Tam, gdzie występuje ruch obrotowy jednego elementu (np. wału) względem innego, konieczne jest stosowanie łożyskowania. Łożyska to podzespoły (części maszynowe), które podtrzymują wały lub inne ruchome elementy. Ich zadaniem jest przenoszenie na korpus maszyny (mechanizmu) sił działających na części (elementy) osadzone na łożyskach.
Podstawowy podział łożysk bazuje na konstrukcji i dzieli łożyska na ślizgowe i toczne, które należą do najczęściej stosowanych.
Łożyska ślizgowe
Łożyska ślizgowe zbudowane są z dwóch zasadniczych elementów: panewki i kadłuba. W trakcie ruchu pomiędzy osadzonym w otworze panewki czopem wału a powierzchnią roboczą samej panewki występuje tarcie ślizgowe. Podział łożysk ślizgowych przedstawiono w ramce…
Z reguły panewka ma kształt pierścienia i wykonana lub powleczona jest łatwo smarnym materiałem (np. brąz, żeliwo szare, tefl on, tekstolit, proszki spiekane). Dodatkowo powierzchnia robocza panewki może mieć rowki ułatwiające smarowanie. Właściwy dobór materiału oraz środka smarnego ma przede wszystkim prowadzić do zmniejszenia współczynnika tarcia współpracujących części, a co za tym idzie, do wydłużenia okresu trwałości łożyska. Smar pełni także rolę odprowadzania ciepła wydzielanego podczas ruchu.
Łożyska ślizgowe są stosowane w skrajnych przypadkach, zarówno tam, gdzie występują bardzo małe obciążenia (mechanizmy w zegarkach, precyzyjne drukarki komputerowe, urządzenia medyczne), jak i w miejscach, gdzie obciążenia sięgają kilku mN, a średnica samego łożyska przekracza 1000 mm (przemysł ciężki, stoczniowy). Łożyska ślizgow
-
dobrymi właściwościami tłumienia drgań,
-
cichobieżnością,
-
zmniejszonymi wymaganiami w zakresie dokładności montażu,
-
większą odpornością na pracę w środowisku korozyjnym.
Łożyska toczne
Łożysko toczne zbudowane jest z pierścienia zewnętrznego, pierścienia wewnętrznego nieruchomo osadzonego na wale, elementów tocznych rozmieszczonych w bieżniach pierścieni. Elementy toczne przeważnie są utrzymywane we wzajemnym położeniu za pomocą tzw. koszyka, który może być wykonany z różnych materiałów (stal, mosiądz, poliamid, grafit). Dodatkowo konstrukcja łożyska tocznego może być rozszerzona o np. uszczelki gumowe, blaszki ochronne, tuleje stożkowe. Podział łożysk tocznych zamieszczono w ramce…
W łożyskach tocznych tarcie toczne występuje między elementami konstrukcyjnymi samego łożyska dzięki elementom tocznym, zapewniającymi ruch pierścieni względem siebie.
Łożyska kulkowe
Łożyska toczne kulkowe jednorzędowe cechują się prostotą konstrukcji i możliwością pracy przy wysokich prędkościach obrotowych. Łożyska te przenoszą przede wszystkim obciążenia poprzeczne (promieniowe). Nie zaleca się ich stosowania przy występowaniu sił osiowych. W konstrukcjach wymagających znacznej nośności i sztywności układu łożyskowania używa się m.in. łożysk tocznych kulkowych dwurzędowych, kosztem prędkości obrotowej. Tam, gdzie występuje potrzeba uwzględnienia współosiowości i ugięcia wału, stosuje się łożyska toczne kulkowe wahliwe, które są w znacznej mierze odporne na tego typu błędy. Zewnętrzny pierścień ma kulistą bieżnię, w której pracują dwa rzędy kulek. Maksymalny kąt wychylenia od położenia może się wahać od 1,5° (dla łożysk uszczelnianych) do około 40°. Łożyska te znajdują zastosowanie w przemyśle maszynowym i rolniczym. Konstrukcje na potrzeby przemysłu rolniczego powstają zasadniczo z uwzględnieniem trudnych warunków pracy. Zatem głównymi cechami maszyn rolniczych powinny być: niezawodność, prostota konstrukcji, łatwa i mało kosztowna eksploatacja. Stąd łożyska toczne kulkowe wahliwe spełniają stawiane wymagania.
