Łożyska

-- poniedziałek, 04 luty 2013

Łożyska jako elementy maszyny bądź mechanizmu pełnią bardzo istotną funkcję, gdyż podtrzymują inną część, w konsekwencji czego możliwy jest jej względny ruch obrotowy. W tym raporcie skupiamy się głównie na najczęściej używanych łożyskach tocznych, które znajdują zastosowanie w większości eksploatowanych urządzeń mechanicznych. Odpowiednie smarowanie łożysk jest niezwykle ważną czynnością zapobiegającą wystąpieniu nieprawidłowości w ich działaniu. Omawiamy także niektóre metody smarowania i analizujemy stosunek ankietowanych do tematu związanego ze smarowaniem, łącznie z korzystaniem z centralnych systemów smarowania.

Jak sama nazwa wskazuje, podstawowymi częściami łożyska tocznego są bez wątpienia elementy toczne (kulki, wałeczki, igiełki itd.) umieszczone pomiędzy dwoma pierścieniami łożyska. Łożyska toczne mogą być także dodatkowo wyposażone np. w koszyczki utrzymujące elementy toczne w stałym oddaleniu od siebie oraz w uszczelnienia. Żeby łożyska toczne spisywały się bez zarzutów, zapewniając ruch obrotowy wału i utrzymując stałe położenie jego osi obrotu, powinny charakteryzować się dużą trwałością, niezawodnością działania oraz małymi oporami ruchu.

Najczęściej kupowane łożyska

Jeśli chodzi o materiał wykorzystany do produkcji łożysk, to za najbardziej popularne zostały uznane łożyska stalowe, ze stali chromowej. Prawie wszyscy ankietowani twierdzą, że cieszą się one największym popytem. W dalszej kolejności znalazły się łożyska ze stali nierdzewnej (36%) oraz z tworzyw sztucznych (27%). Łożyska całoceramiczne (ceramiczne bieżnie i elementy toczne, bez koszyczka) uzyskały 9% wskazań, natomiast hybrydowe (stalowe bieżnie, ceramiczne elementy toczne; z koszykiem stalowym lub z tworzywa sztucznego) i ceramiczne (ceramiczne bieżnie i elementy toczne, z koszykiem z tworzywa sztucznego) jedynie 6% głosów.

Jak pokazuje wykres 1, największym zainteresowaniem wśród osób biorących udział w ankiecie redakcyjnej cieszą się łożyska kulkowe, nazywane również prostymi. Do największych zalet łożysk kulkowych zwykłych można zaliczyć nieskomplikowaną budowę,

stosunkowo niską cenę, uniwersalność i bardzo szeroki zakres zastosowań, m.in. w przemyśle elektrycznym, rolniczym itd. Są one w stanie przenosić zarówno obciążenia wzdłużne, jak i poprzeczne, zachowując przy tym dużą prędkość obrotową. Z uwagi na duży stopień przylegania elementów tocznych, czyli w tym przypadku kulek, do bieżni, możliwe staje się przenoszenie znacznych sił osiowych i obciążeń promieniowych. Łożyska te są dostępne na rynku polskim w całej gamie klas dokładności i wielkości. Mogą być produkowane zarówno z luzami pomniejszonymi, jak i powiększonymi, z blaszkami ochronnymi typu ZZ bądź uszczelnieniami gumowymi typu RS itd. Ten typ łożysk charakteryzuje się dużą wytrzymałością oraz prostotą obsługi. Na rynku można spotkać łożyska kulkowe zwykłe: jednorzędowe, w tym ze stali nierdzewnej, hybrydowe, z kanałem do kulek, a także dwurzędowe.

W szerokim asortymencie konstrukcyjnym i wymiarowym występują również łożyska kulkowe skośne. Mogą być jednorzędowe, dwurzędowe oraz jednorzędowe dwukierunkowe. Łożyska te używane są do przenoszenia obciążeń złożonych – poprzecznych i wzdłużnych.

Warto dodać, że wyróżnia się trzy kąty działania: 15º – oznaczony literą C, 25º – oznaczony literą E oraz 40º – oznaczony literą B. Wraz ze wzrostem kąta działania łożyska zwiększa się zdolność przenoszenia obciążeń osiowych.

