Łożyska ślizgowe, cz. II

-- piątek, 01 czerwiec 2007

 

Wydawać się może, że łożyska ślizgowe funkcjonują w cieniu łożysk tocznych. Taki wniosek można wysnuć, gdy analizuje się liczbę rozwiązań konstrukcyjnych ostatnich z wymienionych. Ale łożyska ślizgowe spotykamy niemal na każdym kroku. Przykładem są mechanizmy zegarków ręcznych, które cechują się mikroskopijnymi rozmiarami, a pracują pod obciążeniami odpowiadającymi ułamkom grama oraz z bardzo małymi prędkościami poślizgu. Innym przykładem są łożyska ślizgowe stosowane w drukarkach czy urządzeniach dentystycznych. Spotyka się także łożyska ślizgowe o średnicy powyżej 1 m, a przenoszące obciążenia nawet kilkuset tysięcy kilogramów. Podstawowe informacje o łożyskach ślizgowych zostały przedstawione w magazynie Inżynieria & Utrzymanie Ruchu z marca 2007 r., nr 2 (30), w tym artykule zamierzamy rozwinąć poszczególne zagadnienia.

Rys. 1. Łożysko sferyczne poprzeczne, przystosowane do przenoszenia obciążenia poprzecznego przy stosunkowo niewielkim udziale obciążenia osiowego 

Dobór właściwego rodzaju łożyska zależy od wielu czynników, przede wszystkim od zwrotu oddziaływania obciążenia na łożysko. Należy tu odpowiedzieć nie tylko na pytanie, jak duże jest obciążenie, ale także:

Ważnymi czynnikami wpływającymi na proces doboru łożyska są także:

Tam, gdzie jest to możliwe, można stosować łożyska bezobsługowe.

W sytuacjach, gdzie według założeń występować będzie wyłącznie obciążenie poprzeczne (promieniowe) lub będzie ono zdecydowanie dominujące względem obciążenia osiowego, należy stosować łożyska sferyczne poprzeczne (rys. 1). Łożyska te są przystosowane do przenoszenia obciążenia poprzecznego przy niewielkim stosunkowo udziale obciążenia osiowego. Łożyska sferyczne cechują się możliwością występowania ruchu powierzchni współpracujących względem siebie, czyli wychylenia. Kąt wychylenia jest tym większy, im szerszy jest pierścień wewnętrzny.

Rys. 2. Łożysko skośne jednostronne
(z rodziny sferycznych łożysk ślizgowych poprzecznowzdłużnych)

Przy zdecydowanej przewadze obciążenia osiowego względem promieniowego należy oczywiście stosować łożyska sferyczne wzdłużne.

Jednoczesne oddziaływanie na łożysko zarówno obciążenia promieniowego, jak i osiowego, o zbliżonych wartościach, wymaga użycia sferycznych łożysk ślizgowych skośnych (poprzecznie- wzdłużnych), takich jak przedstawione na rys. 2 łożysko skośne jednostronne. Zatem tam, gdzie obciążenie osiowe byłoby zmienne i oddziaływałoby w kierunku o przeciwnych zwrotach (potocznie przeciwległych kierunkach), należy zastosować zestaw dwóch jednostronnych łożysk skośnych. Funkcjonują również zestawy łożyska wzdłużnego i poprzecznego. Jednak warunkiem prawidłowej pracy takiego rozwiązania jest mniejszy udział obciążenia osiowego, a także w razie konieczności określona zabudowa łożyska wzdłużnego z luzem promieniowym. Jeżeli dodatkowo zestaw taki miałby przenosić ruch oscylacyjny, zaleca się, by środki sfer powierzchni współpracujących obu łożysk pokrywały się. 

