อะไรทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปในแบริ่งคอมเพรสเซอร์?

บทนำ

ในอุปกรณ์การจัดการของเหลวที่ทันสมัย แบริ่งคอมเพรสเซอร์ ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบรองรับที่สำคัญซึ่งช่วยรักษาการเคลื่อนที่ของเพลาให้คงที่ ลดแรงเสียดทานในการหมุน และรับประกันการทำงานอย่างต่อเนื่องภายใต้ภาระหนักสูง ในขณะที่ระบบคอมเพรสเซอร์ก้าวหน้าไปสู่ความเร็วที่สูงขึ้น ขนาดที่เล็กลง และสภาพแวดล้อมด้านความร้อนที่มีความต้องการมากขึ้น ความท้าทายของความร้อนสูงเกินไปของตลับลูกปืนก็เริ่มโดดเด่นมากขึ้น ความร้อนสูงเกินไปของส่วนประกอบนี้เป็นมากกว่าความผิดปกติของอุณหภูมิ โดยมักเป็นสาเหตุของการสึกหรอทางกล การเสื่อมสภาพของสารหล่อลื่น และความไม่เสถียรของโครงสร้างทั่วทั้งระบบคอมเพรสเซอร์โรตารี

ความไม่สมดุลของโหลดทางกล

ความไม่สมดุลของโหลดทางกลเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของความเครียดจากความร้อนในแบริ่งของคอมเพรสเซอร์ เมื่อชุดโรเตอร์ถูกแรงตามแนวแกนหรือแนวรัศมีไม่เท่ากัน แบริ่งจะต้องชดเชยจุดแรงดันที่ผิดปกติ ส่งผลให้มีแรงเสียดทานจากการสัมผัสเพิ่มขึ้น

กองกำลังรัศมีที่สูงขึ้น

การโหลดในแนวรัศมีจะเพิ่มขึ้นเมื่อเพลาคอมเพรสเซอร์ไม่ตรงแนว เมื่อมีใบพัดที่ไม่สมดุล หรือเมื่อการสั่นสะเทือนในส่วนประกอบที่หมุนด้วยความเร็วสูงเกินเกณฑ์ที่ออกแบบไว้ เมื่อแรงเสียดทานเพิ่มขึ้น แบริ่งจะสร้างความร้อนตามสัดส่วน และการกระจายที่ไม่เพียงพอส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไปอย่างต่อเนื่อง

แรงขับตามแนวแกน

โหลดแรงขับในแนวแกนเกิดจากความแตกต่างของแรงดันภายในห้องคอมเพรสเซอร์ เมื่อระดับแรงขับเกินความสามารถในการรับน้ำหนักของแบริ่ง แรงเสียดทานในการเลื่อนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ทำให้เกิดความร้อนสะสมอย่างต่อเนื่อง การควบคุมการกระจายโหลดตามแนวแกนอย่างเหมาะสมถือเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาเสถียรภาพทางความร้อน

กลไกความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับโหลด

แบริ่งที่มีภาระไม่สมมาตรหรือมากเกินไปจะต้องผ่านรูปแบบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่คาดเดาได้:

ความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอจะเพิ่มแรงเสียดทานที่พื้นผิว

แรงเสียดทานทำให้เกิดโซนความร้อนที่เข้มข้น

ฟิล์มน้ำมันหล่อลื่นเริ่มเสื่อมสภาพ

การสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะเกิดขึ้น

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจะเร่งการสึกหรอและการยึดตลับลูกปืนในที่สุด

การขาดการหล่อลื่นและการสลายเนื่องจากความร้อน

การหล่อลื่นมีบทบาทสำคัญในประสิทธิภาพการระบายความร้อนของแบริ่งคอมเพรสเซอร์ หากไม่มีฟิล์มน้ำมันที่เพียงพอ แรงเสียดทานก็จะรุนแรงขึ้น ความร้อนจะสะสมอย่างรวดเร็ว และการเสื่อมสภาพจากความร้อนจะตามมา

ความหนืดของน้ำมันหล่อลื่นไม่เพียงพอ

สำหรับคอมเพรสเซอร์ความเร็วสูง ความหนืดของการหล่อลื่นจะถูกกำหนดอย่างระมัดระวังเพื่อรักษาสมดุลของการไหลและความหนาของฟิล์ม สารหล่อลื่นที่มีความหนืดไม่เพียงพอไม่สามารถรักษาการแยกตัวระหว่างองค์ประกอบลูกกลิ้งและการแข่งขันได้ ทำให้เสี่ยงต่อการสะสมความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในทางกลับกัน ความหนืดที่สูงเกินไปจะเพิ่มการลากของของเหลว ทำให้เกิดความร้อนผ่านการเสียดสีภายใน

