุนที่เพิ่มขึ้นนี้นำไปสู่ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการลื่นไถล ซึ่งสามารถรับรู้ได้โดยรางเลื่อนบนรางน้ำและองค์ประกอบการกลิ้ง การลดระยะห่างหรือแม้กระทั่งการโหลดล่วงหน้าของตลับลูกปืนตำแหน่งสามารถช่วยหลีกเลี่ยงโหมดความล้มเหลวนี้ได้
การลื่นไถลยังสามารถนำไปสู่การแตกหักของกรง ซึ่งเป็นโหมดความล้มเหลวทั่วไปที่สามสำหรับปั๊มหอยโข่ง ภายในแบริ่งรับน้ำหนักน้อย พื้นที่รับน้ำหนักประกอบขึ้นเป็นส่วนที่เล็กกว่าของทางวิ่ง สิ่งนี้อาจทำให้องค์ประกอบกลิ้งในกระเป๋ากรงแบริ่งช้าลงหรือเบรกเมื่อเข้าสู่โซนที่ไม่ได้โหลดในกระเป๋ากรงแล้วเร่งเมื่อกลับเข้าสู่โซนโหลดและเริ่มหมุนตามปกติอีกครั้ง หากการเร่งความเร็วและการชะลอตัวเหล่านี้รุนแรงหรือบ่อยครั้งเพียงพอ กรงอาจมีอาการเมื่อยล้าและแตกหักในที่สุดในกระเป๋าอันเป็นผลมาจากความเค้นที่สูงกว่าปกติ
ภาพที่ 2: การโก่งตัวของซีลที่การตั้งค่าระยะห่างตามแนวแกนของตลับลูกปืนแบบต่างๆ (แสดงใน BEP)
การวิเคราะห์
เพื่อตรวจสอบโหมดความล้มเหลวเหล่านี้ ผู้ผลิตตลับลูกปืนได้เลือกปั๊มที่ผู้ใช้จัดหา และตรวจสอบการกระจัดที่ซีล อัตราส่วนการหมุน/หมุนของลูกบอล ตลอดจนการเร่งความเร็วของกรงผ่านจุดประสิทธิภาพที่ดีที่สุด (BEP) เพื่อจำลองสภาพการทำงานปกติ กล่องบรรจุทั้งหมดถูกรันที่ 1,780 รอบต่อนาที (รอบต่อนาที) โดยมีค่าความแตกต่างของอุณหภูมิ 10 C (50 F) ระหว่างวงแหวนด้านในและด้านนอก ACBBs ซีรีส์ 7313 คู่ที่ต่างกันสามคู่ถูกจำลองในตำแหน่งตำแหน่งภายใต้สภาวะที่กล่าวข้างต้นด้วยช่วงการกวาดล้างที่แตกต่างกัน คู่ทดสอบทั้งหมดมีการออกแบบที่เป็นสากล (สำหรับใช้เป็นคู่ในการจัดเรียง X หรือ O) และมีระดับการกวาดล้างต่อไปนี้: UA (ระยะห่างตามแนวแกนขนาดเล็ก), UB (น้อยกว่าการกวาดล้างตามแนวแกน UA) และ UO (ปลอดการกวาดล้าง) . ระยะห่างในตลับลูกปืนซีรีย์ 6313 ด้านหน้าถูกตั้งค่าเป็นระยะห่างปกติ (CN) สำหรับการคำนวณทั้งหมด แบริ่งด้านมอเตอร์ในคู่ระบุตำแหน่งจะรองรับโหลดตามแนวแกนในระบบโดยอิงจากการโหลดที่จัดให้ ในขณะที่แบริ่งที่ด้านใบพัดรองรับโหลดในแนวรัศมีและโหลดโมเมนต์พลิกคว่ำ
