Trocha historie

Historie výzkumu kluzných ložisek

Kluzná ložiska se po staletí vyvíjela empirickými metodami, než se přišlo na povahu fyzikálních jevů, které tvoří hydrodynamický mazací film. Vytváření tlaku v olejovém filmu bylo pozorováno Beauchamp Towerem již v r. 1883. O tři roky později vysvětlil Osborne Reynolds vytváření tlaku působením viskózních sil v konvergentní mezeře. Pochopení podstaty tohoto jevu pomohlo konstruktérům při volbě přívodních a odpadních drážek v ložisku. První analytické řešení ztrát v hydrodynamickém ložisku bylo publikováno Petroffem rovněž v r. 1883. Později bylo publikováno mnoho prací, které však neměly příliš velký dopad na konstrukci radiálních ložisek. Použití Reynoldsovy teorie vedlo k přímo revolučnímu vývoji axiálních ložisek s vynálezem ložiska s naklápěcími segmenty, se kterým nezávisle na sobě přišli Kingsbury a Mitchell. Progresivní vývoj rotačních strojů od r. 1880 vedl opakovaně k požadavkům na zvýšení obvodové rychlosti a zatížení radiálních ložisek. Pokroky v konstrukci radiálních ložisek však byly založeny spíše na provozních zkušenostech, které byly čas od času doplněny testy na zkušebním zařízení. Reynoldsova rovnice pro změny tlaku v olejovém filmu má jednoduchý fyzikální základ a platí přesně, pokud existuje stabilní laminární proudění. Výpočet charakteristik radiálních ložisek však představoval poměrně velký problém, protože nebyl předem znám rozsah olejového filmu. Kolem r. 1950 již teorie poskytovala výsledky v rozumné shodě se skutečnými provozními charakteristikami radiálních ložisek. Určité anomálie u velkých ložisek byly vysvětleny vznikem nelaminárního prudění. Dlouho bylo známo, že radiální ložiska značně ovlivňují vibrace strojů, a to jak při odezvě na poruchy (např. nevyváženost), tak i pokud jde o problémy stability. Problém byl zkoumán analyticky i experimentálně, ale stále vznikaly problémy s oddělením vlivu ložisek a poddajnosti ložiskových stojanů. Základy dynamického výpočtu radiálních ložisek položil v r. 1964 J.W.Lund zavedením koeficientů tuhosti a útlumu používaných dosud. Později byly vypočtené koeficienty tuhosti a útlumu ověřovány experimentálně na několika pracovištích, z nichž patrně nejpropracovanějším zařízením navrženým prof. Glienickem disponovala universita v Karlsruhe. Izotermické řešení průtoku maziva ložiskovou mezerou bylo později nahrazeno termo-hydrodynamickým řešením s uvažováním změn viskozity maziva v ložiskové mezeře. U ložisek s naklápěcími segmenty bylo použito termo-elasto-hydrodynamické řešení, které kromě změn viskozity uvažuje také deformace kluzných ploch v důsledku teplotních gradientů a zatížení hydrodynamickým tlakem. U převážně dynamicky zatížených ložisek pístových strojů byly rovněž uvažovány změny geometrie ložiskové mezery, vyvolané deformací ojnic a ložiskových těles. V 60 až 80. letech minulého století proběhla bouřlivým vývojem rovněž ložiska mazaná plynem a něco později rovněž magnetická ložiska. Současný vývoj směřuje k ložiskům mazaným přímo procesním médiem, protože odstraněním ucpávek lze značně zjednodušit konstrukci a zmenšit rozměry strojů. Výzkum kluzných ložisek v ČR V r. 1946 byl založen Výzkumný ústav tepelné techniky (VÚTT), do jehož působnosti byl zařazen rovněž výzkum v oblasti tření, mazání a opotřebení. Tato problematika, později souhrnně nazývaná tribologií, zahrnovala rovněž výzkum kluzných ložisek. VÚTT byl rozmístěn na několika místech Prahy, což komplikovalo provoz a znesnadňovalo spolupráci mezi jednotlivými odbory. Při výstavbě výzkumného areálu v Běchovicích byly vybudovány prostory i pro VÚTT, který se do Běchovic postupně přestěhoval v r. 1968 již jako Státní výzkumný ústav pro stavbu strojů (SVÚSS) Běchovice. Odbor Tření, mazání a opotřebení, který byl jedním z cca 10 výzkumných odborů, disponoval kromě kancelářských prostor několika zkušebnami vybavenými nejrůznějšími

Trocha historie

zkušebními stendy. Po reorganizaci na konci 70. let byla problematika kluzných ložisek zařazena do odboru „Mechanika strojů a jejich částí“ jako samostatné oddělení, které mělo v době největšího rozkvětu více než 30 pracovníků. Zakladatel odboru Ing. J. Vinš se zabýval spíše experimentální stránkou výzkumu, zatímco jeho nástupce Ing. J. Nezval se soustředil na pozvednutí teoretické úrovně, což se mu alespoň do jisté míry podařilo. Z těch, kdo k tomu nejvíce přispěli, lze jmenovat alespoň Ing. J. Krátkého, jehož analýzy a výpočetní programy ze 70. a 80, let nezůstávaly o nic pozadu za výsledky předních evropských a světových pracovišť. Doufám, že jsem k dobré pověsti oddělení přispěl částečně i já, jako jeho vedoucí v letech 1987 - 94. O solidní práci oddělení ložisek svědčí i to, že některé výsledky výzkumu z SVÚSS používám doposud. Z poměrně rozsáhlé experimentální základny SVÚSS stojí za zmínku např. zkušební stend pro rychloběžná ložiska průměru do 30 mm s maximálními otáčkami 72.000 min-1, poháněný vysokofrekvenčním elektromotorem nebo zařízení pro únavové zkoušky materiálů ložiskových výstelek. Zkušebna axiálních ložisek byla vybavena dvěma stendy, jednak se svislým hřídelem (viz obr. 1) – pro výzkum ložisek hydrogenerátorů, jednak s vodorovným hřídelem (obr. 2) – pro výzkum ložisek parních turbin a turbokompresorů. Zařízení umožňovala zkoušení axiálních ložisek do průměru 650 mm při kluzné rychlosti i přes 200 m.s-1 se zatížením až 1400 kN. Obě zařízení byla poháněna stejnosměrnými elektromotory napájenými z polovodičové měnírny, což umožňovalo plynulou změnu otáček prakticky od nuly. S ohledem na vysoké ztráty axiálních ložisek mělo zařízení s vodorovným hřídelem motor o výkonu cca 1,6 MW.

Obr. 1 Stend pro axiální ložiska se svislým hřídelem

Trocha historie

Obr. 2 Stend pro axiální ložiska s vodorovným hřídelem Rovněž zkušebna velkých radiálních ložisek byla vybavena dvěma stendy, z nichž jeden byl určen pro ložiska do průměru 100 mm s otáčkami až 40.000 min-1, druhý pro ložiska do průměru 500 mm s maximálními otáčkami 5000 min-1 (obr. 3). Rovněž tato zařízení byla poháněna stejnosměrnými motory přes rychloběžnou převodovku, z nichž zcela unikátní byla převodovka s výstupním hřídelem pro 40.000 min-1.

Obr. 3 Zkušební stend radiálních ložisek φ 500 mm

S rostoucí potřebou získat spolehlivé údaje o dynamických vlastnostech radiálních ložisek bylo nutné zkušební stendy přizpůsobit těmto požadavkům. Pro ložiska menších průměrů bylo zkonstruováno zcela nové zařízení (obr. 4), vycházející principiálně ze stendu na TU v Karlsruhe (obr. 5). Základem stendu byl velmi tuhý rám 1, v němž byla uchycena nosná čtyřplochá ložiska 3 i budiče dynamické síly. Průměr zkušebního ložiska 5 byl 90 mm a zkušební hřídel 2 byl zubovou spojkou 12 spojen s již dříve zmíněnou rychloběžnou převodovkou pro otáčky až 40.000 min-1. Statická zátěžná síla byla vyvozována pryžovým vlnovcem 6, budicí síly harmonického průběhu byly vyvozovány budiči s předepnutým pružným hřídelem, podobné konstrukce jako na zařízení TU Karlsruhe na obr. 5. Pohon budičů však nebyl odvozen od pohonu zkušebního hřídele, ale byl zajištěn dvěma samostatnými vysokofrekvenčními motory s proměnnými otáčkami do 18.000 min-1; vzhledem k setrvačným silám byla používána maximální budicí frekvence 180 Hz. Stend byl

Trocha historie

vybaven snímači relativních výchylek zkušebního ložiska vzhledem k hřídeli a rovněž vzhledem k rámu, protože při vyhodnocení prvků tuhosti a útlumu bylo nutno uvažovat i tuhost nosných ložisek. Dynamická budicí síla byla pomocí tenzometrického členu snímána současně s výchylkami ložiska, aby mohly být vyhodnoceny jak jejich amplitudy, tak vzájemné fázové posuvy, potřebné pro vyhodnocení koeficientů tuhosti a útlumu. Jednotlivé prvky tuhostní a útlumové matice byly následně vyhodnoceny prostřednictvím počítačového programu.

