Jak wybrać odpowiedni zespół łożyskowy w oprawie?

Zespół łożyskowy z łożyskiem baryłkowym w oprawie niedzielonej, zainstalowany w przenośniku w kopalni węgla.

Wybór właściwego zespołu łożyskowego ma znaczący wpływ na pracę w danym zastosowaniu. Nieodpowiednio dobrany powoduje zwiększenie liczby nieplanowanych przestojów oraz ogólnych kosztów eksploatacji.

Zadania stawiane zespołom łożyskowym pracującym w urządzeniach przemysłowych są bardzo różne. Od tych wymagających wysokiej precyzji po zastosowania w miejscach o wysokim stopniu zanieczyszczenia i bardzo dużych obciążeniach. Z tego względu zespoły łożyskowe muszą zapewniać odpowiednią ochronę ułożyskowań wałów, przekładni oraz innych elementów obrotowych i wahliwych.

Jedną z głównych zalet zespołów łożyskowych jest standaryzacja konfiguracji ich zabudowy i wymiarów oraz duża różnorodność opcji i rozwiązań zarówno dla nowych, jak i już pracujących urządzeń. Ze względu na tę właśnie różnorodność – oprawy dzielone lub niedzielone, ze staliwa lub z żeliwa, o różnych typach uszczelnień oraz opcjach mocowania na wale – wybór właściwego zespołu do danego zastosowania może być skomplikowany i trudny. Jakie zatem czynniki należy wziąć pod uwagę, rozważając wybór zespołu pod kątem trwałości i niezawodności?

Rodzaje i zastosowania zespołów łożysk

Zespół łożyskowy, nazywany często oprawą, to niezależny system łożyskowania. Obejmuje łożysko, obudowę (oprawę), uszczelnienia, środek smarny i system mocowania na wale. Taka konstrukcja zapewnia dobrą ochronę łożyska, dzięki czemu zespoły łożyskowe są najczęściej wykorzystywane w miejscach o dużym stopniu zanieczyszczenia.

Najczęściej stosowane w przypadku wymagających węzłów łożyskowych są zespoły w oprawach wykorzystujących łożyska toczne. Zespoły te dobrze się sprawdzają w systemach przenośników, urządzeniach transportu materiałów, wentylatorach, dmuchawach i innych urządzeniach pracujących przy dużych obciążeniach, niskich prędkościach obrotowych oraz w środowisku wysokiego zanieczyszczenia. W przemyśle cementowym, kruszyw, energetyce, w kopalniach, w przemyśle celulozowo-papierniczym, w tartakach czy przy produkcji stali, zawsze ma się do czynienia z urządzeniami wyposażonymi w zespoły łożyskowe, dla których najważniejszą sprawą jest kwestia wydłużenia trwałości i niezawodności.

W szczególnie wymagających zastosowaniach najczęściej używane są zespoły łożyskowe wyposażone w łożyska baryłkowe i stożkowe. Łożyska baryłkowe zwykle są używane do zastosowań ogólnych. Mają dobre zdolności przenoszenia obciążeń promieniowych, przy ograniczonych obciążeniach osiowych oraz mogą przenosić niewspółosiowość do ±1,5 stopnia.

Łożyska stożkowe przenoszą obciążenia promieniowe i osiowe, np. występujące w dużych wentylatorach, przenośnikach śrubowych i ślimakowych. Są one dobrym wyborem jako ułożyskowania wałów pionowych (co często wiąże się z dużymi obciążeniami osiowymi) lub w zastosowaniach wymagających wysokiej sztywności i ograniczonego ruchu poosiowego.

W porównaniu z łożyskami kulkowymi łożyska te to prawdziwe konie pociągowe w segmencie zespołów łożyskowych. Wybór ich jako podstawowego elementu zespołu ma znaczenie. Prawidłowo dobrany zespół zapewnia korzyści związane ze zwiększoną trwałością, efektywnością pracy, obsługą oraz całkowitym kosztem eksploatacji.

Typ i materiał oprawy

Wybór najlepszej opcji zespołu do danego zastosowania rozpoczyna się od doboru typu oprawy, który może wpłynąć na całkowite koszty eksploatacji lub obsługi. Oprawy łożyskowe występują w dwóch wersjach. Pierwsza z nich to oprawa dzielona, której konstrukcja umożliwia dostęp do łożyska i pozostałych elementów oraz ich stosunkowo łatwą wymianę. Druga to oprawa niedzielona, która dostarczana jest jako kompletne, gotowe do zabudowy, jednoelementowe złożenie.

