1、Gleitlager Hydrodynamische Radiai-Gleitlager im stationren Betrieb Teil 1 : Berechnung von Mehrflchen- und Kippsegmentlagern ICs 21.100.10 Deskriptoren: Gleitlager, Hydrodynamik, Radial-Gleitlager, stationrer Betrieb Plain bearings - Hydrodynamic plain journal bearings under steadystate conditions -
2、 Part 1 : Calculation of multi- lobed and tilting pad journal bearings Paliers lisses - Paliers hydrodynamiques radiaux sous conditions de service stationnaires - Partie 1 : Methode de calcul des paliers lisses a plusieurs surfaces et a bascule DIN - 31 657-1 Vorwort . Inhalt . Seite 1 1 Anwendungsb
3、ereich . 2 2 Normative Verweisungen . 3 Allgemeine Grundlagen, Annahmen und Voraussetzungen 2 4 Berechnungsverfahren . 4 4.1 Formelzeichen und Einheiten 5 4.2 Tragfhigkeit., . 9 4.3 Reibleistung 4.4 Schmierstoff durchsatz . . . 10 4.5 Wrmebilanz 10 4.6 Maximale Schmierfilmtemperatur . 12 4.7 Maximal
4、er Schmierfilmdruck 12 4.8 Betriebszustnde 12 4.9 Weitere Einflugren 12 4.10 Steifigkeits- und Dmpfungskoeffizienten . 13 5 Bilder . 14 Anhang A (informativ) Berechnungsbeispiele . 19 . I Anhang 6 (informativ) Literaturhinweise 27 vonvort Diese Norm wurde vom UA 4.1 des Normenausschusses Gleitlager
5、(NGL) ausgearbeitet. DIN 31657 “Gleitlager - Hydrodynamische Radial-Gleitlager im Stationren Betrieb” besteht aus: - Teil 1 : Berechnung von Mehrflchen- und Kippsegmentlagern - Teil 2: Funktionen fr die Berechnung von Mehrflchenlagern - Teil 3: Funktionen fr die Berechnung von Kippsegmentlagern - Te
6、il 4: Betriebsrichtwerte fr die Berechnung von Mehrflchen- und Kippsegment- lagern Fortsetzung Seite 2 bis 27 Normenausschu Gleitlager (NGL) im DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Q DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. a Jede Art der Vewielfltigung, auch auszugsweise, Alleinverkauf der Normen d
7、urch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V, Berlin, gestattet. Ref. NL DIN 31657-1 : 1996-03 Preisg,: 14 Vert,:-N,: 0014 DIN1 DIN 31657-1 9b D 2794442 0549386 TT3 D Seite 2 DIN 31657-1 : 1996-03 1 Anwendungsbereich Diese Norm enthlt allgemeine
8、Grundlagen, Annahmen und Voraussetzungen fr die Berechnung von Mehrflchen- und Kippsegmentlagern. Ziel dieser Norm ist die betriebssichere Auslegung von Radial-Gleitlagern fr hohe Umfangsgeschwindigkeiten durch die Anwendung eines Berechnungsverfahrens fr lgeschmierte hydrodynamische Gleitlager mit
9、vollstndiger Trennung der Wellen- und Lager-Gleitflche durch einen Schmierfilm. Diese Norm behandelt Mehrflchen-Radialgleitlager mit zwei, drei und vier jeweils gleichen, symmetrischen Gleitflchen, die durch seitlich geschlossene Schmiertaschen getrennt sind, und symmetrisch belastete Kippsegmentlag
10、er mit vier und fnf Segmenten. Dabei werden die Krmmungsradien RB der Gleitflchen meistens grer als die Hlfte des Lager- bohrungsdurchmessers D gewhlt, so da sich an den Segmentenden ein erhhtes Lagerspiel ergibt. Der hier beschriebene Rechnungsgang kann auch fr andere Spaltformen, wie z. B. fr unsy
