เพลาแนวตั้งผ่านตลับลูกปืนและได้รับการหล่อลื่น: หลักการทางวิศวกรรม ความท้าทาย และวิธีแก้ปัญหาที่ทันสมัย

ทำความเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อ “ เพลาแนวตั้งเคลื่อนผ่านตลับลูกปืนและได้รับการหล่อลื่น ”

เมื่อเพลาแนวตั้งผ่านตลับลูกปืนและได้รับการหล่อลื่น ตลับลูกปืนจะต้องรองรับทั้งแรงในแนวรัศมีและแนวแกน ในขณะเดียวกันก็ต้องช่วยให้การหมุนเป็นไปอย่างราบรื่นภายใต้การสัมผัสของของเหลวอย่างต่อเนื่อง แตกต่างจากเพลาแนวนอน ระบบแนวตั้งอาศัยการก่อตัวของฟิล์มไฮโดรไดนามิกและความสามารถของสารหล่อลื่น — ซึ่งมักจะเป็นน้ำ — ในการคงสภาพเสถียรระหว่างพื้นผิวที่หมุนและพื้นผิวที่อยู่กับที่เป็น อย่างมาก

การออกแบบนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในปั๊ม ระบบท่อท้ายเรือ กังหันน้ำ เครื่องผสมแนวตั้ง และอุปกรณ์พลังงานนอกชายฝั่ง หากการหล่อลื่นไม่เสถียร เพลาจะเกิดการเสียดสีระหว่างโลหะกับพอลิเมอร์หรือโลหะกับโลหะ ส่งผลให้เกิดการสึกหรออย่างรวดเร็ว ความร้อนสูงเกินไป การสั่นสะเทือน เสียงดัง และในที่สุดก็เกิดความเสียหาย

การเข้าใจกลไกนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิศวกรที่ต้องการเพิ่มประสิทธิภาพหรือแก้ไขปัญหาในการดำเนินงาน

เหตุใดชุดประกอบตลับลูกปืนเพลาแนวตั้งจึงมีความสำคัญต่อความน่าเชื่อถือของระบบ

เครื่องจักรแนวตั้งอาศัยตลับลูกปืนที่มีคุณสมบัติดังนี้:

• รองรับแรงกระทำทั้งในแนวรัศมีและแนวแกน
• รักษาแนวให้ตรงตลอดช่วงเพลาที่ยาว
• ปฏิบัติงานในสภาพแวดล้อมที่จุ่มน้ำหรือกึ่งจุ่มน้ำ
• ทนทานต่ออนุภาคกัดกร่อนที่มักพบในน้ำ
• สร้างฟิล์มของเหลวที่เสถียรทั้งในความเร็วต่ำและความเร็วสูง

เนื่องจากแรงโน้มถ่วงกระทำโดยตรงตามแนวแกนของเพลา แรงผลักตามแนวแกนจึงกลายเป็นประเด็นสำคัญทางวิศวกรรมอย่างยิ่ง แม้แต่การเยื้องศูนย์เพียงเล็กน้อยก็สามารถเพิ่มแรงสัมผัสในแนวรัศมีได้ 2-3 เท่า ทำให้ เกิด การสึกหรออย่างรวดเร็ว

ในการใช้งานทางทะเลและทางน้ำ ตลับ ลูกปืนอาจทำงานตลอด 24 ชั่วโมง 7 วันต่อสัปดาห์ เป็นเวลา 10-25 ปี ทำให้วัสดุ พฤติกรรมการหล่อลื่น และการออกแบบทางเรขาคณิตมีความสำคัญอย่างยิ่ง

การใช้งานตลับลูกปืนแนวตั้ง: งานทางทะเล, งานพลังงานน้ำ, ระบบสูบน้ำ และอื่นๆ

ตลับลูกปืนเพลาแนวตั้งพบได้ในระบบต่างๆ เช่น:

• ท่อท้ายเรือ (เพลาใบพัด)

ตลับลูกปืนขนาดใหญ่ที่จมอยู่ใต้น้ำ ซึ่งต้องการการไหลของน้ำที่คงที่

• ตลับลูกปืนนำทางกังหันน้ำ

เพลาของกังหันน้ำแบบแนวตั้งอาจมีน้ำหนักเกิน 40 ตัน จึงต้องการประสิทธิภาพด้านพลศาสตร์ของไหลที่ยอดเยี่ยม

• ปั๊มและเครื่องหมุนเวียนแนวตั้ง

ปั๊มน้ำของเทศบาล ปั๊มน้ำหล่อเย็น ปั๊ม น้ำบาดาล หลายชนิดทำงานอย่างต่อเนื่องในน้ำที่มีทรายหรือตะกอนที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

• ระบบพลังงานนอกชายฝั่งและพลังงานหมุนเวียน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานคลื่นและพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงใช้ตลับลูกปืนน้ำโพลีเมอร์เพื่อความยั่งยืน

การใช้งานแต่ละประเภททำให้ตลับลูกปืนต้องเผชิญกับความท้าทายด้านการหล่อลื่น ภาระ และการปนเปื้อนที่แตกต่างกันไป

ความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญเมื่อเพลาแนวตั้งทำงานอยู่ภายในตลับลูกปืนหล่อลื่น

แม้จะมีการหล่อลื่นแล้ว ตลับลูกปืนแนวตั้งก็ยังมีความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหายได้หลายประการ:

1. การสูญเสียฟิล์มไฮโดรไดนามิกที่ความเร็วต่ำ

ช่วงเริ่มต้นและช่วงหยุดการทำงานมักก่อให้เกิดการหล่อลื่นเฉพาะจุด ซึ่งส่งผลให้อัตราการสึกหรอเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

2. การสัมผัสที่เกิดจากแรงตามแนวแกน

แรงผลักที่มากเกินไปจะบีบอัดฟิล์ม ทำให้เกิดแรงเสียดทานและอุณหภูมิสูงขึ้น

3. ปัญหาคุณภาพน้ำ

อนุภาคขัดถู (ทราย ตะกอน) อาจทำให้การสึกหรอเพิ่มขึ้น 300 – 500% ตามการเปรียบเทียบการสึกหรอของยางตามมาตรฐาน ASTM D5963

4. การเยื้องศูนย์ของเพลา

แม้การคลาดเคลื่อนเพียง 0.1 – 0.2 มิลลิเมตร ก็อาจทำให้การกระจายแรงดันไม่สม่ำเสมอไปตามแผ่นรองโพลีเมอร์ได้

5. ความไม่เสถียรของการไหลของสารหล่อลื่น

การไหลของน้ำที่ไม่เพียงพอจะขัดขวางการระบายความร้อนและแรงยกทางอุทกพลศาสตร์

ดังนั้น เครื่องจักรแนวตั้งจึงต้องพึ่งพาวัสดุที่มีความทนทานต่อการสึกหรอสูง แรงเสียดทานต่ำ และสามารถทำงานได้ภายใต้สภาวะการหล่อลื่นแบบผสม

หลักการทำงานของการหล่อลื่นด้วยน้ำ: ฟิล์มไฮโดรไดนามิก เงื่อนไขขอบเขต และพฤติกรรมการสตาร์ทแบบแห้ง

ตลับลูกปืนที่หล่อลื่นด้วยน้ำทำงานภายใต้ระบบการหล่อลื่นสองแบบ:

• การหล่อลื่นแบบไฮโดรไดนามิก (สภาวะอุดมคติ)

การหมุนทำให้เกิดแรงดันซึ่งก่อตัวเป็นฟิล์มน้ำคั่นระหว่างเพลาและแบริ่ง

วิธีนี้ช่วยลดแรงเสียดทานลงเหลือ 0.02 – 0.05 ซึ่งใกล้เคียงกับระบบหล่อลื่นด้วยน้ำมัน

• การหล่อลื่นตามขอบเขต (สภาวะวิกฤต)

เกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้นระบบ การปิดระบบ และการทำงานที่ความเร็วต่ำ

การสัมผัสทำให้แรงเสียดทานเพิ่มขึ้นเป็น 0.15 – 0.25 ซึ่งจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีความทนทานต่อการสึกหรอสูง

น้ำในฐานะสารหล่อลื่น — ข้อดี

• ไม่ติดไฟ
• ปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม
• การกำจัดความร้อนทันที
• ไม่มีความเสี่ยงจากมลพิษทางน้ำมัน

ความท้าทาย: น้ำมีความหนืดต่ำ (ความเหลวมาก) หมายความว่าวัสดุจะต้องชดเชยด้วยการออกแบบทางกลและรูปทรงเรขาคณิต

เหตุใดตลับลูกปืนโพลีเมอร์หล่อลื่นด้วยน้ำจึงกลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม

ตลับลูกปืนโพลีเมอร์สมัยใหม่ได้เข้ามาแทนที่ตลับลูกปืนโลหะในระบบแนวตั้งหลายประเภทเนื่องจาก:

ทนทานต่อการสึกหรอสูง: วัสดุคอมโพสิตพอลิเมอร์แสดงให้เห็น การสึกหรอที่ต่ำ กว่า 3-8 เท่า ใน การ ทดสอบ ASTM D5963 เมื่อเทียบกับระบบที่ทำจากยางหรือโลหะแบบดั้งเดิม

ประสิทธิภาพการสตาร์ทแบบแห้งและการหล่อลื่นบริเวณขอบเขตที่เหนือกว่า: เมทริกซ์โพลีเมอร์ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมมีคุณสมบัติในการหล่อลื่นในตัว ช่วยลดแรงเสียดทานขณะเริ่มต้นการทำงาน

การทำงานปราศจากสนิมและน้ำมัน: ไม่มีสนิม ไม่มีปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี ไม่มีสิ่งปนเปื้อนจากน้ำมัน