Oprawy dzielone i niedzielone różnią się cechami użytkowania i zaletami. Zespoły łożyskowe w oprawach dzielonych odznaczają się konstrukcją modułową, pozwalającą na obniżenie kosztów magazynowania. Oprawę jednego rozmiaru można stosować do wałów lub łożysk o różnych średnicach. W oprawach dzielonych w celu ustalenia położenia łożyska stosuje się dwa identycznej szerokości pierścienie ustalające. Oprawy te mają z reguły wgłębienia w powierzchni odlewu, które ułatwiają wykonanie dodatkowych otworów smarowniczych, otworów do montażu czujników drgań lub otworów pod dodatkowe śruby mocujące. W oprawach tych w zależności od warunków eksploatacyjnych w łatwy sposób można zmienić typ uszczelnienia (dwuwargowe, typu V, labiryntowe, takonitowe).

Zespoły łożyskowe są często używane w wymagających warunkach, takich jak systemy przenośników w kopalniach.

Oprawy dzielone preferuje się zasadniczo w przypadku wałów o średnicy powyżej 125 mm (5 cali). Ze względu na ich duży rozmiar i ciężar często łatwiej jest je montować w pojedynczych elementach. Konstrukcja oprawy dzielonej pozwala na jej demontaż i montaż w częściach. Jeśli w czasie eksploatacji zespół wymaga naprawy, wymiana łożyska i uszczelnienia może nastąpić bez konieczności wymiany wszystkich elementów zespołu, czy też ponownego montażu podstawy oprawy.

W przypadku wałów o średnicy poniżej 125 mm (5 cali) dobrze sprawdzają się zespoły z oprawą niedzieloną, ponieważ ich rozmiar i ciężar sprawiają mniej problemów podczas montażu. Zespoły te są fabrycznie zmontowane, wstępnie nasmarowane i uszczelnione, dzięki czemu zaraz po zakupie można je zamontować i wyosiować nawet w ciągu 15 minut.

Montaż zespołów z oprawą dzieloną z reguły trwa 8090 minut. W celu przeprowadzenia prawidłowego montażu i wyrównania wyosiowania konieczne jest skorzystanie z pomocy wykwalifikowanego personelu. Aby zapewnić właściwe pasowanie na wale, przy montażu należy kontrolować zmianę wartości luzu wewnętrznego łożyska (pomiar szczelinomierzem). Montażyści muszą również stosować się do zalecanych wartości momentu dokręcenia śrub pokrywy oprawy, aby nie spowodować jej uszkodzenia. Ponadto przed montażem łożysko powinno być właściwie nasmarowane (więcej informacji dotyczących smarowania zamieszczono w dalszej części).

Zespoły łożyskowe niedzielone i dzielone są z reguły skonfigurowane z popularnymi typami opraw. Zespoły niedzielone występują również w rozwiązaniach z oprawami kołnierzowymi, z czopem prowadzącym czy z oprawami naciągowymi.

Najczęściej stosowanym materiałem na oprawy jest żeliwo. Jednak w niektórych zastosowaniach z bardzo dużymi obciążeniami udarowymi lub przy montażu w pozycji innej niż pozioma wymagane są oprawy o większej wytrzymałości. W takich warunkach pracy gniazda łożysk tocznych opraw żeliwnych mogą się odkształcać plastycznie lub pękać. Montaż w pozycji innej niż pozioma może zmniejszyć ich trwałość.

Zastosowanie żeliwa sferoidalnego zapewnia dodatkową wytrzymałość oraz ochronę przed wpływem obciążeń udarowych. Większą wytrzymałość zapewniają oprawy wykonane ze staliwa. Mogą być montowane w dowolnej pozycji i nie powodują zmniejszenia nośności zespołu łożyskowego.

Smarowanie i uszczelnienia

Jeśli zespoły łożyskowe nie osiągają przewidywanej trwałości, jest to zwykle spowodowane nieprawidłowym smarowaniem lub wnikaniem zanieczyszczeń do wnętrza łożyska. Zapewnienie skutecznego uszczelnienia jest kluczowym czynnikiem, mającym wpływ na trwałość łożyska i wydłużenie czasu jego eksploatacji.

Istnieje wiele opcji uszczelnień. Od uszczelnień stykowych, w których warga uszczelnienia ma fizyczny kontakt z powierzchnią wału, po uszczelnienia bezstykowe, w których powierzchnie uszczelniające nie mają ze sobą kontaktu.

Popularne rodzaje uszczelnień to:

  • 2-wargowe – jeden z najbardziej popularnych typów uszczelnień stykowych z dobrą odpornością na zużycie przy małych prędkościach obrotowych,
  • 3-wargowe – uszczelnienie stykowe zapewniające doskonałą ochronę przy niskich i średnich prędkościach obrotowych,
  • LOR – uszczelnienie labiryntowe stosowane przy dużych prędkościach i/lub w zastosowaniach o niskim momencie obrotowym,
  • typu V – uszczelnienie 2-elementowe do zastosowań przy wysokich prędkościach obrotowych lub w miejscach, gdzie chropowatość wału powoduje przedwczesne zużycie uszczelnienia,
  • labiryntowe – uszczelnienie bezstykowe wysokotemperaturowe i wysokoobrotowe,
  • takonitowe – nazwa pochodzi od pyłu rud żelaza, przed którym trudno zapewnić właściwe uszczelnienie; uszczelnienie stykowe stosowane w środowiskach o dużym stopniu zanieczyszczenia.

Wybór materiału uszczelnienia wpływa na jego żywotność, dlatego podczas dokonywania wyboru zawsze należy uwzględnić warunki panujące w miejscu zabudowy. Guma nitrylowa to najpowszechniej stosowany materiał na uszczelnienia dla większości uszczelnień wargowych używanych w przemyśle. Viton® i Teflon® odznaczają się odpowiednio większą odpornością na temperatury i prędkość obrotową.

Dodatkową ochronę mogą zapewnić uszczelnienia pomocnicze lub pokrywy zabezpieczające, których można używać wraz z zespołami łożyskowymi z oprawą niedzieloną. Jeśli w środowisku pracy zespołu pojawiają się duże ilości wody, pył i/lub szlam, należy rozważyć użycie zespołu wraz z pokrywami zabezpieczającymi.

W oprawach dzielonych stosowane są uszczelnienia mające kontakt z powierzchnią wału. Zespoły z oprawami niedzielonymi są zaprojektowane tak, aby uszczelnienie stykało się z pierścieniem wewnętrznym łożyska i zapewniało skuteczne przyleganie powierzchni uszczelniającej. Ponieważ warga uszczelnienia styka się z pierścieniem wewnętrznym łożyska, udało się praktycznie wyeliminować ewentualne uszkodzenia wału spowodowane zużyciem jego powierzchni.

Często wymagane jest dosmarowywanie zespołów łożyskowych tak, aby zapewnić ich właściwą pracę. Częstotliwość i wielkość dosmarowywania zależą głównie od warunków eksploatacyjnych. W wymagających zastosowaniach, jak praca w środowisku o dużym stopniu zanieczyszczenia lub wymywania, zwykle potrzebne jest częstsze dosmarowywanie.

Dla zespołów łożyskowych dostępny jest bogaty asortyment smarów – od ogólnego przeznaczenia po wysokotemperaturowe czy z dodatkami EP. Przy doborze smaru oraz ilości i częstotliwości dosmarowań zawsze należy przestrzegać zaleceń producentów urządzenia.

Sposoby mocowań na wale

Wybór właściwego sposobu mocowania może uprościć i przyspieszyć montaż oraz obsługę zespołu łożyskowego, a także wydłużyć czas eksploatacji. W przypadku zespołów z oprawą dzieloną typowym wyborem jest tuleja łożyskowa, ułatwiająca ustawienie osiowe łożyska na wale i właściwe pasowanie ciasne. W przypadku zespołów z oprawą niedzieloną istnieje znacznie więcej opcji, których wybór zależy od konstrukcji wału, warunków pracy i przestrzeni zabudowy.

W tabeli 1 przedstawiono popularne konfiguracje mocowań oraz ich najczęstsze zastosowania.Całkowite koszty eksploatacji

Wybierając zespół łożyskowy, należy uwzględnić nie tylko koszt samego zespołu, ale również koszty jego eksploatacji i obsługi oraz trwałość zespołu. Całkowity koszt eksploatacji obejmuje również koszty montażu, dosmarowywań i wymiany uszkodzonych elementów (tabela 2). Podczas wyboru rodzaju zespołu ważne jest uwzględnienie wszystkich tych składowych.

Zespoły łożyskowe z oprawą dzieloną i niedzieloną zapewniają różne stopnie ochrony przed zanieczyszczeniami i pozwalają na długie użytkowanie łożyska. Zasadniczo ze względu na samą konstrukcję standardowe elementy zespołu z oprawą niedzieloną zapewniają lepszą ochronę przed zanieczyszczeniami niż standardowe elementy zabudowane w zespole z oprawą dzieloną.

Podsumowanie

Zespoły łożyskowe odgrywają ważną rolę w zwiększaniu czasu bezawaryjnej pracy najważniejszych urządzeń. Wybór właściwego rozwiązania może wydłużyć okres eksploatacji oraz zwiększyć niezawodność. Podczas doboru najskuteczniejszego zespołu do danego zastosowania należy uwzględnić indywidualne priorytety, takie jak łatwość montażu, środowisko pracy oraz całkowite koszty eksploatacji.

Autorzy: Brian Berg jest menedżerem ds. marketingu branży przetwórczych w firmie Timken. Karen Cunningham pracuje jako menedżer produktu zespołów łożyskowych w firmie Timken. Mark Flaherty pełni funkcję menedżera ds. sprzedaży i marketingu zespołów łożyskowych.

Tekst pochodzi z nr 5/2015 magazynu “Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.