การใช้พารามิเตอร์ทดสอบเหล่านี้และ ACBB สามคู่ที่แตกต่างกัน การกระจัดของเพลาที่ตำแหน่งซีลเป็นเงื่อนไขแรกที่ได้รับการตรวจสอบ การโก่งตัวเหล่านี้สามารถเห็นได้ในภาพที่ 2 ที่ 0% BEP คู่ของ ACBB ระยะห่าง UA ส่งผลให้เกิดการกระจัดของเพลาที่ใหญ่ที่สุด ในขณะเดียวกัน ตลับลูกปืน UB-clearance เบี่ยงเบน 13 ไมโครเมตร (µm) น้อยกว่ารุ่น UA-clearance ในขณะที่ตลับลูกปืน UO-clearance คู่เบี่ยงเบน 27 µm น้อยกว่าคู่ UA ที่ตำแหน่งซีล พบผลลัพธ์ที่คล้ายกันที่ 25% BEP: คู่ UB-clearance เบี่ยงเบนไป 11 µm น้อยกว่าคู่ UA ในขณะที่คู่ UO-clearance เบี่ยงเบน 24 µm น้อยกว่าคู่ UA ที่ตำแหน่งซีล
แม้ว่าผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันจะเห็นได้ที่ 50% BEP แต่ก็ควรสังเกตว่าการโก่งตัวโดยรวมของเพลาจะลดลงเมื่อ BEP เพิ่มขึ้น ACBB ระยะห่าง UB คู่เบี่ยงเบนไป 2 µm น้อยกว่าคู่ UA ในขณะที่ตลับลูกปืนระยะห่าง UO เบี่ยงเบน 4 µm น้อยกว่าคู่ UA ที่ตำแหน่งซีล ที่ BEP 75% และ 100% คู่ UA จะเบี่ยงเบนน้อยกว่าทั้งตลับลูกปืน UB และ UO ที่ BEP 75% ตลับลูกปืน UB-clearance เบี่ยงเบนมากกว่าตลับลูกปืน UA-clearance 1 µm ในขณะที่คู่ UO เบี่ยงเบนมากกว่าคู่ UA 2 µm ที่ตำแหน่งซีล
ในทำนองเดียวกัน ตลับลูกปืนระยะห่าง UO เบี่ยงเบน 2 µm มากกว่าคู่ UA ที่ 100% BEP ในขณะที่ตลับลูกปืนระยะห่าง UO เบี่ยงเบนมากกว่าคู่ UA 3 µm ที่ตำแหน่งซีล
มีข้อแตกต่างเพียงเล็กน้อยในการโก่งตัวที่ช่วง BEP ที่เหมาะสมกว่า แต่มีข้อได้เปรียบที่ BEP ที่ต่ำกว่าในแง่ของการลดการสึกหรอของซีลเนื่องจากการโก่งตัวของเพลาน้อยลง
ภาพที่ 3: อัตราส่วนการหมุน/หมุนตามหน้าที่ของระยะห่างตามแนวแกนของตลับลูกปืน
หลังจากการวิเคราะห์การโก่งตัวของเพลาแล้ว อัตราส่วนการหมุน/การหมุนเป็นเงื่อนไขต่อไปที่ต้องตรวจสอบ อัตราส่วนการหมุน/หมุนที่มากกว่า 0.5 เชื่อมโยงกับโอกาสสูงที่จะเกิดความเสียหายจากการลื่นไถลในตลับลูกปืน แม้ว่าสิ่งนี้อาจขึ้นอยู่กับการหล่อลื่นในระบบ สำหรับการวิเคราะห์ส่วนนี้ จะมีการตรวจสอบตลับลูกปืนในตำแหน่งด้านมอเตอร์และใบพัด และผลลัพธ์ทั้งหมดสามารถเห็นได้ในภาพที่ 3
สำหรับคู่แบริ่งระยะห่าง UA อัตราส่วนการหมุน/หมุนจะมากกว่า 1.1 สำหรับกรณี BEP ทั้งหมดในแบริ่งด้านใบพัด แสดงว่ามีแนวโน้มจะลื่นไถล แม้ว่าตลับลูกปืนข้างมอเตอร์จะทำงานได้ดีขึ้นเมื่อ BEP เพิ่มขึ้น แต่การลื่นไถลยังมีโอกาสเกิดขึ้นได้เมื่อใช้งานต่ำกว่า 50% BEP ในขณะเดียวกัน แบริ่งด้านใบพัดของคู่ UB แสดงอัตราส่วนการหมุน/หมุนที่มากกว่า 0.9 สำหรับกรณี BEP ทั้งหมด—อีกครั้ง ซึ่งบ่งชี้ว่ามีแนวโน้มที่จะลื่นไถล