Oprócz sił poprzecznych w układzie łożyskowania występują także siły wzdłużne (osiowe), które wpływają na pracę łożyska. Rozpoznanie układu sił działającego na układ łożyskowania, w ujęciu konstrukcji stanowi kluczowe kryterium doboru łożyska.
obrotowy… Łożyska toczne kulkowe skośne pozwalają na przenoszenie obciążeń promieniowych (poprzecznych). Łożyska te znalazły zastosowanie między innymi we wrzecionach obrabiarek. Konstrukcja takiego łożyska umożliwia przenoszenie sił osiowych w 1 lub 2 kierunkach (łożyska jedno- i dwukierunkowe). Łożyska toczne kulkowe skośne dwurzędowe (dwukierunkowe) przenoszą znaczne obciążenia promieniowe i zapewniają sztywność łożyskowania. Cechy te zadecydowały o ich zastosowaniu w przemyśle samochodowym.
W sytuacji gdy w maszynie lub urządzeniu obciążenie poprzeczne jest na bardzo małym poziomie, można stosować łożyska toczne kulkowe wzdłużne (jedno- lub dwukierunkowe), które nie przenoszą obciążeń poprzecznych.
Ze względu na konstrukcję i zasadę pracy łożyska dzielimy na:
1. ślizgowe
2. toczne
3. elektromagnetyczne
Ze względu na 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)
2. wzdłużne (osiowe)
3. skośne
Łożyska ślizgowe dzielimy:
1. Ze względu na rodzaj smarowania na:
1.1 suche
1.2 powietrzne
1.3 olejowe
1.3.1 hydrostatyczne
1.3.2 hydrodynamiczne
2. Ze względu na prędkość obrotową na łożyska:
2.1 o stałej prędkości obwodowej
2.2 o zmiennej prędkości obwodowej
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
Łożyska toczne dzielimy:
1. Ze względu na kształt elementu tocznego na:
1.1 kulkowe
1.2 wałeczkowe (walcowe)
1.3 igiełkowe
1.4 stożkowe
1.5 baryłkowe
1.6 toroidalne
2. Ze względu na liczbę rzędów elementów tocznych:
2.1 jednorzędowe
2.2 dwurzędowe
Łożyska wałeczkowe (walcowe)
Łożyska te przeznaczone są głównie do przenoszenia obciążenia poprzecznego (nawet o dużych wartościach). Dopuszcza się co prawda występowanie bardzo małego obciążenia wzdłużnego, ale nie jest ono pożądane. Łożyska wałeczkowe są odporne na działanie chwilowe lub nagłe większych obciążeń osiowych. Rolę odgrywają nie tylko konstrukcja łożyska, ale także rodzaj smaru (olej, smar plastyczny) oraz warunki termiczne pracy łożyska, znajdujące swoje odbicie we właściwościach smaru. Łożyska walcowe, szczególnie jednorzędowe, są wrażliwe na występowanie niewspółosiowości wału i obudowy.
Łożyska igiełkowe
Łożyska igiełkowe pod względem konstrukcyjnym stanowią odmianę łożysk walcowych. Zbudowane są z cienkich pierścieni i dużej liczby długich wałeczków, o średnicy nieprzekraczającej 5 mm. Występują odmienne konstrukcje łożysk igiełkowych:
-
pełne,
-
bez pierścienia wewnętrznego, co wymaga nacięcia bieżni na wale,
-
cienkościenne,
-
dwurzędowe,
-
kombinowane z łożyskiem kulkowym, skośnym, wzdłużnym lub walcowym wzdłużnym.
Łożyska igiełkowe zapewniają przy małej średnicy znaczne nośności. Ze względu na swoją konstrukcję i błędy w obróbce igiełek występuje nierównomierność rozkładu obciążenia, co prowadzi do tego, że łożyska te pośród łożysk tocznych mają największy moment tarcia. W łożyskach igiełkowych dla pracy nieprzerywanej oraz przy dużych prędkościach obrotowych elementy toczne prowadzone są w koszykach, a tam, gdzie ruch ma charakter oscylacyjny, a prędkości obrotowe są małe, można stosować łożysko igiełkowe bez koszyków.
Łożyska stożkowe
W tych łożyskach elementy toczne mają kształt stożka ograniczonego płaszczyznami prostopadłymi do osi, które rozlokowane są w stożkowych bieżniach pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego. Zasadą konstrukcyjną łożysk stożkowych jest to, że wierzchołki wszystkich powierzchni stożkowych osadzone są na osi łożyska. Budowa tych łożysk powoduje ich klasyfikacje do łożysk tocznych skośnych, czyli takich, które mogą jednocześnie przenosić obciążenia osiowe i promieniowe. Im większy kąt α działania (kąt bieżni pierścienia zewnętrznego) tym większe siły wzdłużne może przenosić łożysko. Podobnie jak w przypadku łożysk walcowych, również w łożyskach stożkowych styk liniowy wzdłuż tworzącej stożka elementu tocznego z bieżnią, w zestawieniu ze stykiem punktowym w łożysku kulkowym, zapewnia możliwość przenoszenia dużych obciążeń przez łożysko.