Łożyska skośne jednorzędowe mogą przenosić obciążenia osiowe w jednym kierunku, a jednorzędowe dwukierunkowe – w obu. Natomiast łożyska kulkowe skośne dwurzędowe mają zdolność przenoszenia zarówno sił poprzecznych, jak i obciążeń wzdłużnych. Jedno łożysko dwurzędowe jest w stanie z powodzeniem zastąpić układ dwóch łożysk jednorzędowych.

Innymi łożyskami kulkowymi, o których warto wspomnieć, są łożyska wahliwe. Dzięki temu, że mają dwa rzędy kulek i kulistą bieżnię pierścienia zewnętrznego odpowiedzialnego za wahliwość, są szczególnie polecane do wszelkich zastosowań, w których istnieje duże prawdopodobieństwo zwiększania się niewspółosiowości wskutek ugięcia wału lub błędów w montażu. Łożyska wahliwe nie nagrzewają się tak jak inne łożyska, co jest spowodowane mniejszym tarciem. Najbardziej popularne są łożyska wahliwe występujące w normalnych klasach dokładności i z normalnym luzem wewnętrznym, aczkolwiek w ofercie firm można spotkać je także w wersji z otworem stożkowym. Łożyska wahliwe stosowane są we wszystkich gałęziach przemysłu, a w szczególności w rolnictwie.

Natomiast wszędzie tam, gdzie na wałach występują takie siły promieniowe oraz osiowe, których nie są w stanie przenieść łożyska kulkowe, świetnie sprawdzają się łożyska stożkowe, które znalazły się na drugim miejscu najbardziej popularnych łożysk wskazanych przez ankietowanych. W ich skład wchodzą pierścienie ze stożkowymi bieżniami oraz elementy

toczne w kształcie stożków. Są bardzo wytrzymałe i potrafią przenieść największe obciążenia. W związku z tym używa się ich na szeroką skalę w motoryzacji. Jak większość łożysk tocznych, również łożyska stożkowe mogą być jedno- lub wielorzędowe. Co ważne, łożyska te są rozłączne, w konsekwencji czego ich montaż jest łatwy do przeprowadzenia.

Dużą popularnością cieszą się też łożyska baryłkowe, które zostały wskazane przez ponad połowę ankietowanych. Ze względu na to, że mogą przenosić duże obciążenia zarówno promieniowe, jak i osiowe, stosuje się je głównie do łożyskowania wałów wielkogabarytowych maszyn. Są to łożyska wahliwe, w związku z czym nie są wrażliwe na ugięcie wału lub pewną niewspół-osiowość wału w stosunku do oprawy. Mimo wielu zalet mają sporą wadę, jaką jest stosunkowo duża masa. Z tego powodu są coraz częściej zastępowane lżejszymi łożyskami toroidalnymi, zwłaszcza w tych konstrukcjach, w których masa jest cechą istotną. Łożyska toroidalne, opatentowane i produkowane przez firmę SKF, mają szereg zalet zarówno łożysk baryłkowych (samonastawność kątowa, duża obciążalność promieniowa), jak i łożysk igiełkowych (samonastawność wzdłużna, małe wymiary).

Natomiast bardzo wrażliwe na niewspółosiowość wału i oprawy są łożyska walcowe, wskazane przez 48% ankietowanych. Najczęściej stosuje się je do łożyskowania walcarek, obrabiarek oraz innych ciężkich maszyn. Ze względu na to, że łożyska te są rozłączne, montaż i demontaż nie powinien przysparzać większych problemów. Łożyska walcowe cechuje m.in. możliwość pracy ze znacznymi prędkościami obrotowymi oraz duża żywotność (np. w przekładniach walcarek mogą pracować po 20–30 lat).

Ankietowane przez nas grupy wymieniły również łożyska igiełkowe. 42% użytkowników oraz 47% dostawców jest zdania, że łożyska te cieszą się dużym zainteresowaniem. Powodem takiego stanu rzeczy jest najprawdopodobniej możliwość zastosowania ich w aplikacjach, w których oszczędność miejsca jest sprawą kluczową. Przykładem zastosowania łożysk igiełkowych są m.in. synchronizatory w samochodowych skrzyniach biegów.

Jeśli chodzi o preferowane przez ankietowanych marki łożysk, to za najchętniej kupowane zostały uznane łożyska: SKF, FAG, SNR, KFŁT, INA i TIMKEN.