Rys. 3. Ideowy szkic łożyska ślizgowego poprzecznego, które przenosi obciążenia wyłącznie na kierunku 

Typowe łożysko pracuje przy stałym jednokierunkowym obciążeniu. Gdy jednak mamy do czynienia ze zjawiskiem względnie dużych przesunięć między współpracującymi powierzchniami łożyska ślizgowego (czopem a panewką, między pierścieniem wewnętrznym a zewnętrznym), w wyniku dynamicznych warunków pracy możliwe jest stosowanie łożysk bezobsługowych. Jeśli rzadko i nieregularnie występują nieznaczne ruchy skośne (obciążenie zbliżone do statycznego) lub znaczne dociążenie oraz gdy pojawia się obciążenie uderzeniowe podczas nieregularnych przesunięć skośnych łożyska, zdecydowanie zalecane są łożyska ślizgowe bazujące na stali (stal po stali). Łożyska o zmniejszonych wymaganiach eksploatacyjnych lub w ogóle bezobsługowe, przy obciążeniu cechującym się regularnym lub znaczącym w czasie działaniem w kierunku o przeciwnych zwrotach, znajdują ograniczone zastosowanie. Czasem warunki pracy mają bardzo dynamiczny charakter i występują wszelkie możliwe rodzaje oddziaływania obciążeń na łożysko. Wówczas należy dokonać porównania łożysk specjalnie przeznaczonych do tego typu warunków. Konstrukcje są różne, od łożysk ślizgowych pracujących w układzie stal po stali ze specjalnym rowkiem obwodowym po łożyska specjalne bezobsługowe. W omawianym przypadku najlepszym rozwiązaniem jest przeprowadzenie konsultacji z różnymi dostawcami i wybranie najbardziej optymalnej konstrukcji.

Rys. 4a. Łożysko o pełnym
kącie opasania czopa

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 4b. Łożysko o mniejszym
kącie opasania czopa

 

 

 

Rys. 4c. Rozwiązanie pozwalające na uzyskanie klina smarnego, lecz łożysko może się obracać wyłącznie w jednym kierunku

 

Oddziaływanie warunków atmosferycznych, w tym temperatury, nie pozostaje bez wpływu na pracę łożyska. Zakłada się, że zdecydowana większość rozwiązań łożysk ślizgowych (konstrukcja, materiały) powinna pracować bez większych zastrzeżeń w temperaturze od -30 do +50ºC. Wyższe temperatury wymagają zmniejszenia obciążenia, co uzależnione jest od właściwości materiałów, z jakich wykonane lub powleczone są współpracujące powierzchnie łożysk ślizgowych. Zakładana lub przewidywana temperatura pracy łożyska jest jednym z zasadniczych czynników branych pod uwagę przy wyznaczaniu harmonogramu konserwacji. Prawidłowy dobór łożyska pod względem temperatury pracy wymaga również weryfikacji właściwości:

Przy rozpatrywaniu zastosowania łożysk ślizgowych poprzecznych i wzdłużnych ich dalszy podział zależy przede wszystkim od ukształtowania powierzchni współpracujących czopu i panwi łożyska.

Łożyska ślizgowe poprzeczne

Na rys. 3 pokazano ideowy szkic łożyska ślizgowego poprzecznego, które przenosi obciążenia wyłącznie na kierunku promieniowym. Rys. 4 przedstawia przykłady rozwiązań konstrukcyjnych omawianych łożysk w przekroju poprzecznym. Rys. 4a to łożysko o pełnym kącie opasania czopa, a rys. 4b – o mniejszym kącie opasania. Kolejna odmiana – to zamieszczone na rys. 4c rozwiązanie zapewniające uzyskanie klina smarnego, lecz łożysko może się obracać wyłącznie w jednym kierunku. Jeżeli jednak zastosuje się np. aż 3 kliny smarne, co w tym konkretnym przypadku jest efektem wprowadzenia elastycznej tulei ulegającej odkształceniom sprężystym, a zamontowanej w sztywnej obudowie z trzema podporami, to łożysko takie może obracać się w obu możliwych kierunkach. Łożyska jak na rys. 5a, posiadające wiele klinów smarnych, zapewniają minimalizowanie promieniowych przemieszczeń oraz drgań czopa. Na rys. 5b pokazano konstrukcję łożyska hydrostatycznego, w którym kąt opasania równy jest połowie kąta pełnego. Ciekawą odmianą jest łożysko ślizgowe z tzw. pływającą panewką – rys. 5c. Hydrodynamiczne ciśnienie jest wytwarzane na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni środkowej panewki. Jej prędkość obrotowa jest mniejsza niż prędkość obrotowa czopa, dzięki czemu konstrukcja ta jest wykorzystywana przy budowie łożysk szybkobieżnych w celu zwiększenia efektywności chłodzenia poprzez zwiększenie przepływu smaru w łożysku.