การลื่นไถลยังคงเป็นปัญหาที่ 0% BEP และ 25% BEP ในตลับลูกปืนด้านมอเตอร์ สภาพลื่นไถลเป็นเส้นเขตที่ 50% BEP สุดท้าย แบริ่งด้านใบพัดของคู่แบริ่งระยะห่าง UO แสดงอัตราส่วนการหมุน/หมุนที่มากกว่า 0.6 สำหรับกรณี BEP ทั้งหมด สิ่งนี้บ่งชี้ว่าการลื่นไถลมีแนวโน้มที่ 0% BEP และ 25% BEP; ที่ BEP ที่สูงขึ้น สภาพการลื่นไถลจะอยู่ในแนวเขต
ภาพที่ 4: ความแตกต่างของความเร็วกรงเป็นหน้าที่ของการกวาดล้างตามแนวแกนของลูกปืน
สำหรับโหมดความล้มเหลวทั่วไปที่สามสำหรับปั๊มหอยโข่ง—ความล้มเหลวของกรงลูกปืน—การเปลี่ยนแปลงความเร็วของกรงของตลับลูกปืนแสดงผลลัพธ์ที่คล้ายกับสภาพการหมุน/หมุน สิ่งนี้ถูกกำหนดโดยการคำนวณความเร็วการโคจรของลูกบอลแต่ละลูกในกระเป๋ากรง จากนั้นใช้ความแปรปรวนระหว่างค่าสูงสุดและต่ำสุดเพื่อสร้างความแตกต่างของความเร็วกรงที่เห็นในภาพที่ 4
เนื่องจากความแตกต่างของความเร็วกรงที่มากขึ้นทำให้เกิดแรงกดที่กระเป๋ามากขึ้น ภาวะนี้อาจนำไปสู่การแตกหักได้ ตามภาพที่ 4 คู่ตลับลูกปืน UA-clearance แสดงความแตกต่างของความเร็วกรงสูงสุด ปรากฏการณ์นี้ชัดเจนโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ BEP ลดลง ในขณะที่คู่ UB ทำงานได้ดีกว่า แต่ความเร็วของกรงต่ำสุดนั้นทำได้โดยใช้แบริ่งระยะห่าง UO
จากการตรวจสอบก่อนหน้านี้ในโหมดความล้มเหลวทั่วไปสามโหมดสำหรับปั๊มหอยโข่ง การเลือกระยะห่างตามแนวแกนของตลับลูกปืนที่เหมาะสมควรปรับปรุงอายุการใช้งานของตลับลูกปืน และด้วยเหตุนี้ ตัวปั๊มเอง
การใช้ตลับลูกปืนที่มีระยะห่างน้อยกว่าจะจำกัดการโก่งตัวที่ซีล ซึ่งจะช่วยปรับปรุงอายุการซีลของปั๊ม—โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำงานเพิ่มเติมจากช่วง BEP ที่เหมาะสมที่สุด นอกจากนี้ ระยะห่างที่ลดลงยังช่วยลดปริมาณการลื่นไถลที่อาจเกิดขึ้นในตลับลูกปืน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในตลับลูกปืนที่ไม่ได้บรรจุซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับโมเมนต์และโหลดในแนวรัศมี
การเลือกระยะห่างที่เหมาะสมยังช่วยลดความเครียดในกรงได้เนื่องจากการเร่งความเร็ว ซึ่งสามารถยืดอายุของตลับลูกปืนและระบบโดยรวมได้ อย่างไรก็ตาม หากยังคงเห็นความเสียหายในตลับลูกปืนแม้จะมีระยะการกวาดล้างที่ลดลง ก็อาจจำเป็นต้องย้ายไปยังตลับลูกปืนที่โหลดไว้ล่วงหน้าเพื่อลดโอกาสในการลื่นไถลและความเค้นของกรง