Łożyska toczne – Nowe materiały, nowe konstrukcje

-- piątek, 01 luty 2008

Podstawowym celem pracy łożysk jest zmniejszenie zapotrzebowania maszyny na energię. Nowe konstrukcje są tak projektowane, aby podczas pracy zużywały mniej energii. 

Typy łożysk z wstępnie smarowanymi uszczelnieniami lub takie, które są smarowane na cały okres eksploatacji, w rezultacie zewnętrzne uszczelnienia nie są niezbędne, upraszcza to ustawianie łożysk, minimalizuje konserwację i promuje „przyjazną” pracę na poziomie podłogi (brak wycieków przy smarowaniu)

Łożyska toczne w sprzęcie z ruchem obrotowym tradycyjnie redukują tarcie przez wykorzystanie elementów tocznych, przenoszą obciążenia wału, zapewniają sztywność układu oraz umocowanie wału.

Wiele nowych rozwiązań może być powiązanych bezpośrednio z powstającymi nowymi segmentami rynkowymi i nowymi zastosowaniami. Fabryki dążą nieustannie do oszczędzania energii, ograniczania do minimum konserwacji i zwiększania wydajności produkcyjnej. Maszyny w fabrykach pracują szybciej, ciszej i dłużej przy zoptymalizowanych parametrach eksploatacyjnych sprzętu. Łożyska toczne mogą odgrywać poważną rolę w spełnianiu tych celów, czy to w silnikach elektrycznych, przekładniach, wentylatorach, pompach, kompresorach, obrabiarkach, robotach, czy też w innych zastosowaniach, niezależnie od gałęzi przemysłu.

Podobnie jak w przypadku większości operacji w zakładzie, to przede wszystkim sprawność energetyczna decyduje, jak łożysko toczne jest zaprojektowane i wyprodukowane. Zapotrzebowanie na wielofunkcyjność wymaga innowacji w samej konstrukcji łożyska. Zastosowanie powłok ochronnych i niekonwencjonalnych materiałów oraz użycie uszczelnień integralnych to jedne z najbardziej wiodących trendów w świecie łożysk. 

Gdzie można zaoszczędzić energię

Pompy, kompresory, przenośniki i wentylatory to sprzęt napędzany silnikami, pochłania on około 16% całej energii zużywanej w przemyśle w USA. Ponieważ ceny energii rosną w sposób ciągły, kierownicy zakładów poszukują efektywnych sposobów na mniejsze zużycie energii. Jedną ze ścieżek jest poprawienie wydajności silników elektrycznych.

Oszacowano, że każdego roku z powodu niewłaściwej wydajności silników układy napędzane silnikami tracą do 15% energii, tj. około 204 mld kilowatogodzin (kWh). Około 20% tych strat (41 mld kWh rocznie) wynika ze strat mechanicznych, a 20% (8,2 mld kWh rocznie) dotyczy łożysk tocznych. Podstawowym celem zastosowania łożysk jest zmniejszenie zapotrzebowania na energię przez maszynę.

Nowe konstrukcje zwiększyły potencjał łożysk w zakresie ich sprawności energetycznej. Najnowsze konstrukcje – łożyska głęboko rowkowe – to rozwiązania oszczędzające energię, co wynika z optymalnej geometrii wewnętrznej, konstrukcji polimerowego koszyczka i wysokiej jakości smarów. Energia zużywana na pokonywanie tarcia może być zredukowana co najmniej o 30%, zależnie od rozmiaru łożyska i warunków stosowania. Prowadzi to do redukcji strat mocy i zużycia energii.

Więcej niż jedna funkcja

Nowa generacja łożysk tocznych pełni wiele funkcji i stanowi wartość dodaną w procesie produkcyjnym. Zespoły sensor-łożysko składają się z sensora – impulsowego pierścienia i łożyska kulkowego. Dostarczają one precyzyjnej informacji o statusie ruchu rotujących elementów maszyn lub elementów poruszających się poosiowo. Te „inteligentne” łożyska rejestrują obroty, szybkość, kierunek obrotów, położenie względne i/lub obliczają przyśpieszenie lub opóźnienie.

Odpowiednimi zastosowaniami są silniki elektryczne, liniowe siłowniki, systemy sterujące, systemy przenośnikowe i manipulacyjne oraz urządzenia automatyczne.

Pierścień impulsowy zespołu łożyska porusza się obok stacjonarnego pierścienia sensorowego podczas obracania się pierścienia wewnętrznego, generując pole magnetyczne o zmieniającej się polaryzacji. Sensor wytwarza impuls, który bazuje na liczbie zmian polaryzacji na sekundę. Sygnał wyjściowy z sensora jest następnie przesyłany kablem łączącym i jest używany do generowania wymaganej dla danej aplikacji specyficznej informacji.

