1、DINI DIN 31653 TEIL I 9% = 2794442 0059335 b4 W D K 6 21.8 2 2.573 .001.24 DEUTSCHE NORM Mai 1991 I Gleitlager Hydrodynamische Axial-Gleitlager im stationren Betrieb Berechnung von Axialsegmentlagern I 31653 Teil 1 Plain bearings; Hydrodynamic plain thrust bearings under steady-state conditions; Cal
2、culation of pad thrust bearings Paliers lisses; Paliers bute a segments hydrodynamiques sous conditions de service stationnaires; Mthode de calcul des paliers bute a segments Inhalt Seite 1 Anwendungsbereich und Zweck 1 2 Allgemeine Grundlagen, Annahmen und Voraussetzungen. 1 3 Berechnungsverfahren.
3、 2 3.1 Formelzeichen, Benennungen und Einheiten . 3 3.2 Tragfhigkeit 5 3.3 Reibleistung . 5 1 Anwendungsbereich und Zweck Ziel dieser Norm ist die betriebssichere Auslegung von Gleitlagern durch die Anwendung eines Berechnungsver- fahrens fr lgeschmierte hydrodynamische Gleitlager mit vollstndiger T
4、rennung der Spurscheiben- und Lager-Gleit- flche durch einen Schmierfilm (Literatur l). Diese Norm gilt fr Axial-Gleitlager mit fest eingearbeiteten Keilflchen und Rastflchen, bei denen das Verhltnis Keil- flchenlnge Lwed zu Segrnentlnge L an sich beliebig ist. Die vorliegende Norm befat sich vorzug
5、sweise mit dem Wert L,d/L = 0,75, da dieser Wert nach Literatur 2 das optimale Verhltnis darstellt. Das Verhltnis Breite zu Lnge eines Segments kann in dem Bereich BL=0,5 bis 2 variiert werden. Der hier beschriebene Berechnungsgang kann fr andere fest eingearbeitete Spaltformen wie z. B. Staurandlag
6、er benutzt werden, wenn fr diese Bauarten die numerischen Lsungen der Reynoldsschen Differentialgleichung vor- liegen. Das Berechnungsverfahren dient der Auslegung und Opti- mierung von Axial-Gleitlagern fr z. B. Geblse, Getriebe, Seite 3.4 Schmierstoffdurchsatz .:. 5 3.5 Wrmebilanz 5 3.6 Minimale S
7、chmierfilrndicke und spezifische Lagerbelastung . 7 3.7 Betriebszustnde 7 3.8 Weitere Einflugren 7 Anhang A Berechnungsbeispiele . 9 Purnpen,Turbinen, Elektromaschinen,Verdichter und Werk- zeugmaschinen. Es beschrnkt sich auf den stationren Betrieb, d. h. in anhaltend gefahrenen Betriebszustnden sin
8、d die Belastung und die Winkelgeschwindigkeit aller rotierenden Teile konstant. Nicht erfat werden instationre Betriebszustnde. 2 Allgemeine Grundlagen, Annahmen und Voraussetzungen Die Berechnung erfolgt grundstzlich mit den numerischen Lsungen der Reynoldsschen Differentialgleichung fr Gleitflchen
9、 endlicher Breite unter Bercksichtigung der physikalisch richtigen Randbedingungen fr die Druckent- wicklung. Zur Herleitung der Reynoldsschen Differentialgleichung wird verwiesen z.B. auf Literatur l, zur numerischen Lsung auf Literatur 2. Fortsetzung Seite 2 bis 16 Normenausschu Gleitlager (NGL) i
10、m DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. - Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GrnbH, Burggrafenstrae 6,1000 Berlin 30 05 91 DIN 31 653 Teil 1 Mai 1991 Preisgr. 11 Vert 1.- N r 001 1 DIN3 DIN 33653 TEIL L 71 2794442 0057336 BTO = Seite 2 DIN 31 653 Teil 1 Bei der Lsung von Gleichung (1) werd
11、en folgende idealisie- rende Annahmen und Voraussetzungen gemacht, deren Zulssigkeit sich experimentell und praktisch hinreichend besttigt hat: a) Der Schmierstoff entspricht einer Newtonschen Fls- sigkeit. b) Alle Strmungsvorgnge des Schmierstoffs sind laminar. c) Der Schmierstoff haftet voll an de
12、n Gleitflchen. d) Der Schmierstoff ist inkompressibel. e) Der Schmierspalt ist vollstndig mit Schmierstoff gefllt. f) Trgheitswirkungen, Gravitations- und Magnetkrfte des Schmierstoffes sind vernachlssigbar. g) Die Bauteile,die den Schmierspalt bilden,sind starr bzw. ihre Verformung vernachlssigbar;