11、mmetrische Mehrflchenlager, Stufenlager oder andere Kippsegmentlager-Bauformen, benutzt werden, wenn fr diese Bauarten die numerischen Lsun- gen der Grundgleichungen vorliegen. Das Berechnungsverfahren dient der Auslegung und Optimierung von Gleitlagern, z. B. in Turbinen, Verdichtern, Generato- ren
12、, Elektromotoren, Getrieben und Pumpen. Es beschrnkt sich auf den stationren Betrieb, d. h., in anhaltend gefahrenen Betriebszustnden sind die Belastung nach Gre und Richtung und die Winkelgeschwindigkeit des Rotors konstant. Nicht erfat werden instationre Betriebszustnde. Die fr lineare Schwingungs
13、- und Stabilittsuntersuchungen erforder- lichen Steifigkeits- und Dmpfungskoeffizienten der Radial-Gleitlager sind in DIN 31657-2 und DIN 31657-3 angegeben. 2 Normative Verweisungen Diese Europische Norm enthlt durch datierte oder undatierte Verweisungen Festlegungen aus anderen Publikationen. Diese
14、 normativen Verweisungen sind an den jeweiligen Stellen im Text zitiert, und die Publikationen sind nachstehend auf- gefhrt. Bei datierten Verweisungen gehren sptere nderungen oder berarbeitungen dieser Publikationen nur zu die- ser Europischen Norm, falls sie durch nderung oder berarbeitung eingear
15、beitet sind. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe der in Bezug genommenen Publikation. DIN 31657-2 Gleitlager - Hydrodynamische Radial-Gleitlager im stationren Betrieb - Teil 2: Funktionen fr die Berechnung von Mehrflchenlagern Gleitlager - Hydrodynamische Radial-Gleitlager im statio
16、nren Betrieb - Teil 3: Funktionen fr die Berechnung von Kippsegmentlagern Gleitlager - Hydrodynamische Radial-Gleitlager im stationren Betrieb - Teil 4: Betriebsrichtwerte fr die Berech- nung von Mehrflchen- und Kippsegmentlagern Schmierstoffe - ISO-Viskosittsklassifikation fr flssige Industrie-Schm
17、ierstoffe DIN 31657-3 DIN 31657-4 DIN 51519 3 Allgemeine Grundlagen, Annahmen und Voraussetzungen Die Lagerbohrungsform von Mehrflchenlagern (siehe Bild 1 a) und Kippsegmentlagern (mit nicht gekippten Segmenten nach Bild 1 b) wird durch die Profilfunktion hi (9) bei zentrischer Zapfenlage E = O besc
18、hrieben. Der Winkel q wird, aus- gehend von der Lastrichtung, in Zapfendrehrichtung gezhlt. Fr die Teilschale i mit der Winkellnge Qi = q3, - (pi, gilt: ARB ARB hi, (q) = - + (7 - i) - COS (q - qo,i), i = i, . , Z CR mit der Profilierung eB - ARB - RB - RJ = 1 + -, CR = R - R, Kleinstspiel CR CR CR
19、und dem Spalthhenverhltnis Dabei wird die Lage der Gleitflchen-(Segment-)Achse (Krmmungsmittel“punk“) der Teilschale i durch die Gleitflchen- Exzentrizitt 6?B und die zugehrige Winkelkoordinate q0, eindeutig beschrieben. Beim Kreiszylinderlager sind ARBICR = 1 und hi (q) = I. DIN3 DIN 33657-3 96 = 2
20、794442 0549387 93T Seite 3 DIN 31657-1 : 1996-03 ANMERKUNG: Anstelle der Profilierung ARBICR wird international vielfach der “preload factor“ rn verwendet; zwischen beiden Gren besteht folgender Zusammenhang: Bei exzentrischer Lage der Welle (E, 8) gilt fr die Spalthhe h (q) der Mehrflchenlager (sie