ฟิล์มน้ำมันยุบตัว

ฟิล์มน้ำมันยุบตัวอาจเกิดขึ้นเนื่องจาก:

อุณหภูมิที่มากเกินไป

การทำงานด้วยความเร็วสูง

น้ำมันที่ปนเปื้อน

แรงดันน้ำมันไม่สม่ำเสมอ

เมื่อแผงกั้นน้ำมันพังทลายลง พื้นผิวโลหะจะโต้ตอบกันโดยตรง กระตุ้นให้เกิดความร้อนทันทีและทำให้แบริ่งเสียหายเนื่องจากความร้อนเร็วขึ้น

ความผิดปกติของระบบหล่อลื่น

ข้อผิดพลาดในเครือข่ายการหล่อลื่นคอมเพรสเซอร์อุตสาหกรรม เช่น การไหลของน้ำมันที่ไม่เสถียร ทางเดินอุดตัน หรือข้อจำกัดในท่อจ่าย ส่งผลโดยตรงต่อการกระจายความร้อน การทำงานต่อเนื่องภายใต้การหล่อลื่นที่ไม่ดีส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไปอย่างรวดเร็ว

แรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีความเร็วสูง

ความเร็วในการหมุนสูงเป็นสาเหตุที่ทราบกันดีว่าทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน เนื่องจากเทคโนโลยีคอมเพรสเซอร์ก้าวหน้าไป RPM ที่สูงขึ้นจึงเป็นเรื่องปกติมากขึ้นเรื่อยๆ โดยกำหนดให้โครงสร้างแบริ่งและวัสดุต้องทนทานต่อระดับแรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้น

ผลกระทบจากแรงเหวี่ยงต่อองค์ประกอบกลิ้ง

ที่ความเร็วสูง แรงเหวี่ยงจะดันองค์ประกอบที่กลิ้งออกไปด้านนอก ส่งผลให้การกระจายน้ำหนักบนสนามแข่งเปลี่ยนแปลงไป การเปลี่ยนแปลงนี้จะเพิ่มแรงดันเฉพาะจุด ซึ่งจะช่วยเร่งการสร้างความร้อน

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างการเลื่อนกับแรงเสียดทานแบบโรลลิ่ง

แม้ในชิ้นส่วนคอมเพรสเซอร์ที่มีความแม่นยำ แรงเสียดทานจากการเลื่อนก็ไม่สามารถขจัดออกไปได้ทั้งหมด เมื่อความเร็วในการหมุนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แรงเสียดทานจากการกลิ้งจะเปลี่ยนบางส่วนเป็นการเสียดสีแบบเลื่อน ส่งผลให้เอาต์พุตความร้อนเข้มข้นขึ้น

สูตรเพิ่มความร้อน

วิศวกรมักใช้แบบจำลองที่เรียบง่ายเพื่อทำความเข้าใจการเพิ่มขึ้นของความร้อนตามความเร็ว:

ความร้อนที่เกิดขึ้น ∝ โหลด × ความเร็ว × สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน

เมื่อระยะความเร็วเพิ่มขึ้น การสร้างความร้อนจะสูงอย่างไม่เป็นสัดส่วน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อไม่มีกลไกการทำความเย็นที่แข็งแกร่ง

ข้อจำกัดของวัสดุและความสมบูรณ์ของพื้นผิว

วัสดุแบริ่งจะต้องมีความทนทาน ทนต่อความร้อน และมีคุณสมบัติทางโครงสร้างที่มั่นคง เมื่อวัสดุเกิดความล้าหรือความผิดปกติของโครงสร้างระดับจุลภาค การสร้างความร้อนจะหลีกเลี่ยงไม่ได้

การเจริญเติบโตของไมโครสปอลลิ่งและความหยาบของพื้นผิว

ข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ บนรางน้ำหรือองค์ประกอบการหมุนจะเพิ่มความหยาบของพื้นผิว ด้วยความหยาบที่มากขึ้น แรงเสียดทานจึงเพิ่มขึ้น และความร้อนสะสม ข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะขยายตัวอย่างรวดเร็วภายใต้การทำงานที่มีแรงดันสูง