Obudowy łożysk są zintegrowane z zespołem sensora celem śledzenia eksploatacji maszyny. Jest to kolejne rozwiązanie wielofunkcyjne. Maszyny są zwykle monitorowane przez oprzyrządowanie zewnętrzne, a sensory monitorujące ich stan znajdują się wokół obudów łożysk. W mniejszej skali jest to badanie wibracji, a następne ewentualne funkcje to dodatkowa ochrona lub ekranowanie. Ma to na celu usprawnienie działania zespołu. Praktycznymi rozwiązaniami są obudowy łożysk z wbudowanymi sensorami.

Przy rozwiązaniach z inteligentnymi obudowami łożysk można monitorować szybkości obrotowe maszyn, temperaturę i wibracje. Sygnały z sensorów mogą podlegać obróbce na płytce z obwodem drukowanym celem uzyskania na wyjściu stabilnego, odpornego na zakłócenia sygnału. Płytka zawiera również ochronę przeciwprzepięciową, ekranującą sensory przed anomaliami w sygnale zasilania elektrycznego. Te sygnały również mogą być stosowane jako wejściowe do systemu nadzoru nad maszyną.

Łożyska z powłokami pracują i chronią

Niezależnie od tego, czy powłoki mają być odporne na zużycie, czy też izolować, nowo opracowane rozwiązania mogą spełniać obie te funkcje. Większość typów łożysk może zostać powleczona, gdy wcześniej istniejące łożyska wymagają wymiany. Łożyska powlekane mogą być stopniowo podmieniane bez modyfikacji lub rekonfiguracji urządzeń.

Odporne na zużycie, niskotarciowe powłoki zastosowane na wewnętrzne powierzchnie pierścieni mogą wytrzymać ostre warunki pracy wynikające z nagłych zmian obciążenia, wysokiej temperatury pracy, złego smarowania, wibracji i brudu/lub zanieczyszczenia. Łożyska z powłokami mogą optymalizować liczbę obrotów łożyska i jego czas przydatności w takich zastosowaniach przemysłowych, jak kompresory, wentylatory, pompy hydrauliczne i silniki elektryczne.

W porównaniu ze standardowymi rodzajami łożysk niepowlekanych, łożyska powlekane są twardsze, generują mniej tarcia i ciepła, lepiej tolerują potencjalne uszkodzenia, które mogą powodować zanieczyszczenia i/lub warunki granicznego smarowania.

Inny rodzaj powłok zapewnia doskonałe właściwości elektroizolacyjne. Powłoka jest stosowana na zewnętrznej stronie zewnętrznego i wewnętrznego pierścienia łożyska i może wytrzymać potencjalne uszkodzenie od przepływu prądu elektrycznego przez łożysko – co ma często miejsce w silnikach elektrycznych o zmiennej prędkości oraz w generatorach. Cienka warstwa tlenku aluminium tworzy bariery przed powstaniem potencjalnego łuku elektrycznego, który może spowodować uszkodzenie rolek i bieżni lub utlenienie smaru. Erozja elektryczna może być potencjalnym sprawcą szybszego uszkodzenia łożyska.

Stosowanie materiałów niekonwencjonalnych

Materiały stosowane przy produkcji pierścieni łożysk tocznych, elementów tocznych i koszyczków mają wpływ na właściwości eksploatacyjne łożysk, niezawodność oraz obsługę. Nowe materiały zawsze podlegają badaniom, gdyż mogą one przyczynić się do sukcesu lub mieć negatywny wpływ na trwałość i własności eksploatacyjne.

W przypadku pierścieni łożyskowych i elementów tocznych nowoczesne procesy hartowania skrośnego stali łożyskowych pozwalają na redukcję zawartości tlenu i pierwiastków niemetalicznych, co prowadzi do uzyskania lepszych właściwości. Ma to zastosowanie do łożysk pracujących w temperaturach powyżej 250°C przez dłuższy czas, wtedy wysokostopowe stale łożyskowe zachowują twardość, a łożysko swoje właściwości eksploatacyjne.

W zastosowaniach, gdzie może wystąpić korozja, nierdzewne stale łożyskowe, takie jak stale chromowe czy chromowo-molibdenowe stanowią zabezpieczenie. Jednak ich mniejsza twardość jest ograniczeniem możliwości przenoszenia obciążeń w porównaniu ze stalami konwencjonalnymi, a odporność korozyjna jest dobra tylko wtedy, gdy cała powierzchnia jest doskonale wypolerowana i nie zostanie uszkodzona podczas montażu.