13、 ihre Oberflchen sind vollkommen glatt. h) Die Schmierfilmdicke in radialer Richtung (z-Koordi- nate) ist konstant. i) Drucknderungen im Schmierfilm senkrecht zu den Gleitflchen (y-Koordinate) sind vernachlssigbar. j) Eine Bewegung normal zu den Gleitflchen (y-Koordi- nate) findet nicht statt. k) De
14、r Schmierstoff ist im ganzen Schmierspalt isoviskos. I) Der Schmierstoff wird am weitesten Schmierspalt zuge- fhrt; die Hhe des Zufhrdrucks ist vernachlssigbar gegenber den Schmierfilmdrcken selbst. m) Die Segmentform der Gleitflchen wird durch Recht- ecke angenhert. Die Randbedingungen fr die Lsung
15、 der Reynoldsschen Differentialgleichung lauten: 1. Der Schmierstoffberdruck an der Zufhrstelle des Schmierstoffs ist p (x = O, z) =O. 2. Die Schmierstoffzufhrung ist so angeordnet, daB der Druckaufbau im Schmierspalt nicht gestrt wird. 3. Der Schmierstoffberdruck an den seitlichen Rndern des Gleitl
16、agers ist p (x, z = 0,5 i?) = O. 4. Der Schmierstoffberdruck am Ende des Druckfeldes ist Die Anwendung des hnlichkeitsprinzips in der hydrodyna- mischen Gleitlagertheorie fhrt zu dimensionslosen hn- IichkeitsgrBen fr die interessierenden Kennwerte wie Tragfhigkeit, Reibungsverhalten, Schmierstoffdur
17、chsatz. Die Verwendung der hnlichkeitsgrBen reduziert die Anzahl der notwendigen numerischen Lsungen der Rey- noidsschen Differentialgleichung,die in DIN 31 653Teil2 zu- sammengestellt sind. Grundstzlich knnen auch andere Lsungen verwendet werden,sofern sie den in dieser Norm angegebenen Bedingungen
18、 und einer entsprechenden numerischen Genauigkeit gengen. DIN 31 653 Teil 3 enthlt Betriebsrichtwerte, an denen das Berechnungsergebnis zu orientieren ist, um die Funktions- fhigkeit der Gleitlager sicherzustellen. In speziellen Fllen knnen von DIN 31 653 Teil 3 anwen- dungsspezifisch abweichende Be
19、triebsrichtwerte verein- bart werden. p (x = L, 2) = o. 3 Berechnungsverfahren Unter Berechnung ist die rechnerische Ermittlung der Funk- tionsfhigkeit anhand von Betriebskennwerten (siehe Bild 4) zu verstehen, die mit Betriebsrichtwerten zu ver- gleichen sind. Hierbei mssen die bei unterschiedli-en
20、 Be- triebszustnden ermittelten Betriebskennwerte gegenber den Betriebsrichtwerten zulssig sein. Dazu sind alle anhal- tend gefahrenen Betriebszustnde zu untersuchen. Die Sicherheit gegen Verschlei6 ist dann gegeben, wenn eine vollstndige Trennung der Gleitpartner durch den Schmierstoff erreicht wir
21、d. Anhaltender Betrieb im Mischrei- bungsgebiet fhrt zur vorzeitigen Funktionsunfhigkeit. Kurzzeitiger Betrieb im Mischreibungsgebiet, beispiels- weise beim Anfahren und Auslaufen gleitgelagerter Maschi- nen, ist unvermeidbar und kann bei zu groBer Hufigkeit zum Lagerschaden fhren. Unter hoher Last
22、kann beim langsamen Anfahren oder Auslaufen eine hydrostatische Anhebung erforderlich werden. Einlauf- und Anpassungs- verschleil3 zum Ausgleich der Oberflchen-Formabwei- chungen von der Idealform sind zulssig, solange diese rt- lich und zeitlich begrenzt und ohne berlasterscheinungen auftreten. In
23、bestimmten Fllen kann ein gezielter Einlauf von Vorteil sein, was auch durch die Werkstoff-Auswahl zu beeinflussen ist. Es wird darauf hingewiesen,daB bei dieser Lagerbauart Ver- schleif3 zu einem schnellen Abfall der Tragfhigkeit fhren kann. Die Grenzen dermechanischen Beanspruchung sind gege- ben
24、durch die Festigkeit des Lageniverkstoffs. Geringe blei- bende Verformungen sind zulssig, solange sie die Funk- tionsfhigkeit des Gleitlagers nicht beeintrchtigen. Die Grenzen der thermischen Beanspruchung ergeben sich durch die Warmfestigkeit des Lagerwerkstoffs, aber auch durch die Viskositts-Temp