 Rys. 5a. Łożysko mające wiele klinów smarnych – zapewnia minimalizowanie promieniowych przemieszczeń oraz drgań czopa

 

 

 

Rys. 5b. Konstrukcja łożyska hydrostatycznego, w którym kąt opasania równy jest połowie kąta pełnego

 

 

 

 

Rys. 5c. Łożysko ślizgowe z tzw. pływającą panewką

 

To tylko wybrane opcje konstrukcyjne. Wśród produkowanych łożysk ślizgowych można spotkać i inne odmiany. Omówione wcześniej łożyska ślizgowe bazowały na powierzchni cylindrycznej czopa i wału. Jak pokazano na rys. 6a i 6b (a także na rys. 2) produkowane są również łożyska ślizgowe o odmiennym kształcie powierzchni współpracujących wału i panewki (czy też pierścieni wewnętrznego i zewnętrznego) – np. sferyczne, stożkowe, które pozwalają na przenoszenie względnie niewielkich obciążeń osiowych.

Łożyska ślizgowe wzdłużne

Rysunek 7 przedstawia zasadę działania łożyska ślizgowego wzdłużnego, przenoszącego obciążenia, których kierunek działania jest równoległy do osi wału. Podobnie jak w przypadku łożysk ślizgowych poprzecznych, rozróżnia się łożyska ślizgowe wzdłużne według kształtu współpracujących powierzchni łożyska – rys. 8. Różne kształty pozwalają na przenoszenie różnej kombinacji obciążeń – płaskie (rys. 8a) służy wyłącznie do obciążenia wzdłużnego, a koliste (rys. 8b) uwzględnia również siły poprzeczne. Powierzchnia panwi w tych łożyskach może być różnie ukształtowana. Często powierzchnia ta przypomina budowę segmentową, co ułatwia smarowanie i uzyskiwanie tarcia płynnego (dla równoległych powierzchni nośnych poprzez dystrybucję smaru podczas działania), czy też tarcia płynnego hydrodynamicznego. Segmenty mogą być stałe, wykonane w powierzchni panwi (tzw. panew stała) lub zrealizowane jako oddzielne części.

Rys. 6a. Łożysko ślizgowe sferyczne – zapewnia przenoszenie stosunkowo niewielkich obciążeń osiowych

 

 

 

Rys. 6b. Łożysko ślizgowe stożkowe – zapewnia przenoszenie stosunkowo niewielkich obciążeń osiowych

 Oczywiście w zastosowaniu przemysłowym są także konstrukcje łożysk ślizgowych poprzeczniewzdłużnych (rys. 2, 9). Nie do końca jednoznacznej klasyfikacji podlegają tuleje i taśmy ślizgowe. Wykonywane są całkowicie z jednolitego materiału (np. brąz) poprzez obróbkę skrawaniem lub w wyniku obróbki plastycznej blach. Te pierwsze ze względu na możliwość pracy w trudnym środowisku (zanieczyszczenia, czynniki korozyjne), odporność na obciążenia dynamiczne i uderzeniowe oraz nie najlepsze właściwości warstwy wierzchniej powierzchni wału są stosowane m.in. w przemyśle maszyn budowlanych i transportowym. 

Rys. 7. Zasada działania łożyska ślizgowego wzdłużnego, przenoszącego obciążenia, których kierunek działania jest równoległy do osi wału  

Tuleje zwijane z blach wymagają okresowego smarowania. Niekiedy wewnętrzna powierzchnia tulei jest perforowana (rys. 10) w celu ułatwienia prawidłowego smarowania i obniżenia kosztów obsługi. Tuleje takie są wykonywane nie tylko ze stopów łożyskowych, ale także z kompozytów (np. PTFE) i cechują się podwyższoną trwałością oraz brakiem konieczności smarowania (bezobsługowe). Oczywiście stosowanie pomimo tego odpowiednich smarów może zdecydowanie wydłużyć żywotność tulei. Niewielka grubość ścianek sprzyja łatwiejszemu odprowadzaniu ciepła. Tuleje takie są powszechnie stosowanie w sprzęcie domowym, sportowym czy medycznym.