Łożyska baryłkowe
Kształt elementów tocznych przypomina baryłki. Łożyska te charakteryzują się zdolnością do przenoszenia dużych obciążeń, zarówno promieniowych, jak i osiowych. Skośnie rozmieszczone elementy toczne (baryłki toczą się po zewnętrznej bieżni kulistej) względem osi łożyska skutecznie zmniejszają wrażliwość łożyska na występujące błędy współosiowości i ugięcia wału (łożyska wahliwe). Ze względu na przenoszenie dużych obciążeń łożyska te znalazły zastosowanie w przemyśle ciężkim i maszynowym. Łożyska toczne baryłkowe wzdłużne jednokierunkowe są zdolne do przenoszenia dużych obciążeń, właśnie osiowych (o około 40% większe niż w przypadku zwykłych łożysk kulkowych), lecz jednocześnie stanowią pewien wyjątek.
Ze względu na swoją konstrukcję łożyska toczne baryłkowe wzdłużne są w stanie przenosić jednocześnie obciążenia poprzeczne. Łożyska baryłkowe dwurzędowe dysponują nośnością o połowę większą niż łożyska jednorzędowe.
Łożyska toroidalne
Łożysko toroidalne zbudowane w efekcie zespolenia wybranych cech konstrukcyjnych takich łożysk tocznych, jak walcowe, igiełkowe i baryłkowe. Bieżnie obu pierścieni są fragmentami kuli. Połączenie cech tych poszczególnych łożysk pozwoliło na:
-
zwiększenie dopuszczalnego przenoszenia obciążenia o około 30% w porównaniu z innymi łożyskami tocznymi;
-
zmniejszenie wpływu przesunięcia osiowego wału na okres trwałości łożyska;
-
znaczne zmniejszenie wpływu niewspółosiowości na pracę łożyska;
-
znaczne zmniejszenie współczynnika tarcia.
Pomimo wielu zalet łożyska toroidalne są jedynie łożyskami poprzecznymi, niezdolnymi do przenoszenia obciążenia osiowego.
Podstawowy podział łożysk bazuje na ich konstrukcji, zasadzie działania, czy też kierunku przenoszonych obciążeń.
Przez wiele lat użytkowania łożysk wypracowany został jeszcze jeden, czysto umowny podział – ze względu na zastosowanie. Nie jest to klasyfikacja o sztywnych regułach. Podstawą jej powstania były charakterystyczne, indywidualne wymagania uzależnione od warunków pracy łożysk.
Producenci na podstawie zdobytego doświadczenia wyróżniają m.in. łożyska dla przemysłu:
-
lotniczego,
-
kosmicznego,
-
spożywczego,
-
obrabiarkowego,
-
hutniczego,
-
papierniczego.
Specyficzne warunki pracy łożysk, takie jak temperatura (obróbka cieplna), próżnia, zanieczyszczenie powietrza, wymagane prędkości obrotowe, wartości i kierunki przenoszonych obciążeń, cichobieżność, kompensowanie błędów współosiowości i ugięcia wału oraz inne spowodowały, że powstały rozwiązania konstrukcyjne dla konkretnych gałęzi przemysłu.
Przykładem mogą być łożyska toczne przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach, które cechują się wydłużoną trwałością eksploatacyjną, możliwością pracy nawet w temperaturze +350°C, czego warunkiem jest zastosowanie właściwych środków smarnych. Łożyska te wyposażone są w blaszki ochronne, których zadaniem jest przeciwdziałanie penetracji łożyska przez zanieczyszczenia stałe i potencjalnemu wyciekowi smaru. Przykładem zastosowania łożysk wysokotemperaturowych są wózki piecowe, piece tunelowe, piece piekarskie. Bazą konstrukcyjną dla tych łożysk jest łożysko toczne kulkowe. Dobór odpowiednich materiałów, w tym np. grafi tu do wykonania koszyka, pozwolił na umożliwienie pracy łożysk w ekstremalnych temperaturach. Podczas eksploatacji z koszyka grafitowego uwalniane są śladowe ilości proszku grafitowego, który poprawia właściwości smarne.
Tam, gdzie łożyska pracują w zakresie temperatur 30–120°C w układzie przerywanym, przy bardzo dużych prędkościach obrotowych (np. układ jezdny pociągu TGV), stosuje się koszyki poliamidowe wzmacniane włóknem szklanym. Dzięki takiemu rozwiązaniu podniesiono odporność na uderzenia, gwałtowne przyspieszenia oraz zwolnienia, a także wibracje. Kosze poliamidowe cechują się elastycznością, małą masą, ograniczoną przewodnością cieplną oraz dobrymi właściwościami ślizgu, co wspomaga łożysko w przypadku niewystarczającego smarowania.