21、he Bild 1 c): h (q) = CR * h (q) = CR . hi (q) - E COS (q - b) (3) Bei Kippsegmentlagern (siehe Bild Id) stellen sich die einzelnen Segmente selbstttig so (optimal) ein, da die Schmier- film-Tragkraft Fi jeweils durch die Aufsttzkante geht 2. Bei einer genaueren Berechnung von Kippsegmentlagern sind
22、 die Elastizitten in der Segmentabsttzung und die elastischen und thermischen Verformungen der Segmente zu berck- sichtigen. Die Berechnung der Druckentwicklung in den Schmierspalten erfolgt grundstzlich mit den numerischen Lsungen der Reynoldsschen Differentialgleichung fr endliche Lagerbreite: Zur
23、 Herleitung der Reynoldsschen Differentialgleichung wird verwiesen z. B. auf l, zur numerischen Lsung auf 2. Bei der Lsung von Gleichung (4) werden folgende idealisierende Annahmen und Voraussetzungen gemacht, deren Zulssigkeit gegebenenfalls nach Abschnitt 4 abgeschtzt werden mu 3: a) Der Schmierst
24、off entspricht einer Newtonschen Flssigkeit. b) Alle Strmungsvorgnge des Schmierstoffs sind laminar. c) Der Schmierstoff haftet voll an den Gleitflchen. d) Der Schmierstoff ist inkompressibel. e) Am Segmentanfang ist der Schmierspalt vollstndig mit Schmierstoff gefllt. f) Trgheitswirkungen, Gravitat
25、ions- und Magnetkrfte des Schmierstoffes sind vernachlssigbar. g) Die Bauteile, die den Schmierspalt bilden, sind starr bzw. ihre Verformung vernachlssigbar; die Oberflchen von Welle und Lagerbohrung sind ideale Kreiszylinder bzw. Kreissegmente. h) Die Krmmungsradien der relativ zueinander bewegten
26、Oberflchen sind gro im Vergleich zu den Schmierfilm- dicken. i) Die Schmierfilmdicke in axialer Richtung (z-Koordinate) ist konstant. i) Drucknderungen im Schmierfilm senkrecht zu den Gleitflchen (in Spalthhenrichtung) sind vernachlssigbar. k) Eine Bewegung normal zu den Gleitflchen (in Spalthhenric
27、htung) wird hier, im Gegensatz zu Abschnitt 4.10, nicht bercksichtigt. I) Der Schmierstoff ist im ganzen Schmierspalt isoviskos. m) Der Schmierstoff wird jeweils am Beginn der Segmente zugefhrt; die Hhe des Zufhrdrucks ist vernachlssigbar gegenber den Schmierfilmdrcken selbst. Die Randbedingungen fr
28、 die Schmierfilmdruckentwicklung gengen der Kontinuittsbedingung. Fr die einzelnen Segmente gilt jeweils (siehe Bilder 2 und 4): am Lagerrand p(q,z=2) =o in der Schmiertasche und auf den Dichtstegen P (pl3 z) = 0 am Druckbergende am Kavitationsbeginn am Kavitationsschlierand P q(z), z = 0 Im Kavitat
29、ionsgebiet und auf dessen Rand wird zur Erfllung der Kontinuittsbedingung die Kavitationstheorie nach Jakobsson, Floberg und Olsson 8, 9 verwendet. Die numerische Integration der Reynoldsschen Differentialgleichung erfolgt unter Verwendung der in 2 vorgeschlagenen Transformation des Druckes durch Um
30、wandlung in eine Differenzengleichung, die fr ein Raster von Sttzstellen ange- setzt wird und zu einem System linearer Gleichungen fhrt. Nach Vorgabe der Randbedingungen liefert die Integration den Druckverlauf in Umfangs- und Breitenrichtung. Seite 4 DIN 31657-1 : 1996-03 Die Berechnung der maximal