25、eratur-Abhngigkeit und die Alterungsneigung des Schmierstoffs. Die Berechnung der Funktionsfhigkeit von Gleitlagern setzt voraus, da6 die Betriebsbedingungen fr alle anhal- tend gefahrenen Betriebszuctnde bekannt sind. In der Praxis treten jedoch hufig zustzliche Streinflsse auf, die bei der Auslegu
26、ng noch unbekannt sind und einer rechnerischen Erfassung auch nicht immerzugnglich sind. Daher ist zu empfehlen, mit einem entsprechenden Sicher- heitsabstand zwischen den Betriebskennwerten und den zulssigen Betriebsrichtwerten zu arbeiten. Streinflsse sind z. B.: - Strkrfte (Unwuchten, Schwingunge
27、n usw.) - Formabweichungen von der Idealgeometrie (Ferti- gungstoleranzen, Montageabweichungen usw.) - Schmierstoffverunreinigungen durch feste, flssige und gasfrmige Fremdstoffe - Korrosion, Elektroerosion usw. Im Abschnitt 3.8 werden Hinweise zu einigen weiteren Ein- flul3grBen gegeben. Die Anwend
28、barkeit dieser Norm, bei der eine laminare Str- mung im Schmierspalt vorausgesetzt wird, ist durch die Reynoldssche Zahl zu berprfen: Fr Keilspalte mit hmin/Cwed = 0,8 kann als Richtwert nach Literatur 7 eine kritische Reynoldszahl Recr = 600 ange- nommen werden. Die Gleitlagerberechnung erfaBt, aus
29、gehend von den bekannten Lagerabmessungen 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
30、in dem Berechnungsschema nach Bild 4 zusammengefaBt ist. Zur Optimierung einzelner Parameter kann eine Parameter- Variation durchgefhrt werden. Eine Modifikation des Berechnungsablaufes ist mglich. dicke, DINI DIN 33653 TEIL I 91 2794442 O059337 737 DIN 31 653 Teil 1 Seite 3 3.1 Formelzeichen, Benen
31、nungen und Einheiten Rastf iche Schmiernut Bild 1. Schematische Darstellung des Axialsegmentlagers (Lager mit eingearbeiteten Keilflchen und Rastflchen) DIN1 DIN 31b53 TEIL 1 91 m 2794442 0059338 b73 m Seite 4 DIN 31 653 Teil 1 Formel- zeichen Benennung Einheit Formel- zeichen Benennung Einheit O A
32、Wrmeabgebende Oberflche des Lagergehuses m2 Qo m3/s Bezugsschmierstoffdurchsatz Qo=B ehm, .U -2 Schmierstoffdurchsatz am Eintrittsspalt (Umfangsrichtung) Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl am Eintrittsspalt Breite eines Segments m QI m3/s B Cwed Keiltiefe m Spezifische Wrmekapazitt des Schmierstoffs (p
33、= const.) Mittlerer Gleitdurchmesser (Tragringdurchmesser) 42 Schrnierstoffdurchsatz am Austrittsspalt (Umfangsrichtung) m3/s D m QS Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl- Q: - Q: am Austrittsspalt Innendurchmesser des Tragrings m Di DO AuBendurchmesser des Tragrings m Q3 Schmierstoffdurchsatz an den Seite
34、nrndern (quer zur Umfangsrichtung) m3/s F Lagerkraft (Nennbelastung) Tragkraftkennzahl N - F* Tragkraftkennzahl fr Axial- segmentlager Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl an den Seitenrndern Gemittelte Rauhtiefe der Spurscheibe Reynoldszahl Umgebungstemperatur Lagertemperatur Effektive Schmierstofftemper
35、atur Schmierstofftemperatur am Eintritt in das Lager m Lagerkraft (Belastung) bei Stillstand N f* Reibungskennzahl Re Tamb TB Teff Ten fi Reibungskennzahl fr Axial- segmentlager OC OC h rtliche Schmierfilmdicke (Spalthhe) m OC hiim Mindestzulssige Schmierfilm- dicke im Betrieb m OC hiim,tr Mindestzu
36、lssige Schmierfilmdicke am bergang in die Mischreibuhg m Schmierstofftemperatur am Austritt aus dem Lager OC Minimale Schmierfilmdicke (kleinste Spalthhe) m Tiim Hchstzulssige iagertemperatur OC OC Schmierstofftemperatur am Eintrittsspalt Schmierstofftemperatur am Austrittsspalt k Wrmedurchgangskoef
37、f izient, bezogen auf das Produkt B.L-Z W/(m2 K OC uerer Wrmedurchgangs- koeffizient (Bezugsflche A) U Gleitgeschwindigkeit bezogen auf den mittleren Tragringdurchmesser mis L Segmentlnge in Umfangsrichtung m Led Keillnge Mischungsfaktor m - M wamb mis Anstrmungsgeschwindigkeit der das Lagergehuse a