Łożyska niestandardowe a szczególne warunki pracy

A czy łożyska niestandardowe (o nietypowych wymiarach lub dedykowane do pracy w nietypowych warunkach środowiskowych) są stosowane przez naszych ankietowanych? Z uzyskanych odpowiedzi wynika, że 58% osób używa tego rodzaju łożysk. Głównymi powodami są: praca w warunkach agresywnych, w miejscach, gdzie jest duże zapylenie i wysoka temperatura.

Osoby biorące udział w sondażu zapytaliśmy także o szczególne warunki, w jakich pracują używane przez nich łożyska. W odpowiedziach zostały uwzględnione takie czynniki, jak: duże obciążenia (64%), zapylenie (62%), wysoka temperatura (58%), substancje agresywne (52%), duże prędkości (39%), kontakt z wodą (37%), niska temperatura (27%).

Łożyska fabrycznie regenerowane oraz o zmniejszonym tarciu

Wszyscy ankietowani są jednomyślni w temacie łożysk fabrycznie regenerowanych. 100% osób deklaruje, że nie używają tych łożysk, głównie z takich powodów, jak: brak zaufania, zawodność, niepewność co do jakości takiego towaru oraz brak czasu na ewentualne reklamacje, brak informacji na ten temat, problem z dostępnością łożysk regenerowanych, brak potrzeby brania pod uwagę takiego rozwiązania.

A czy w zakładach ankietowanych używa się łożysk o zmniejszonym tarciu? 27% osób odpowiedziało, że stosuje takie łożyska, a ich wybór jest podyktowany głównie względami ekonomicznymi, większą wytrzymałością tych łożysk, potrzebą eliminacji wibracji, a także wymogami konstrukcji. Pozostała część osób biorących udział w ankiecie nie stosuje tego typu łożysk z powodu zbyt wysokiej ceny, braku takiej potrzeby lub zbyt małej wiedzy na temat takich łożysk.

Awaryjność łożysk a prawidłowe smarowanie

Z wykresu 3 wynika, że awarie łożysk nie zdarzają się zbyt często. Jeśli dochodzi do jakichś usterek, to są to m.in.: zatarcia, zużycie mechaniczne (np. kulek i bieżni), uszkodzenie uszczelnienia, głośna praca łożysk itd. Przyczyną pojawienia się niektórych problemów, np. zatarcia, jest bardzo często brak smarowania lub nieumiejętne aplikowanie środka smarnego.

Okazuje się, że ponad połowa (64%) użytkowników stosuje systemy centralnego smarowania w celu przedłużenia żywotności łożysk, mając świadomość, jak wiele zalet ma takie rozwiązanie.

Pozostając w temacie dotyczącym smarowania, warto dodać, że aż 85% ankietowanych używa smarownic jednopunktowych, a pozostała część wielopunktowych. Wśród smarownic jednopunktowych prym wiodą smarownice sprężynowe (61% wskazań). W dalszej kolejności pojawiły się smarownice: elektromechaniczne (30%), gazowe (24%) oraz chemiczne (3%).

Bardzo istotnym zagadnieniem jest dobór środka smarnego. Wybór nie może być przypadkowy i zawsze powinien uwzględniać takie aspekty, jak: rodzaj tzw. węzła tarcia, obciążenie i prędkość obrotowa, zakres temperatur pracy smarowanych elementów, podatność smarowanego elementu na zanieczyszczenia czy kontakt z wodą itd.

Należy pamiętać o tym, że nawet najlepiej dobrane łożysko prędzej czy później ulegnie awarii, jeśli nie zadbamy o jego właściwe smarowanie. Wszelkie zaniedbania czy brak wiedzy na ten temat skutkują nadmiernym zużyciem ściernym bieżni pierścieni i elementów tocznych, co prowadzi do zwiększenia luzu wewnętrznego w łożysku i zmiany kształtów wszystkich współpracujących elementów. Bezpośrednimi konsekwencjami tych niepożądanych zjawisk jest m.in. zwiększenie obciążeń dynamicznych oraz wzrost poziomu drgań.

Mając na uwadze, że nieumiejętne smarowanie ma ogromny wpływ na znaczne skrócenie żywotności łożyska, powinniśmy robić wszystko, żeby nie dopuścić do takiej sytuacji. W tym celu należy przestrzegać zasad prawidłowego smarowania. Na przykład starajmy się smarować łożysko po jego montażu. Zasada jest taka, że im później łożysko zostanie nasmarowane, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo przedostania się do niego różnych zanieczyszczeń. Natomiast jeżeli po zabudowie łożyska niemożliwe będzie równomierne pokrycie go środkiem smarnym, wówczas można nasmarować je bezpośrednio przed montażem.