การอ่อนตัวด้วยความร้อนของเหล็กแบริ่ง

เมื่อแบริ่งคอมเพรสเซอร์ทำงานใกล้เกณฑ์การอ่อนตัวของวัสดุ การเสียรูปจะเกิดขึ้นได้ง่ายขึ้น การเสียรูปจะเปลี่ยนเส้นทางการรับน้ำหนัก ทำให้เกิดการกระจายความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอและการเพิ่มขึ้นของความร้อน ซึ่งส่งผลให้โครงสร้างไม่มีเสถียรภาพ

ผลกระทบของความบริสุทธิ์ของวัสดุ

สิ่งเจือปนในเหล็กแบริ่งส่งผลต่อทั้งความแข็งและการนำความร้อน โลหะผสมที่ไม่บริสุทธิ์จะกระจายความร้อนได้ไม่ดีและสร้างฮอตสปอตที่ทำให้อุณหภูมิในการทำงานสูงขึ้น

การวางแนวของเพลาและความไม่สอดคล้องกันของโครงสร้าง

การจัดตำแหน่งเพลาส่งผลโดยตรงต่อพฤติกรรมทางความร้อนของตลับลูกปืน การวางแนวที่ไม่ถูกต้องจะทำให้แรงเสียดทานรุนแรงขึ้นโดยการเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์ทางเรขาคณิตที่ต้องการระหว่างองค์ประกอบที่กลิ้งและร่องน้ำ

การวางแนวเชิงมุมไม่ตรง

การเบี่ยงเบนเชิงมุมทำให้องค์ประกอบที่กลิ้งลื่นไถล ทำให้เกิดรูปแบบความร้อนที่ผิดปกติ การทำงานอย่างต่อเนื่องภายใต้การวางแนวที่ไม่ตรงเชิงมุมส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

การวางแนวแบบขนาน

การชดเชยแบบขนานทำให้เกิดการกระจายน้ำหนักที่ไม่สม่ำเสมอ ทำให้ส่วนหนึ่งของแบริ่งรับภาระส่วนใหญ่ ความไม่สมดุลนี้จะช่วยเร่งความเครียดจากความร้อน

ความผิดปกติของที่อยู่อาศัย

หากตัวเรือนคอมเพรสเซอร์เสียรูปเนื่องจากการสั่นสะเทือน การขยายตัวทางความร้อน หรือการติดตั้งที่ไม่เหมาะสม บ่าแบริ่งจะไม่รักษาแนวที่เหมาะสมอีกต่อไป ซึ่งทำให้เกิดแรงเสียดทานและความร้อนสูงเกินไป

ความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากการปนเปื้อน

สารปนเปื้อนเป็นสาเหตุสำคัญของความไม่เสถียรทางความร้อนที่ซ่อนเร้น

การบุกรุกของอนุภาคอย่างหนัก

อนุภาค เช่น ฝุ่น เศษโลหะ หรือเศษจากเครื่องจักรจะเข้าสู่สภาพแวดล้อมการหล่อลื่นและเพิ่มแรงเสียดทานจากการเสียดสี รอยขีดข่วนขนาดเล็กที่เกิดขึ้นจะพัฒนาไปสู่ข้อบกพร่องที่เกิดจากความร้อน

การปนเปื้อนของความชื้น

ความชื้นช่วยลดความหนืดของน้ำมันหล่อลื่น ขัดขวางความต่อเนื่องของฟิล์มน้ำมัน ทำให้เกิดการกัดกร่อน และเพิ่มระดับแรงเสียดทาน การสร้างความร้อนจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วภายใต้การย่อยสลายที่เกิดจากความชื้น

ความไม่เข้ากันของสารเคมี

สารปนเปื้อนบางชนิดทำปฏิกิริยาทางเคมีกับสารหล่อลื่น ทำให้ประสิทธิภาพการหล่อลื่นลดลง และเพิ่มภาระความร้อนบนแบริ่งของคอมเพรสเซอร์

โครงสร้างการกระจายความร้อนไม่เพียงพอ

แม้ว่าสภาพการหล่อลื่นและกลไกจะเหมาะสม ตลับลูกปืนก็อาจมีความร้อนมากเกินไปเพียงเพราะความร้อนไม่สามารถระบายออกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การออกแบบเส้นทางระบายความร้อนไม่ดี