Innym spotykanym rozwiązaniem są tuleje zwijane z włókien z zastosowaniem żywic (duże obciążenia, drgania, środowisko sprzyjające korozji). Stąd ich zastosowanie w maszynach budowlanych, rolniczych, technologicznych oraz portowych.

Jak wiadomo, zasada działania łożysk ślizgowych bazuje na współpracy powierzchni roboczych panewki i kadłuba (panwi i czopa) i ich wzajemnego poślizgu (tarcie ślizgowe). Zjawisko tarcia w łożyskach ślizgowych nie jest zagadnieniem prostym. Zakłada się, że łożyska te pracują prawie zawsze ze smarowaniem.

Rys. 8a. Łożysko ślizgowe płaskie – służy wyłącznie do obciążenia wzdłużnego

 

 

 

 

Rys. 8b. Łożysko ślizgowe koliste – uwzględnia również siły poprzeczne

Choć wyróżnia się tarcie suche, to jednak w takim przypadku główną rolę odgrywają właściwości materiałów, z których wykonane są powierzchnie współpracujące. Gdy smar z jakichś powodów został usunięty z łożyska i tarcie zachodzi między powierzchniami nieprzystosowanymi do takich warunków, należy się liczyć z wystąpieniem:

Gdy tarcie ślizgowe następuje z minimalną ilością smaru, który tworzy bardzo cienką warstwę pomiędzy współpracującymi powierzchniami, wówczas tarcie takie nazywamy granicznym. Występuje ono w szczególnym czasie, przy rozruchu oraz podczas przerwy w dozowaniu środka smarnego. Kwestie związane ze smarowaniem łożysk, zarówno ślizgowych, jak i tocznych, będą tematem odrębnego artykułu. Lepkość smaru sprzyja zaciąganiu smaru przez obracające się względem siebie powierzchnie. Następuje wówczas przepływ smaru z pewnym ciśnieniem. Gdy czop i panewka są oddzielone większą od minimalnej warstwą smaru, to jest to skutkiem siły wyporu smaru, która może częściowo lub całkowicie równoważyć obciążenie czopu. Powierzchnie czopu i panewki w takim przypadku wchodzą wierzchołkami swoich nierówności – następuje tzw. tarcie mieszane. Gdy czop i panewka są całkowicie oddzielone, zużycie powierzchni jest zminimalizowane, a tarcie takie nazywa się tarciem płynnym. Typowe wartości współczynnika tarcia dla łożysk ślizgowych wynoszą 0,01 do 0,05, a przy optymalnych warunkach smarnych nawet 0,001. Jednak łożysko źle obsługiwane może cechować się zdecydowanie wyższym współczynnikiem, czyli nawet ok. 0,1. Tarcie płynne i związana z tym reologia przepływu smaru przez łożysko oraz występujące w układzie siły prowadzą do przesunięcia się czopu. Zjawisko takie może doprowadzić do nierównoważenia układu współpracujących elementów łożyska i do wystąpienia drgań, a nawet do uszkodzenia mechanicznych powierzchni. Do utrzymywania tarcia płynnego niekorzystne są zbyt niskie prędkości obrotowe. Im większa jest gładkość współpracujących powierzchni, lepsze smarowanie i bardziej stabilna praca, tym korzystniejsze warunki pracy i większa żywotność łożyska. 

Rys. 9. Łożysko ślizgowe poprzecznie-wzdłużne

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 10. Tuleja z blachy z wewnętrzną powierzchnią perforowaną 

 

Niebagatelne znaczenie dla pracy łożysk ślizgowych ma również zestawienie materiałów, z których wykonane są współpracujące powierzchnie. Czopy wałów wykonywane są przeważnie ze stali. Zatem dobór materiału na panew stanowi zadanie samo w sobie. Nie jest jednak naszym zadaniem konstruowanie łożysk, a jedynie zdobycie wiedzy o ich prawidłowej eksploatacji. Zastosowanie wybranego materiału łożyskowego nie oznacza, że panew w całości wykonana jest z takiego materiału. Często warstwa danego materiału o określonej grubości naniesiona jest na podstawę wykonaną ze stali. Wymieniamy najczęściej stosowane materiały łożyskowe (w nawiasie podajemy ich cechy):

Podsumowanie

Łożyska ślizgowe stanowią uzupełniające konstrukcje względem łożysk tocznych i w wielu zastosowaniach wykazują lepsze właściwości.