Ważna, ale często ignorowana przez użytkowników jest regularna wymiana środka smarnego, który ma swoją ograniczoną trwałość. Przestarzały smar zmienia swój kolor i konsystencję, może pojawić się w nim osad lub nawet grudki. Nie spełnia on wtedy swojej roli, doprowadzając do nieuchronnej awarii łożyska, na przykład jego przegrzania. Smary do łożysk tocznych są dosyć odporne na zachodzące w nich procesy starzenia – zarówno w okresie użytkowania, jak i magazynowania. Mimo to zaleca się wprowadzenie ich do eksploatacji do jednego roku od daty produkcji. Na żywotność smaru mają wpływ m.in. takie czynniki, jak temperatura pracy oraz prędkość obrotowa łożyska i jego rodzaj.

Żeby mieć pewność, że smar, którego używamy, nie wpłynie negatywnie na łożyska, warto stosować się do pewnej zasady: łożyska zamknięte (ZZ), to znaczy takie, które zostały poddane smarowaniu w miejscu ich produkcji, nie powinny być magazynowane dłużej niż 2 lata do momentu rozpoczęcia eksploatacji. W przypadku łożysk z uszczelką gumową, typu 2RS, trzeba pamiętać o tym, żeby okres ten nie był dłuższy niż 3 lata.

By nie dopuścić do nadmiernego wypełnienia łożyska smarem, co może spowodować jego przegrzanie, smarowanie powinno być przeprowadzane z zachowaniem szczególnej ostrożności. Skutkiem przegrzania jest upłynnienie smaru i obniżenie żywotności samego łożyska. Dobrym rozwiązaniem chroniącym przed przesmarowaniem są odrzutniki nadmiaru smaru. Jeśli jednak nie ma w urządzeniu takiego odrzutnika, należy zastosować dawkę uzupełniającą nieprzekraczającą 5% początkowej wartości.

Smarować można na wiele sposobów

Decydując się na odpowiedni rodzaj smarowania, musimy uwzględnić zarówno konstrukcję samych łożysk, jak i konstrukcję i sposób smarowania całego urządzenia, w którym znajdują się te łożyska.

Środkiem smarującym może być smar stały lub olej. To, jaki środek powinien zostać użyty, zależy od kilku czynników. Uogólniając, smary stałe stosuje się wtedy, gdy konstrukcja urządzenia nie jest w stanie zapewnić smarowania łożysk albo konstrukcja węzła łożyskowego jest zamknięta. Smary stałe są niezastąpione również w przypadku łożysk pracujących z niewielkimi prędkościami, w których nie dochodzi do nadmiernego rozgrzania podczas pracy. Stosując smar stały, należy przestrzegać pewnej zasady – oprawy z łożyskiem nie wypełnia się w całości, lecz zostawia się wolną przestrzeń w oprawie do 30–50% objętości, żeby smar mógł zostać wyparty z łożyska, które zostało wprowadzone w ruch.

Olej znajduje natomiast zastosowanie w przypadku łożysk, które są poddane silnym obciążeniom i pracują z dużymi prędkościami obrotowymi. Można go dostarczać do łożysk na różne sposoby. Istnieją różne metody smarowania olejowego. Oto niektóre z nich:

kąpiel olejowa – niewątpliwie najbardziej popularny, a przy tym najprostszy sposób smarowania, wymagający jedynie zanurzenia łożyska w oleju. W celu upewnienia się, że poziom oleju jest optymalny, można zastosować urządzenia wyrównujące, np. LAHD 500 firmy SKF;

pierścień olejowy – metoda smarowania cechuje się wysoką niezawodnością. Pierścień umieszcza się luźno na tulei osadzonej na wałku z jednej strony łożyska i zanurzonej w oleju w dolnej połowie oprawy. W momencie obracania się wału wraz z nim obraca się również pierścień, przenosząc olej znajdujący się na spodzie do rynienki olejowej. W dalszej kolejności olej przepływa przez łożysko z powrotem do zbiornika na dnie;

smarowanie natryskowe – świetnie sprawdza się przy bardzo dużych prędkościach obrotowych i wysokich temperaturach (w silnikach odrzutowych i turbinowych). Metoda ta polega na wtryskiwaniu pod wysokim ciśnieniem oleju bezpośrednio na elementy toczne łożyska. Żeby mieć pewność, że olej przedostanie się przez zawirowania, które występują wokół obracającego się łożyska, jego prędkość nie może być mniejsza niż 15 m/s;