Obr. 4 Schéma zkušebního stendu SVÚSS pro ložiska φ 90 mm

Obr. 5 Zkušební stend TU Karlsruhe

Na tomto stendu proběhl rozsáhlý výzkum ložisek s pevnou geometrií (cylindrických, citronových a přesazených) a ložisek s naklápěcími segmenty, u nichž byla zjišťována rovněž závislost prvků tuhosti a útlumu na budicí frekvenci. Výsledky tohoto experimentálního výzkumu umožnily posoudit přesnost výpočetních metod radiálních ložisek vypracovaných v SVÚSS a jejich prostřednictvím i věrohodnost dynamických výpočtů rotorů, zejména kritických otáček a meze stability. Stend byl použit rovněž pro měření průběhu hydrodynamického tlaku v olejovém filmu. Tlak ve střední rovině ložiska s 5ti segmenty byl

Trocha historie

měřen rotujícím snímačem, jehož výstup byl přenášen přes měřicí kroužky. Měření tlaku bylo úspěšné do otáček cca 5000 min-1, při vyšších otáčkách již snímač tlaku nestačil reagovat na rychlé změny tlaku s frekvencí převyšující 500 Hz. Provozní parametry (zejména otáčky a budicí frekvence), kterých bylo při těchto zkouškách dosahováno, byly významně vyšší než parametry dosažené při mnohem pozdějších testech, prezentovaných např. na konferenci IFTOMM ve Vídni v r. 2006. Zkušební stend pro ložiska do průměru 500 mm byl dovybaven dvěma vibrátory s protiběžně rotujícími nevývažky generujícími usměrněnou sílu harmonického průběhu. Měření probíhalo podobně jako na zařízení φ 90 mm, s tím rozdílem, že výchylky zkušebního ložiska vzhledem k rámu bylo nutno měřit pomocí akcelerometrů, což komplikovalo vyhodnocení a zhoršovalo přesnost měření. Výsledky experimentů z tohoto zařízení proto posloužily spíše pro posouzení přesnosti výpočtu statických ložiskových charakteristik, tj. především třecích ztrát, průtoku oleje a teplotního pole v olejovém filmu. Na ložiskách s naklápěcími segmenty byly měřeny pomocí tenzometrů i deformace segmentů, ale vzhledem k velké teplotní závislosti nebylo toto měření příliš úspěšné. Výpočetní programy pro radiální a axiální ložiska, jejichž přesnost byla experimentálně ověřena, byly používány předními výrobci rotačních strojů – ČKD Kompresory, Škoda Plzeň, PBS Brno a Velká Bíteš, některé z nich se uplatnily i u zahraničních firem (Thomasssen). Kromě teoretického a experimentálního výzkumu hydrodynamických ložisek, probíhal v SVÚSS rovněž výzkum hydrostatických, dynamických a plynem mazaných ložisek a mechanických ucpávek. V oblasti plynových ložisek bylo dosaženo významného úspěchu vývojem aerodynamického uložení rotoru expanzní turbiny pro zkapalňování helia (obr. 6 vlevo), která měla provozní otáčky až 300.000 min-1 a prokázala vysokou trvanlivost a spolehlivost.

Obr. 6 Expanzní turbina pro zkapalňování hélia a zubní vrtačka plynovými ložisky

Úspěšný byl i vývoj zubní vrtačky s rotorem uloženým v aerostatických ložiskách a pohonem vzduchovou turbinkou (obr. 6 vpravo), která dosahovala otáček až 750.000 min-1 a byla úspěšně klinicky odzkoušena.

Systematický výzkum kluzných ložisek probíhal i na dalších pracovištích, zejména ve VÚ Škoda Plzeň, kde je spojen především se jménem Ing. J. Zmeka. Na tomto pracovišti bylo v souvislosti s výstavbou JE Temelín vybudováno zařízení pro zkoušky radiálních ložisek průměru do 600mm, na kterém bylo možno prostřednictvím harmonického buzení rovněž identifikovat koeficienty tuhosti a útlumu. Mezi VÚ Škoda a SVÚSS probíhala velmi široká spolupráce, jak v teoretické, tak experimentální oblasti.

Trocha historie

Epilog

Relativně krátká historie SVÚSS bohužel skončila nedlouho po r. 1989. Přestože ústav byl příspěvkovou organizací státu, po r. 1989 již žádný příspěvek nedostával a nové vedení ústavu nebylo schopno zajistit dostatečný počet zakázek, potřebný k udržení chodu ústavu. Nejschopnější pracovníci opustili ústav a našli si místa v bankovní nebo ekonomické sféře. Pouze pár nadšenců založilo vlastní firmy (Vamet, AHT Energetika, TECHLAB), ve kterých se za nepředstavitelně obtížných podmínek snažili pokračovat v technické činnosti. Přes administrativní a finanční problémy tyto malé společnosti přežily, zatímco SVÚSS zaniklo. Zařízení ústavu, včetně rozsáhlé knihovny a unikátních zkušebních zařízení bylo dílem rozprodáno, větším dílem sešrotováno. Vzhledem k tomu, že v silách ústavu bylo řešení i tak komplexních úkolů, jako dodávka turbiny na zpracování odpadního tepla (obr. 7), je to velká ztráta pro celý obor strojírenství v ČR.

Obr. 7 Turbina na odpadní teplo – 300 kW, 25.000 min-1

Z hlediska ložisek a dynamiky rotoru měla turbina naprosto unikátní konstrukci se třemi turbinovými stupni (1 radi-axiální, 2 axiální) na převislém konci rotoru. Přes vysoké provozní otáčky byl mechanický chod turbiny zcela bezproblémový. Turbina byla vyrobena ve spolupráci s PBS V. Bíteš a VÚES Brno (VF generátor).