การปรับกฎระเบียบให้สอดคล้องกัน: IMO, EPA VGP และกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมทางทะเลส่งเสริมระบบที่ไม่ใช้น้ำมัน

Techemer / INDRON® เข้ากันได้อย่างลงตัวในที่เดียว

ในการใช้งานที่ใช้น้ำเป็นสารหล่อลื่น คุณภาพของวัสดุเป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานของแบริ่ง

ตลับลูกปืนหล่อลื่นด้วยน้ำ INDRON® ของ Techemer ซึ่ง รวม ถึงซีรี่ส์โพลีเมอร์ TSTN ได้ รับการออกแบบทางวิศวกรรมมาโดยเฉพาะสำหรับสภาพแวดล้อมเพลาแนวตั้ง:

• พิสูจน์แล้วว่าทนทานต่อการสึกหรอได้ดีกว่าตลับลูกปืนยางทั่วไปอย่างเห็นได้ชัด
• ฟิล์มไฮโดรไดนามิกที่เสถียรเนื่องจากรูปทรงร่องที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม
• อายุการใช้งานยาวนานขึ้นในน้ำที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (แม่น้ำ ชายฝั่ง โรงงานผลิตน้ำจืด)
• ใช้ในเรือทำงานทางทะเล กังหันน้ำ และ ปั๊มแนวตั้ง
• เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเปลี่ยนตลับลูกปืนโลหะในท่อท้ายเรือและตลับลูกปืนนำทาง

ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ผสานรวมเข้ากับโซลูชันทางวิศวกรรมที่อธิบายไว้ได้อย่างราบรื่น โดย ไม่ต้องเน้นการสร้างแบรนด์มากเกินไป ซึ่ง มอบมูลค่าที่แท้จริงให้กับวิศวกรที่ต้องการปรับปรุงประสิทธิภาพ

โซลูชันทางวิศวกรรมเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือเมื่อเพลาแนวตั้งหมุนในตลับลูกปืนหล่อลื่น

1. เลือกใช้วัสดุแบริ่งโพลีเมอร์ขั้นสูง

วัสดุคอมโพสิตประสิทธิภาพสูงสามารถลดปริมาณการสึกหรอได้ 40 – 70% ในน้ำที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

2. ปรับการไหลของน้ำไปยังแบริ่งให้เหมาะสม

อัตราการไหลขั้นต่ำช่วยให้มั่นใจได้ถึงการระบายความร้อนและการหล่อลื่นที่คงที่

การไหลของน้ำที่ไม่ดีเป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการชำรุดก่อนกำหนด

3. ปรับปรุงความแข็งและความเรียบของพื้นผิวเพลา

ที่แนะนำ:

ความแข็ง ≥HRC 40

ความหยาบผิว 0.3 –0.5 μm Ra

4. ใช้ระยะห่างของแบริ่งที่เหมาะสม

แน่นเกินไป: ฟิล์มยุบตัว

หลวมเกินไป: การสั่นสะเทือนของเพลา

ต้องปฏิบัติตามหลักเกณฑ์ทางวิศวกรรมสำหรับค่าเผื่อความร้อนและการบวมตัว

5. การนำรูปทรงเรขาคณิตของตลับลูกปืนแบบร่องมาใช้

ช่วยเพิ่มการไหลเวียนของน้ำและปรับปรุงแรงยกทางไฮโดรไดนามิกขณะเริ่มต้นการทำงาน

6. ตรวจสอบการจัดแนวด้วยเครื่องมือเลเซอร์

ช่วยลดแรงกดที่ไม่สม่ำเสมอและยืดอายุการใช้งานของแบริ่งได้อย่างมาก

7. เลือกใช้ตลับลูกปืนหล่อลื่นด้วยน้ำเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม

มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเรือที่ปฏิบัติงานในน่านน้ำที่ได้รับการคุ้มครอง

บทสรุป

เมื่อเพลาแนวตั้งเคลื่อนผ่านตลับลูกปืนและได้รับการหล่อลื่น การรักษาสภาวะการหล่อลื่นที่คงที่นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการป้องกันการสั่นสะเทือน การสึกหรอ และความเสียหาย ตลับลูกปืนโพลีเมอร์หล่อลื่นด้วยน้ำที่ทันสมัยได้กลายเป็นมาตรฐานทางวิศวกรรมสำหรับการใช้งานทางทะเล ปั๊ม และระบบไฮโดร เนื่องจากมีความทนทานต่อการสึกหรอสูง เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีประสิทธิภาพทางไฮโดรไดนามิกที่เชื่อถือได้

ด้วยการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสม การออกแบบระบบหล่อลื่น และการควบคุมทางวิศวกรรม ระบบแบริ่งแนวตั้งจึงสามารถมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ประสิทธิภาพสูงขึ้น และความเสี่ยงในการใช้งานต่ำลงได้