Innym przykładem specjalizowanych konstrukcji są łożyska na potrzeby przemysłu przetwórstwa spożywczego (m.in. młyny, piekarnie, masarnie, rozlewnie napojów), który cechuje się niesprzyjającym środowiskiem pracy. Występowanie soli, cieczy, pyłu, wilgotność czy warunki termiczne wymuszają, by łożyska były odporne na korozję, spełniały wymagania ochrony przeciwbakteryjnej. Konstrukcja łożysk powinna chronić nie tylko ich właściwości eksploatacyjne, ale także spełniać surowe wymogi higieniczne – minimalizowanie, wręcz uniemożliwienie, wypływów środków smarnych oraz powstawania oparów.
Często stosowanym materiałem do budowy łożysk dla przemysłu przetwórstwa spożywczego jest stal kwasoodporna, czy też tworzywa termoplastyczne. Łożyska te wyposażone są w gumowe uszczelki, tarcze ochronne. Łożyska w maszynach i urządzeniach do przetwórstwa spożywczego, podobnie jak pracujące w przestrzeni kosmicznej w próżni łożyska wykorzystywane przez przemysł kosmiczny, wykorzystują smary stałe, np. tworzywa termoplastyczne, tefl on czy grafit. Dzięki temu łożyska te mogą pracować w próżni i unikać wypływów środków smarnych.
Z drugiej strony łożyska takie cechują się podwyższonym współczynnikiem tarcia, a co za tym idzie, przyspieszonym zużyciem.
Kolejnym przykładem są łożyska stosowane w przemyśle obrabiarkowym. Obrabiarki jako maszyny technologiczne są stale rozwijane, m.in. w wyniku podnoszenia jakości samych procesów obróbkowych i narzędzi, czego odzwierciedleniem są obróbki z rodziny HSM. Nowe wymagania rodzą nowe rozwiązania konstrukcyjne. Zatem łożyska toczne stosowane w obrabiarkach powinny:
-
być dostosowane do podwyższonych prędkości obrotowych,
-
umożliwiać kompensację odkształceń termicznych obrabiarki,
-
cechować się wysoką sztywnością oraz trwałością.
Przykładową konstrukcją są łożyska toczne skośne hybrydowe, w których pierścienie wykonane są ze stali łożyskowej, a elementy toczne są ceramiczne (Si3N4). Kulki z azotku krzemu cechują się przede wszystkim:
-
małym ciężarem właściwym,
-
niskim współczynnikiem tarcia i przewodności cieplnej,
-
małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej,
-
brakiem przewodnictwa prądu elektrycznego,
-
własnościami antykorozyjnymi.
Łożyska hybrydowe pozwalają na uzyskanie większej prędkości obrotowej, przy zachowaniu niższej temperatury. Dla temperatury pracy łożyska równej 45°C zalecana prędkość obrotowa łożyska wynosi 13 000 obr./min. Klasyczne rozwiązanie łożyska pozwala na osiągnięcie 10 000 obr./min. Wyższy w przypadku ceramiki moduł sprężystości daje w efekcie podwyższenie sztywności, przy zachowaniu wartości obciążenia wstępnego. Łożyska hybrydowe ze względu na właściwości zastosowanego materiału ceramicznego cechują się wyższą trwałością.
Przedstawione powyżej przykłady to tylko wybrane, specjalizowane rozwiązania konstrukcyjne na potrzeby określonych gałęzi przemysłu. Niemal każdy sektor wykorzystujący maszyny i urządzenia to źródło indywidualnych wymagań stawianych konstrukcjom, w tym łożyskom, np. przemysł papierniczy, wydobywczy (kombajny górnicze, systemy transportowe). Podobnie jak przy opracowywaniu konstrukcji czy procesu technologicznego, również dobór właściwego łożyska to proces wieloczynnikowy.
W powyższym raporcie fragmentarycznie przedstawiono podstawowe wiadomości związane z łożyskami. Obszar wiedzy obejmujący łożyskowanie jest szeroki i całościowe ujęcie go w krótkim raporcie nie jest możliwe. Skromnie nawiązano do smarowania łożysk, pominięto cały dział doboru i obliczeń łożysk.
UR
Dr inż. Radosław Morek jest adiunktem w Instytucie Technologii Maszyn Politechniki Warszawskiej.
Arkadiusz Rosłonowski jest członkiem koła naukowego CAD/CAM przy Instytucie Technologii Maszyn Politechniki Warszawskiej
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 COMPLEX SA
4. Materiały handlowe Fabryki Łożysk Tocznych Kraśnik SA
5. Materiały handlowe firmy SKF sp. z o.o.
6. Materiały handlowe firmy ALBECO
7. Materiały handlowe producentów FAG, NTN, SNR
8. Materiały ogólnodostępne – Politechnika Śląska w Gliwicach Instytut Automatyki Zakład Inżynierii Systemów
Autor: Radosław Morek (tekst), Arkadiusz Rosłonowski (rysunki)
