Tradycyjnie smary i oleje stosuje się do smarowania łożysk kulkowych i wałeczkowych. Jednak tego rodzaju smary mogą być zanieczyszczone, co powoduje znaczne problemy z utrzymaniem czystości i wymaga dokonywania okresowej konserwacji w celu uzupełnienia smaru. Smary typu solid, takie jak mikroporowate polimerowe komponenty smarne (Microporous Polymeric Lubricants – MPL), mogą w istotny sposób zredukować bądź całkowicie wyeliminować te problemy.
Właściwości MPL
MPL zbudowane są z dwóch podstawowych składników: matrycy polimerowej w postaci mikroporowatej sieci ciągłej oraz oleju, który znajduje się w tych porach. Rodzaj oleju zamkniętego w polimerze może być dobrany odpowiednio do potrzeb danego zastosowania. Można na przykład wykorzystać olej przeznaczony do celów spożywczych, odpowiadający standardom FDA (Food and Drug Administration), aby uniknąć skażenia produktu oraz zwiększyć czystość i bezpieczeństwo, lub też olej hipoidalny (Extreme Pressure – EP), stosowany przy wysokich obciążeniach.
Można również stosować inne dodatki, aby zmienić właściwości smaru, a także dołączyć polepszacze, takie jak inhibitory korozji i utleniania, modyfikatory współczynników tarcia oraz substancje stałe – dwusiarczek molibdenu, grafit czy teflon. Olej zawarty w matrycy polimerowej można skontrolować podczas przetwarzania, porowata struktura MPL może zawierać ponad 50% wagowych oleju.
Rys. 1 Przykłady łożysk z polimerami MPL wewnątrz
Polimery mikroporowate działają jak gąbka, uwalniając i pochłaniając olej. Olej jest uwalniany z matrycy polimerowej na jej powierzchnię dzięki kapilarom. Następnie zostaje przeniesiony na każdą powierzchnię, z jaką się styka, zapewniając jej niezbędne smarowanie. W miarę jak zmniejsza się ilość oleju na powierzchni, MPL uwalnia go coraz więcej. Jeśli wystąpi nadmiar oleju, wówczas jest on ponownie wchłaniany przez mikroporowate matryce polimerowe.
MPL uwalnia zazwyczaj więcej oleju, w miarę jak rośnie temperatura łożysk. Olej ten jest następnie ponownie wchłaniany przez MPL, gdy temperatura spada. Dlatego właśnie MPL zmniejsza bądź całkowicie eliminuje konieczność wymiany oleju, minimalizując bądź eliminując potrzebę dokonywania konserwacji i czynności związanych z zachowaniem czystości.
Zastosowania
Podstawowym zastosowaniem MPL jest zapewnienie stałego źródła smarowania łożysk kulkowych i wałeczkowych. struktura MPL wkomponowana jest w przestrzeń pomiędzy częściami tocznymi a pierścieniem nośnym łożyska (rys. 1).
Rys. 2 Sztywne kształtowniki wykonane z MPL
Ponieważ MPL jest ciałem stałym, osłania łożysko i zmniejsza dostęp zanieczyszczeń. Jest to szczególnie ważne przy zastosowaniach, w których łożyska narażone są na kurz i brud. Zmniejszenie dostępu zanieczyszczeń do łożyska może znacząco przedłużyć jego żywotność.
MPL mogą być produkowane w różnych trwałych kształtach – poprzez odlewanie, tłoczenie lub wtryskiwanie do formy (rys. 2). Jeśli nie zostały zaprojektowane jako elementy przenoszące obciążenia mechaniczne, wówczas oferują jedyny sposób na dostarczenie smaru, zwłaszcza w miejscach trudno dostępnych.
Stałe kształty stosuje się do smarowania obrzeży obręczy kół dźwigów, śrub z nakrętką kulkową oraz w szynach łożyskowych, a także jako uszczelki smarownicze w panewkach i tulejach. Jednym z zastosowań jest zębatka MPL (rys. 3), stosowana jako koło zębate pośredniczące, którego zadaniem jest smarowanie łańcuchów.
Struktury smarne (komponenty) MPL produkuje się poprzez zmieszanie opatentowanych polimerów, olejów i dodatków. Mieszankę umieszcza się w łożysku, a następnie poddaje obróbce termicznej. Ponieważ MPL wymagają takiej obróbki, łożyska muszą być wytwarzane w zakładach producenta, gdzie MPL jest umieszczany w łożysku.
Nie jest możliwe samodzielne umieszczenie nasyconych olejem struktur polimerowych w łożysku. Łożyska muszą zostać zakupione z zawartym w nich MPL. Mogą też zostać przesłane do producenta w celu wypełnienia. Niemal do wszystkich rodzajów łożysk można stosować smarowanie przy użyciu MPL, łącznie z łożyskami kulkowymi, wałeczkowymi, igiełkowymi, stożkowymi, kulistymi oraz z rolkami krzywkowymi z trzpieniem.
Ograniczenia
Różne preparaty MPL umożliwiają działanie w zakresie temperatur od – 40oC do +177oC (od – 40 F do 350 F). Przy przekroczeniu górnej granicy dopuszczalnej temperatury matryca polimerowa mięknie i może zostać wypchnięta z łożyska. MPL nie odprowadzają gwałtownie ciepła, dlatego też istnieją ograniczenia dotyczące prędkości obrotowej, w zależności od typu i wielkości łożyska. Maksymalna prędkość obrotowa (Maximum Rotational Speed – RPM) w temperaturze pokojowej jest określona dla każdego typu łożyska i może być obliczona przy użyciu podanego wzoru, z wykorzystaniem wartości Ndm zamieszczonych w tabeli powyżej. Wartość Ndm jest współczynnikiem zależności maksymalnej prędkości obrotowej od wielkości łożyska. W tabeli przedstawiono wartości Ndm dla różnych konstrukcji łożysk.
Chociaż MPL lepiej chronią przed zanieczyszczeniami niż łożyska smarowane tradycyjnie, nie sprawia to jednak, że stają się wodoodporne, ani też nie zapobiegają korozji. Nie zaleca się ich bezpośredniego kontaktu z rozpuszczalnikami, środkami czyszczącymi bądź kwasami. Częste wystawienie na działanie tych czynników powoduje wyczerpanie oleju z MPL, co zmniejsza ich skuteczność.
Rys. 3 Koło zębate z MPL do smarowania łańcucha
Ponieważ wnęka łożyska wypełniona jest MPL, w porównaniu do łożysk smarowanych tradycyjnie zwiększa się moment obrotowy, zwłaszcza w chwili uruchamiania. Jednak w większości zastosowań przemysłowych nie stanowi to problemu.
Autor: Alan J. Heckler, Ph.D., PhyMet Inc., Ohio, USA