หากตัวเรือนแบริ่งขาดเส้นทางการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพ การสะสมความร้อนจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ ค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุและความหนาของผนังมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำความเย็น

การระบายอากาศหรือการไหลของความเย็นไม่เพียงพอ

ในห้องคอมเพรสเซอร์แบบปิดสนิท ความร้อนสามารถสะสมได้อย่างรวดเร็ว หากไม่มีช่องการไหลของอากาศหรือเส้นทางการนำไฟฟ้าแบบพาสซีฟที่ออกแบบมา อุณหภูมิของตลับลูกปืนจะเพิ่มขึ้นแม้ภายใต้ภาระปานกลาง

การรบกวนการขยายตัวทางความร้อน

หากส่วนประกอบโดยรอบขยายตัวมากหรือน้อยกว่าตัวตลับลูกปืน ความเค้นจากความร้อนจะปรากฏขึ้นในรูปแบบของการบีบอัด การเสียดสี และการสะสมความร้อนเพิ่มเติม

ข้อผิดพลาดในการดำเนินงานและพารามิเตอร์การใช้งานไม่ถูกต้อง

การปฏิบัติงานมีอิทธิพลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนของตลับลูกปืน

การทำงานเกินความเร็ว

การทำงานของคอมเพรสเซอร์เกินขีดจำกัดความเร็วที่ตั้งใจไว้จะช่วยเพิ่มเอาต์พุตความร้อนเป็นทวีคูณ และส่งผลต่อพฤติกรรมของฟิล์มหล่อลื่นอย่างล้นหลาม

ความต้องการโหลดมากเกินไป

แรงดันเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันหรือการทำงานเกินพิกัดเป็นเวลานาน ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

รอบการเริ่ม-หยุดบ่อยครั้ง

การเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างกะทันหันทำให้ระบบไม่สามารถสร้างรูปแบบการหล่อลื่นและความเย็นที่เสถียร ส่งผลให้แบริ่งเกิดความเครียดจากความร้อนมากขึ้น

การสึกหรอในระยะยาวและการแก่ชราตามธรรมชาติ

แม้ว่าจะมีการบำรุงรักษาอย่างเหมาะสม แต่การทำงานในระยะยาวยังทำให้เกิดการสึกหรออย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ภาพรวมกลไกการสึกหรอ

องค์ประกอบที่กลิ้งจะค่อยๆสูญเสียความเรียบ

พื้นผิวของร่องน้ำพัฒนาเป็นไมโครพิตติ้ง

ช่องหล่อลื่นถูกกีดขวางบางส่วน

ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนลดลง

การย่อยสลายอย่างช้าๆ นี้ทำให้อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป และส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไปอย่างต่อเนื่องในที่สุด

ตารางสรุปคุณสมบัติผลิตภัณฑ์

ตารางต่อไปนี้สรุปลักษณะโครงสร้างและฟังก์ชันที่โดยทั่วไปจะพิจารณาในการออกแบบแบริ่งคอมเพรสเซอร์เพื่อการควบคุมความร้อน

บทสรุป

ความร้อนสูงเกินไปในแบริ่งคอมเพรสเซอร์เกิดขึ้นจากปัจจัยทางกล ความร้อน การทำงาน และสิ่งแวดล้อมรวมกัน ปัจจัยสำคัญ ได้แก่ ความไม่สมดุลของโหลด การขาดการหล่อลื่น ความเร็วในการหมุนมากเกินไป การปนเปื้อน การกระจายความร้อนไม่เพียงพอ การเสื่อมสภาพของวัสดุ การวางแนวที่ไม่ตรง และสภาวะการทำงานที่ไม่เหมาะสม

การทำความเข้าใจสาเหตุเหล่านี้ถือเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ การออกแบบระบบคอมเพรสเซอร์โรตารีประสิทธิภาพสูง และการยืดอายุการใช้งานของส่วนประกอบ ด้วยการปรับปรุงการออกแบบการหล่อลื่น การกลั่นกรองการเลือกวัสดุ เพิ่มความแม่นยำในการจัดตำแหน่ง และเสริมสร้างโครงสร้างการทำความเย็น วิศวกรสามารถป้องกันความล้มเหลวเนื่องจากความร้อนของตลับลูกปืนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรักษาประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ให้เสถียรในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่หลากหลาย