 

 

 

Literatura

1. Praca zbiorowa, Mały poradnik mechanika, tom 2, WNT 1994

2. Praca zbiorowa, Podstawy konstrukcji maszyn, tom 2, WNT 1995

3. Materiały handlowe firmy SKF sp. z o.o.

4. Materiały handlowe firmy Timken

5. Materiały ogólnodostępne: Politechnika Śląska w Gliwicach, Instytut Automatyki, Zakład Inżynierii Systemów

Dr inż. Radosław Morek jest adiunktem w Instytucie Technologii Maszyn Politechniki Warszawskiej, r.morek@cim.pw.edu.pl
Arkadiusz Rosłonowski jest członkiem koła naukowego CAD/CAM przy
Instytucie Technologii Maszyn Politechniki Warszawskiej

 

 

 

Szczegółowy podział łożysk zarówno ślizgowych, jak i tocznych został przedstawiony w pierwszej części raportu, w magazynie Inżynieria & Utrzymanie Ruchu nr 2(30) z marca 2007 r.

 

Ze względu na możliwość wychylenia się pierścienia zewnętrznego łożyska dzielimy na:

 

1. zwykłe

2. wahliwe

 

Ze względu na rodzaj występujących obciążeń (kierunku działających na łożysko sił) łożyska dzielimy na:

 

1. poprzeczne (promieniowe) (rys. 3, 4, 5, 6)

2. wzdłużne (osiowe) (rys. 7, 8)

3. skośne (rys. 2)

 

Łożyska ślizgowe dzielimy na:

 

1. Ze względu na rodzaj smarowania:

1.1. suche

1.2. powietrzne

1.3. olejowe

1.3.1. hydrostatyczne (płyn, gaz są podawane pod ciśnieniem)

1.3.2. hydrodynamiczne (warstwa nośna powstaje w wyniku ruchu obrotowego)

2. Ze względu na prędkość obrotową na łożyska:

2.1. o stałej prędkości obwodowej (za wyjątkiem rozruchu i zatrzymania)

2.2. o zmiennej prędkości obwodowej (w zakresie samej prędkości i kierunku obrotu)

2.3. o oscylacyjnym ruchu obrotowym

3. Ze względu na obciążenie na łożyska o obciążeniu:

3.1. statycznym

3.2. dynamicznym

4. Ze względu na możliwość wychylenia panwi względem korpusu na łożyska:

4.1. stałe

4.2. wahliwe

5. Ze względu na kształt powierzchni współpracujących łożyska (np. sferyczne, rys. 2)

  

Bezobsługowy świat z łożyskami ślizgowymi TX

Dzisiejsza rzeczywistość wymaga od konstruktorów maszyn i urządzeń coraz większej koncentracji na zminimalizowaniu kosztownej obsługi oraz ilości stosowanego środka smarowego – przy równoczesnym podnoszeniu trwałości maszyn. Firma SKF, podążając w tym kierunku, skonstruowała nową rodzinę łożysk ślizgowych i oczkowych typu TX. Łożyska typu TX wykonane są ze stali hartowanej na wskroś lub stali nierdzewnej i charakteryzują się:

Ponieważ poślizg powierzchni w łożyskach TX nie odbywa jak dotychczas na środkach smarowych na bazie oleju, które wymagają uzupełniania – są one przyjazne środowisku naturalnemu, co ma ogromne znaczenie zwłaszcza dziś.

Oprócz tradycyjnych zastosowań łożyska TX mogą być wykorzystane np. w cylindrach hydraulicznych, dźwigach, przenośnikach łańcuchowych, robotach przemysłowych, maszynach włókienniczych i drukarskich, maszynach w przemyśle spożywczym, aplikacjach samochodowych i turbinach wiatrowych.

Na podstawie informacji z firmy SKF

 

 

Dlaczego łożyska samosmarujące?

Spiekanie jest nowoczesną technologią produkcji części w dużych seriach bez strat materiału. Z ekonomicznego punktu widzenia to proces niezawodny, w przypadku łożysk zapewnia nasycenie płynnym lub stałym smarem. Dzięki zastosowanej technologii środek smarowy wystarcza na dłużej niż w przypadku alternatywnej metody smarowania. Dosmarowywanie i konserwacja w przypadku łożysk samosmarujących ze spieków nie są wymagane.