Łożyska ceramiczne, w których elementy toczne wykonano z azotku krzemu, rozwiązały problemy w wielu zastosowaniach ze względu na wysoką twardość materiałów, niską gęstość, niską termiczną rozszerzalność, wysoką oporność elektryczną, niską stałą dielektryczną i brak reakcji na pola magnetyczne. W rezultacie zastosowanie ceramiki pomogło stworzyć kategorię „łożysk hybrydowych”, które są kombinacją elementów tocznych z azotku krzemu ze stalowymi pierścieniami. Mają one wyraźne zalety w porównaniu z konwencjonalnymi łożyskami wykonanymi całkowicie ze stali. Są lżejsze, twardsze i bardziej wytrzymałe; mogą pracować przy wyższych prędkościach i przy niższych temperaturach pracy (mniej wzrasta temperatura łożyska przy wyższych prędkościach); są bardzo odporne na zużycie – nawet w warunkach złego smarowania.

Kulki ceramiczne mają gęstość o ok. 40% mniejszą niż kulki stalowe, przez to siła odśrodkowa działająca na kulki jest mniejsza, a więc mniejsze jest tarcie. W rezultacie mogą one pracować przy większych prędkościach i być chłodniejsze. Relatywnie większa twardość skutkuje wyższą odpornością na zużycie względem cząstek twardych, zanieczyszczeń i wibracji; a ich bardzo nieelastyczna natura oznacza większą sztywność łożyska i mniejsze odkształcenia pod obciążeniem. Sprzyja to niezawodności eksploatacyjnej. Ich naturalne właściwości elektroizolacyjne są szczególnie korzystne w silnikach o zmiennej prędkości i generatorach, w zastosowaniach, gdzie istnieje możliwość powstania łuku elektrycznego. W przeciwieństwie do łożysk z powłokami, łożyska hybrydowe izolują „od środka”.

Nowsze rodzaje polimerów mają bardzo dobre właściwości termiczne, tarciowe i przeciwzużyciowe w porównaniu z konwencjonalnymi analogicznymi częściami stalowymi i mosiężnymi. Koszyczki z polieteroeteroketonu (PEEK) mogą pracować przy większych szybkościach, nadają się do wyższych temperatur i zapewniają większą odporność na czynniki agresywne. Wykazują się one doskonałymi właściwościami mechanicznymi, nawet w temperaturze do 200°C. Są odporne na starzenie cieplne w agresywnych mediach i mają dobre właściwości trybologiczne w zakresie odporności na zużycie oraz niski współczynnik tarcia. Tego typu koszyczki sprawdzają się najlepiej w sprężarkach.

Uszczelnienia zintegrowane

Podstawowym celem uszczelnień jest utrzymanie środka smarnego w odpowiednim miejscu i ochrona przed zanieczyszczeniami, w postaci innych środków smarnych na bazie olejów mineralnych, paliw, olejów i smarów, kurzu i wody. Coraz więcej łożysk jest projektowanych z wstępnie smarowanymi uszczelnieniami, które wystarczają na cały okres eksploatacji, przez co uszczelnienia zewnętrzne stają się niepotrzebne. Upraszcza to montaż łożyska, minimalizuje wymagania w zakresie konserwacji poprzez eliminację potrzeby jakiegokolwiek smarowania w miejscu stosowania. Z kolei kauczuk nitrylowy, uszczelnienie o niskim współczynniku tarcia promuje niższe zużycie energii, bardzo dobrze zatrzymuje smar i sprzyja wydłużeniu czasu pracy łożyska.

Prawdopodobnie w aspekcie eksploatacyjnym jest to pionierska, całkowicie nowa klasa łożysk tocznych. W podejściu tym zrealizowano bezprecedensowe usprawnienia w zakresie czasu pracy, zdolności do przenoszenia obciążeń, zmniejszenia tarcia, hałasu i wibracji, zwiększenia odporności na zużycie i zdolności do pracy przy dużych szybkościach.

Nowe rozwiązania dotyczą większości rozmiarów i typów łożysk tocznych spotykanych w zakładowym parku maszynowym w różnych gałęziach przemysłu, włącznie z łożyskami tocznymi kulistymi, łożyskami kulkowymi skośnymi, łożyskami tocznymi wałeczkowymi, łożyskami tocznymi wzdłużnymi, łożyskami tocznymi stożkowymi, łożyskami kulkowymi głębokorowkowymi i łożyskami kulkowymi z kontaktem czteropunktowym.

UR

Daniel R. Synder, SKF USA

Daniel R. Synder jest dyrektorem ds. inżynierii zastosowań w Dziale Przemysłowym SKF (USA).

Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej