Instationäres Gleitlagerbetriebsverhalten
FVA 933I | IGF-Nr. 01|F21844 N
Instationäres Betriebsverhalten von Gleitlagern unter Mischreibungsbedingungen und im hydrodynamischen Betrieb
Hydrodynamische Gleitlager für unterschiedlichste Anwendungen werden in der Regel für ihren stationären Betriebspunkt bzw. Betriebszyklus ausgelegt. In diesem Bereich erfolgt der Betrieb zumeist unter vollständiger Trennung der Oberflächen oder in einem Mischreibungszustand, dessen Randbedingungen wenig veränderlich sind. Der Anfahrvorgang einer Maschine bis zum Erreichen des Nennbetriebs geht jedoch häufig mit Betriebszuständen einher, die von diesen Auslegungsbedingungen stark abweichen können. Gleiches gilt bei Sonderereignissen wie Not-Stopp- Vorgängen, Ausfall der Schmierstoffkühlung oder ähnlichen Vorkommnissen im Betrieb. Die Unsicherheit über das Lagerverhalten in diesem Bereich führt in vielen Fällen zu kostenintensiven Maßnahmen im Rahmen der Schadensprävention wie zusätzlichen hydrostatischen Anfahrhilfen oder zeitintensiven, quasistationären Drehzahlsteigerungen.
Ziel dieses Vorhabens war daher die Erweiterung von COMBROS-R zur Berücksichtigung instationärer thermischer und mechanischer Betriebszustände im vollhydrodynamischen sowie im Mischreibungsgebiet und die Validierung der Rechenergebnisse durch experimentelle Untersuchungen an ausgewählten Prüfständen.
Zur Erreichung der Zielstellung wurde zunächst das vorhandene Gleitlagermodell erweitert, um thermische Trägheiten berücksichtigen zu können. Hierzu wurde analog zum Lagersegment die instationäre Wärmeleitungsgleichung für das Lagergehäuse gelöst. Demnach ergibt sich eine dreidimensionale Temperaturverteilung für das Gehäuse, die unter anderem zu einer besseren Berechnung der Lagerspieländerung beiträgt. Zudem wurde ein Festkörperkontaktmodell implementiert, womit sich der Festkörpertraganteil in Abhängigkeit der Spalthöhe sowie dessen Steifigkeitskoeffizienten mit wenigen Eingabeparametern sowie geringem Rechenaufwand berechnen lässt. Dem folgend wurden ein Modell zur Berücksichtigung des Einflusses rauer Oberflächen auf die hydrodynamische Schmierspaltströmung nach der Theorie von Patir und Cheng, ein Reibungsmodell für den Mischreibungskontakt sowie das Verschleißmodell nach Fleischer implementiert. Diese ermöglichen unter anderem die Berechnung der Energieabgabe aus der Festkörperreibung sowie des daraus entstehenden Verschleißes. Alle genannten Rechenmodelle wurden in einem effizienten und robusten Gesamtberechnungsalgorithmus implementiert, der deren zuverlässige Umsetzung bei verschiedenen Betriebsbedingungen gewährleistet. Abschließend sind zur Validierung des Berechnungsmodells zahlreiche Untersuchungen mit dem Mischreibungs- sowie dem Axialgleitlagerprüfstand durchgeführt worden. Im Allgemeinen stellte sich eine gute Übereinstimmung zwischen simulativen und experimentellen Ergebnissen heraus.
Das Vorhaben IGF-Nr. 01|F21844 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