Standardowe łożyska ślizgowe AMES to dobre rozwiązanie dla zespołów, które pracują w temperaturze od -60°C do 120°C w szerokim zakresie obciążeń i prędkości. Jeśli wymagane są specjalne warunki pracy, można pokusić się o zastosowanie specjalnego produktu, np. wysokotemperaturowego smaru, który umożliwi pracę nawet do 250°C.

W większości przypadków wybór pomiędzy zastosowaniem łożyska tocznego lub ślizgowego zależy wyłącznie od preferencji konstruktora. Łożyska ślizgowe sugerowane są wtedy, gdy istotnym czynnikiem są niewielkie wymiary łożyska przy jednoczesnym większym obciążeniu. Łożyska ślizgowe ze spieków są z powodzeniem stosowane w urządzeniach i produktach, gdzie nie występują duże obciążenia i prędkości oraz przy większych prędkościach lub obciążeniu, gdzie obrót łożyska na osi powoduje utworzenie filmu olejowego i smarowanie łożyska.

Dobrym przykładem zastosowania łożysk ślizgowych AMES jest wiertarka udarowa firmy Black & Decker, w której wyeliminowano ryzyko zakleszczenia się łożyska, smarowanie zapewnione jest poprzez film olejowy (20%–30% łożyska wypełniona jest smarem), łożyska nie wymagają konserwacji ani dosmarowywania, zapewniony jest niski poziom głośności i niski współczynnik tarcia. Zastosowanie w urządzeniu łożysk ślizgowych pozwoliło na znaczne zmniejszenie wymiarów urządzenia.

Kiedy głowica wiertarki, na której zamontowane jest łożysko samosmarujące, obraca się, pomiędzy łożyskiem i osią tworzy się film olejowy. Podciśnienie tworzy się w punkcie, w którym nie występuje obciążenie, natomiast ciśnienie w miejscu podparcia. Środek smarujący rozprowadzany jest dookoła osi, a pewna jego ilość przemieszcza się wskutek porowatości materiału z miejsca, gdzie występuje maksymalne ciśnienie, do miejsca, gdzie jest podciśnienie. W rezultacie olej przemieszcza się w małej skali w całym łożysku.

Warunki zastosowania łożysk samosmarujących

Na prawidłowe funkcjonowanie łożysk samosmarujących mają wpływ 2 czynniki:

– prędkość obrotowa na powierzchni wału

– obciążenie ograniczone poprzez zależność: P*V= K

gdzie:

P – obciążenie w kg na cm2 powierzchni pracy (śr. wewn. x długość łożyska)

V – prędkość obrotowa wału w m/s

K – stała wartość równa 18 dla łożysk AMES, która wskazuje ogólne możliwości zastosowania łożysk ślizgowych AMES i może być zwiększona w zależności od warunków pracy, tj: twardości i powierzchni wału, równoległości, dodatkowego dosmarowywania itp.

Spieki z brązu czy z żelaza?

Opisana zasada dotycząca prędkości i obciążenia stosowana jest zarówno do łożysk ze spieków z brązu, jak i z żelaza. Różnica występuje we współczynniku tarcia i odporności na korozję. Spieki brązu charakteryzują się niskim współczynnikiem tarcia, niższą głośnością pracy. Spieki z żelaza: niższa cena, wyższy współczynnik tarcia, większe obciążenie.

Na podstawie informacji z firmy AMES większość konstruktorów decyduje się na stosowanie łożysk ze spieków z brązu (85% wszystkich zastosowań).

Łożyska AMES nasycone są smarem parafinowym mineralnym o lepkości ISO – VG-68, ze specjalnymi dodatkami. Jest to szczególnie dogodne dla łożysk spiekanych o większych rozmiarach, do przenoszenia większych obciążeń. Wysoka precyzja wykonania, obciążenie do 100 kg/cm2, prędkość do 30 000 obr./min i zakres temperatury pracy od -20°C do +120°C umożliwiają zastosowanie łożysk ślizgowych ze spieków brązu i żelaza AMES w takich produktach, jak:

Na podstawie informacji z firmy Albeco, oficjalnego dystrybutora hiszpańskiej firmy AMES