31、en Schmierfilmtemperatur erfolgt grundstzlich mit Hilfe der numerischen Lsung der durch Integration ber die Spalthhe h gemittelten Energiegleichung: -.-+a.-= u ar RJ aq az -._. e.cp 7 h , i ( $)“ (E)* in = hmin/CR,eff h8 (q) = ho (q)/cR h8.max = hO,max/CR (fortgesetzt) Einheit DIN1 DIN 31657-1 96 27
32、94442 0549391 360 =ormeizeichen Seite 7 DIN 31657-1 : 1996-03 Formelzeichen und Einheiten (fortgesetzt) Benennung Spezifische Lagerbelastung p = F/(B * D) Schmierstoff zufhrdruck Pen V = Qp/(p = Qn/Qo Schmierstoffdurchsatz infolge hydrodynamischer Druckentwickiung Schmierstoffdurchsatz-Kennzahl info
33、lge hydrodynamischer Druckentwickiung Qj = Q3/Qo Lagerinnenradius R = D/2 Krmmungsradius der Lagergleitfichen (Segmente) Differenz zwischen Lagergleitflchen-(Segment-)Krmmungsradius und Wellenzapfen-Radius ARB = RB - RI Profilierung relative Differenz zwischen Lagergieitflchen-(Segment-) Krmmungsrad
34、ius und Weilenzapfen-Radius ARB/CR = 1/(1 - rn) Effektive Profilierung Profilierung bei 20 OC Wellenzapfen-Radius R, = DJ/2 Gemittelte Rauhtiefe der Lagergleitflche Gemittelte Rau htiefe der Welienzapfen-Gleitflche Reynoldszahi Re = Kritische Reynoldszahl Sommerfeldzahi So = Sommerfeidzahl am bergan
35、g in die Mischreibung Wegamplitude der Rotorschwingung Temperatur Lagertemperatur wJ * RJ CR,eff Veff F. dff B D * Veff WJ Einheit Pa Pa - Pa Pa Pa - Pa m3/s m3/s - m3/s m3/s m3/s - m3/s - m m m - - - m m m - - - - m OC OC (fortgesetzt) Seite 8 DIN 31657-1 : 1996-03 Formelzeichen und Einheiten (fort
36、gesetzt) Formelzeichen Benennung Effektive Schmierfilmtemperatur Schmierstofftemperatur am Eintritt in das Lager Schmierctofftemperatur am Austritt aus dem Lager Wellenzapfen-Temperatur Zulssige Lagertemperatur Maximale Schmierfilmtemperatur Differenz zwischen maximaler Schmierfilmternperatur und Sc
37、hmierstoff- temperatur in den Taschen AT, = T, - Tl Dimensionslose Differenz zwischen maximaler Schmierfilmtemperatur und Schmierstofftemperatur in den Taschen Schmierstofftemperatur in den Taschen Differenz zwischen Schmierstofftemperatur in den Taschen und Schmierstofftemperatur am Eintritt in das
38、 Lager AT, = Ti - Ten Schmierstofftemperatur am Druckbergende Differenz zwischen Schmierstofftemperatur am Druckbergende und Schmierstofftemperatur in den Taschen AT, = T2 - T, Zeit Umfangsgeschwindigkeit des Wellenzapfens, Gleitgeschwindigkeit UJ = w * RJ Gleitgeschwindigkeit am bergang in die Misc
39、hreibung Zulssige Gleitgeschwindigkeit am bergang in die Mischreibung Geschwindigkeitskomponente in q-Richtung Gemittelte Geschwindigkeitskomponente in q-Richtung Geschwindigkeitskomponente in z -Richtung Gernittelte Geschwindigkeitskomponente in z -Richtung Koordinate der Radialbewegung des Wellenz