38、nstrmenden Luft Koordinate in Bewegungsrichtung (Umfangsrichtung) N Umdrehungsfrequenz (Drehzahl) der Spurscheibe S-1 X mts Reibleistung im Lager bzw. der durch sie hervorgerufene Wrmestrom W Y Koordinate in Richtung Schmierspalt (axial) m Pth.amb Wrmestrom an die Umgebung W Pth,L Wrmestrom im Schmi
39、erstoff W 2 Koordinate quer zur Bewegungs- richtung (radial) m P rtlicher Schmierfilmdruck Pa Z Anzahl der Segmente P Spezifische Lagerbelastung P = F/(B L Z) Pa Dynamische Viskositt des Schmierstoffs Pa s Piim Hchstzulssige spezifische Lagerbelastung Pa Veff Effektive dynamische Viskositt des Schmi
40、erstoffs Pa s Schmierstoffdurchsatz Q Q* e Dichte des Schmierstoffs Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl DIN1 DIN 32653 TEIL L 91 2794442 0059339 50T W DIN 31 653 Teil 1 Seite 5 3.2 Tragfhigkeit Kennzeichnend fr die Tragfhigkeit ist die dimensionslose Trag kraft ken nzahl F“: (3) In Gleichung (3) sind sow
41、ohl die minimale Schmierfilmdicke hmi, als auch die effektiveViskositt I;leff zunchst noch un- bekannt. Um eine zweifache Iteration ber die minimale Schmierfilmdicke hmin und die effektive Lagertemperatur Teff zu vermeiden, wird fr die Berechnung der Axialseg- mentlager die Tragkraftkennzahl P* nach
42、 Literatur 6 wie folgt zur Tragkraftkennzahl fr Axialsegmentlager FE abge- wandelt: (4) bin I Die Funktion FE=f (hmin/Cwed; BIL) ist auf der Grundlage von Literatur 5 dargestellt in DIN 31 653 Teil 2. Dort sind auch Nherungsfunktionen angegeben. 3.3 Reibieistung Die Verluste durch Reibung in einem h
43、ydrodynamischen Axial-Gleitlager werden durch die Reibungskennzahl f* erfat. Sie ist definiert als Die Reibungskennzahl f* wird auch zur Reibungskennzahl fr Axialsegmentlager fi nach Literatur 6 wie folgt abge- wandelt: 6) f*B=f“.- Cwed hmin Damit ergibt sich die Reibleistung wie folgt: (7) L wed Au
44、s DIN 31 653Teil2 kann in Abhngigkeitvom Spalthhen- Verhltnis hmin/Cwed und vom Verhltnis BIL die Reibungs- kennzahl fr Axialsegmentlager fg entnommen und damit die Verlustleistung Pf berechnet werden. 3.4 Schmierstoffdurchsatz Der dem Lager zugefhrte Schmierstoff bildet einen trag- fhigen Schmierfi
45、lm zur Trennung der Gleitflchen. Gleich- zeitig hat der Schmierstoff die Aufgabe, die im Lager ent- stehende Reibungswrme abzufhren. Bild 2. Schematische Darstellung der Schmierstoff- und Wrmebilanz eines Segments Durch die Drehbewegung der Spurscheibe wird der Schmierstoff unter Druckaufbau in Rich
46、tung des konvergie- renden Spalts mitgenommen. Dabei tritt bei jedem Seg- ment ein Teil des Schmierstoffs an den Seiten des Seg- ments aus. Die seitlichen Anteile werden nherungsweise als gleich gro angenommen. In Bild 2 ist Die bezogenen Gren QT= Qi/Qo und Q9=QJ/Qo knnen in Abhngigkeit von der Geom
47、etrie (BiL und Iwed/L=0.75) und der sich einstellenden relativen Schmierfilmdicke hmin/Cwed aus DIN 31 653 Teil 2 entnommen werden. Dort sind auch Nherungsfunktionen angegeben. Es wird angenommen, da der seitlich an den Segmenten austretende Schmierstoff Q3 die Temperatur (TI + S2)12 und der an den
48、Enden austretende Schmierstoff Q2 die Temperatur S2 hat. 3.5 Wrmebilanz Der thermische Zustand des Gleitlagers ergibt sich aus der Wrmebilanz. Der durch die Reibleistung Pf im Lager entstehende Wr- mestrom Pth,fwird abgefhrt ber das Lagergehuse an die Umgebung sowie durch den aus dem Lager austreten
49、den Schmierstoff. Bei praktischen Anwendungen ist jeweils eine der beiden Wrmeabfuhrarten dominierend. Durch die Ver- nachlssigung der anderen ergibt sich eine zustzliche Sicherheit bei der Auslegung. Man kann von folgenden Annahmen ausgehen: a) Drucklos geschmierte Lager (Eigenschmierung, natr- liche Khlung) fhren die Wrme berwiegend durch Konve