mgła olejowa – znajduje zastosowanie w przypadku dużych prędkości obrotowych, głównie ze względu na niewielkie opory spowodowane przepływami oleju. Ten sposób smarowania polega na rozpyleniu oleju do postaci mgły, która smaruje wszystkie elementy danego urządzenia, włączając w to również łożyska. Warto dodać, że smarowanie za pomocą rozpylonego oleju jeszcze do niedawna budziło kontrowersje i nie było zalecane, przede wszystkim z uwagi na negatywny wpływ na środowisko. Obecnie na rynku dostępne są nowoczesne generatory mgły olejowej, umożliwiające wytwarzanie mgły o rozpyleniu 5 cząsteczek na milion, nie wspominając już o nowych konstrukcjach specjalnych uszczelek w znaczny sposób redukujących ilość rozproszonej mgły. Jeśli oprócz tego zostanie zastosowany nietoksyczny olej syntetyczny, szkodliwy wpływ na środowisko będzie dodatkowo zmniejszony. Mimo to smarowanie mgłą olejową to metoda rzadko używana, a jej zastosowanie jest ograniczone jedynie do niektórych dziedzin, np. przemysłu petrochemicznego;

smarowanie olejowo-powietrzne – stosowane w układach zautomatyzowanych, charakteryzujące się dużą precyzją i pewnością działania. W przypadku stwierdzenia ubytku oleju następuje jego automatyczne uzupełnienie przy pomocy specjalnych urządzeń dozujących, takich np. jak system olejowo-powietrzny VOGEL OLA. Dzięki sprężonemu powietrzu dokładnie odmierzone, minimalne ilości oleju docierają do każdego łożyska z osobna. Tak niewielkie ilości dawkowanego oleju są w stanie zapewnić łożyskom pracę w niższych temperaturach lub z dużo wyższą prędkością, w porównaniu do innych sposobów smarowania. Zastosowanie sprężonego powietrza ma same zalety – służy do chłodzenia łożysk, zwiększa także ciśnienie w ich układzie, minimalizując ryzyko przedostania się do nich wszelkich zanieczyszczeń.

Dobre wsparcie techniczne

67% ankietowanych twierdzi, że poziom wsparcia technicznego ze strony dostawców jest dobry, a 24% – bardzo dobry. Zgodnie z odpowiedziami użytkowników dostawcy są kompetentni i szybko reagują na pojawiające się problemy. Można liczyć na ich wsparcie w każdej sytuacji, w razie potrzeby potrafią zaproponować alternatywne rozwiązania, zapewniają szybką i terminową dostawę łożysk oraz pomoc przy ich doborze. Jedynie 9% osób nie jest zadowolonych ze wsparcia technicznego ze strony swoich dostawców. Ta grupa jest zdania, że dostawcom często brakuje odpowiednich kompetencji.

Wydatki na łożyska w 2013 roku

Ankietowani użytkownicy deklarują, że – w porównaniu z 2012 r. – planowane wydatki na zakup łożysk w 2013 r. zwiększą się (39%), pozostaną na tym samym poziomie (36%) lub też się zmniejszą (24%). Przyczyn większych inwestycji w łożyska należy dopatrywać się w zwiększeniu ilości przeglądów, przewidzianych na najbliższy czas modernizacji oraz prac remontowych i prewencyjnych, zwiększeniu produkcji oraz rozbudowie parku maszynowego, a także w zwiększeniu inwestycji w nowe linie produkcyjne. Natomiast za spadek zainteresowania zakupem nowych łożysk odpowiedzialne są w głównej mierze: kryzys, spadek produkcji oraz brak potrzeby rozbudowy parku maszynowego.

Za pomoc w opracowaniu raportu szczególnie dziękujemy takim firmom, jak: Complex IQ (www.complexsa.eu), Fabryka Łożysk Tocznych – Kraśnik (www.flt.krasnik.pl) oraz Darex (www.darex-lozyska.pl). Dziękujemy również wszystkim firmom oraz Czytelnikom miesięcznika Inżynieria i Utrzymanie Ruchu Zakładów Przemysłowych, którzy wzięli udział w ankiecie.

Autor: Agata Grabowska