40、apfens senkrecht zur Lastrichtung Relative Koordinate der Radialbewegung des Wellenzapfens senkrecht zur Lastrichtung x* = x/C, Koordinate der Radialbewegung des Wellenzapfens in Lastrichtung Relative Koordinate der Radialbewegung des Wellenzapfens in Lastrichtung y* = y/C, Koordinate senkrecht zur
41、Gleitflche Anzahl der Gleitflchen (Segmente) oder Taschen je Lager Koordinate parallel zur Gleitflche, senkrecht zur Umfangsrichtung (in Achsrichtung) Linearer Wrmeausdehnungskoeff izient des Lagers Linearer Wrmeausdehnungskoeffizient der Welle Verlagerungswinkel (Winkellage der Wellenzapfen-Exzentr
42、izitt in bezug auf die Lastrichtung) Winkel zwischen Lastrichtung und Stelle der minimalen Schmierfilmdicke Einheit OC OC OC OC OC OC K - OC K OC K S m/c m/c mis m/s m/s m/s m/s m - m - m - m K- K- xo xo (fortgesetzt) DIN1 DIN 31657-1 96 2794442 0549393 133 = Formelzeichen Seite 9 DIN 31657-1 : 1996
43、-03 Formelzeichen und Einheiten (abgeschlossen) Benennung Verkantungswinkel des Wellenzapfens (Schiefstellung des Wellenzapfens) Relative Exzentrizitt E = e/CR,eff Dynamische Viskositt des Schmierstoffs Effektive dynamische Viskositt des Schmierstoffs Dichte des Schmierstoffs Winkelkoordinate in Umf
44、angsrichtung Winkelkoordinate der Untersttzungsstelle beim Kippsegmentlager Winkelkoordinate der Schmiertacchenmitte beim Mehrflchenlager Winkelkoordinate der Lagergleitflchen-(Segment-)Achse beim Mehrflchen- und Kippsegmentlager (mit nicht gekippten Segmenten), siehe Bild 1 a Winkelkoordinate am Ei
45、ntrittsspalt Winkelkoordinate am Ende der hydrodynamischen Druckentwicklung Winkelkoordinate am Austrittsspalt Relatives Lagerspiel ly = CR/R Relative Lagerspiel-Toleranz Aly = qrnm - vmin Effektives relatives Lagerspiel Maximalwert von ly Minimalwert von 11 Thermische nderung des relativen Lagerspi
46、els gegenber seinem Wert bei 20C Aqth = - l, Relatives Lagerspiel bei 20 OC Lagergleiflchen-(Segment-)Umschlieungswinkel D = q3 - q, Winkel zwischen Untersttzungsstelle und Eintrittsspalt beim Kippsegmentlager SZ, = qF - q, Relative Winkellage der Untersttzungsstellen beim Kippsegmentlager 360 Schmi
47、ertaschen-Umschlieungswinkel Qp = - - Z Winkelgeschwindigkeit der Welle u, = 2 - n - N, Winkelgeschwindigkeit der Welle am bergang in die Mischreibung 4.2 Tragfhigkeit Kennzeichnend fr die Tragfhigkeit ist die (dimensionslose) Sommerfeldzahl Einheit ao - Pa s Pa s kg/m3 ao ao ao ao ao ao ao voo o/o
48、o o/o o o/, o o/o o 010 o voo O so bestimmt werden, da die Funktionsfhigkeit des Lagers sichergestellt ist (siehe A.2). Seite 12 DIN 31657-1 : 1996-03 4.6 Maximale Schmierfilmtemperatur Mit der nun bekannten mittleren Taschentemperatur TI It sich die maximale Schmierfilmternperatur T, des Lagers aus
49、 der Energiegleichung (5) ermitteln (siehe Bild 4): Tmax = Ti + ATmax (21 1 mit AT;, = f So, BID, h: (q) nach DIN 31657-2 und DIN 31657-3 und der spezifischen Lagerbelastung: Die maximale Schmierfilmtemperatur T, ist mit den Erfahrungsrichtwerten Tlim nach DIN 31657-4 auf ihre Zulssigkeit hin zu berprfen. 4.7 Maximaler Schmierfilmdruck Au
