Łożyska należą do najważniejszych elementów silnika elektrycznego. Właściwy dobór łożysk jest sprawą kluczową, gdyż pozwala na zachowanie projektowanej sprawności silnika dzięki minimalnemu tarciu i minimalnym stratom mocy. Od odpowiednio dobranych, wysokiej jakości łożysk zastosowanych w silniku zależy jego późniejsza poprawna i długotrwała praca w maszynie.
Łożysko to jedyny element ruchomy, który może ulec uszkodzeniu i spowodować awarię innych części silnika. Ponieważ słabej jakości łożyska używane w silniku bywają źródłem wielu problemów, warto sięgać po produkty sprawdzone, pochodzące od wiarygodnych producentów.
Ogromna popularność łożysk kulkowych
Z ankiety przeprowadzonej przez magazyn Inżynieria & Utrzymanie Ruchu wynika, że w silnikach elektrycznych najczęściej stosowane są łożyska kulkowe. Tego zdania są wszyscy respondenci.
Jeśli chodzi o łożyska kulkowe zwykłe, to są one nierozłącznymi łożyskami o wszechstronnym zastosowaniu, z masywnymi pierścieniami zewnętrznymi, pierścieniami wewnętrznymi oraz złożeniami kulkowymi. Mają prostą budowę, są niewrażliwe w eksploatacji i przyjazne w konserwacji. Występują w postaci konstrukcji jedno- i dwurzędowej, a także w wersjach otwartej i uszczelnionej. Ze względów produkcyjnych łożyska otwarte w zewnętrznym pierścieniu mogą mieć wykonany kanałek do osadzania uszczelek. Z uwagi na niski moment tarcia łożyska kulkowe zwykłe przeznaczone są do aplikacji, gdzie występują duże prędkości obrotowe.
Na drugim miejscu w kategorii popularności łożysk wykorzystywanych w silnikach elektrycznych znalazły się łożyska walcowe, a na trzecim – stożkowe.
Wskazane przez 47% respondentów łożyska walcowe produkowane są w wielu wykonaniach, seriach wymiarowych i wielkościach. Większość stanowią łożyska jednorzędowe z koszykiem. Łożyska jednorzędowe i dwurzędowe z pełną liczbą wałeczków (bez koszyka) uzupełniają standardową ofertę tych produktów dla typowych zastosowań przemysłowych. Łożyska z koszykami mogą przenosić duże obciążenia promieniowe, przy wysokich prędkościach obrotowych. Łożyska z pełną liczbą wałeczków nadają się do przenoszenia bardzo dużych obciążeń, przy umiarkowanych prędkościach. Kluczowym elementem łożysk walcowych są wałeczki. Ich kształt zapewnia optymalny rozkład naprężeń w strefie kontaktu w łożysku. Zoptymalizowane wykończenie powierzchni sprzyja powstawaniu odpowiedniego filmu smarowego i prawidłowemu toczeniu wałeczków. Wynikające stąd zalety, w stosunku do zwykłych łożysk walcowych, polegają na zwiększeniu niezawodności eksploatacyjnej i na zmniejszeniu wrażliwości na niewspół-osiowość pierścieni.
Z kolei łożyska stożkowe mają stożkowe bieżnie na pierścieniach wewnętrznym i zewnętrznym, między którymi umieszczone są stożkowe wałeczki. Przedłużenia tzw. linii tworzących dla wszystkich powierzchni stożkowych zbiegają się w jednym punkcie na osi łożyska. Ze względu na swoją konstrukcję łożyska stożkowe szczególnie dobrze nadają się do przenoszenia obciążeń złożonych (promieniowych i osiowych). Zdolność łożysk do przenoszenia obciążeń osiowych jest w dużym stopniu zależna od kąta działania. Im większy kąt, tym większa obciążalność osiowa łożyska. Łożyska stożkowe są na ogół rozłączne. Oznacza to, że pierścień wewnętrzny tworzący całość z zestawem wałeczków może być montowany niezależnie od pierścienia zewnętrznego.
W dalszej kolejności wśród najczęściej stosowanych pojawiły się łożyska ślizgowe, igiełkowe, baryłkowe, a na samym końcu – toroidalne.
Do ciekawszych rozwiązań należy łożysko toroidalne CARB, które jest zwartym łożyskiem wałeczkowym, wahliwym. Zostało opracowane przez firmę SKF i wprowadzone na rynek w 1995 r. Dzięki unikatowej konstrukcji łączy ono wahliwość łożyska baryłkowego z możliwością kompensacji przemieszczenia osiowego wewnątrz łożyska, typową dla łożysk walcowych. Poza tym może być wykonane także w wersji o niewielkim przekroju poprzecznym, charakterystycznym dla łożyska igiełkowego. Łożyska CARB nadają się do bardzo wielu łożyskowań, których zadaniem jest przenoszenie obciążeń promieniowych. Mogą być stosowane wyłącznie jako łożyska swobodne i świetnie sprawdzają się w tej roli – ze względu na swoją wahliwość i zdolność kompensacji przemieszczenia osiowego. Oferują konstruktorom całkowicie nowe możliwości zmniejszenia węzłów łożyskowych oraz ograniczenia ich ciężaru i kosztu produkcji. Odpowiednio przesuwając pierścienie łożyska względem siebie, można precyzyjnie ustalić luz wewnętrzny promieniowy w łożysku.
Jeśli chodzi o łożyska niestandardowe, cechujące się nietypowymi wymiarami lub przeznaczone do pracy w trudnych warunkach środowiskowych, są one używane przez 53% ankietowanych. Tego rodzaju łożyska znajdują zastosowanie najczęściej w miejscach, w których występuje niska lub wysoka temperatura, duże zapylenie, a także kontakt z substancjami agresywnymi. Ponadto łożyska niestandardowe stosowane są często w przypadku występowania dużych obciążeń i prędkości oraz kontaktu z wodą.
Ankietowaną grupę zapytaliśmy również o najczęściej wybierane marki łożysk. Okazuje się, że największym zainteresowaniem cieszą się produkty takich producentów, jak: SKF, FAG i SNR. Popularne są również łożyska NSK, FŁT-Kraśnik, INA, TIMKEN, NTN, Prema itd.
Nade wszystko trwałość
Jak wynika z sondażu, najważniejszym kryterium branym pod uwagę podczas zakupu łożysk jest trwałość. Uważa tak 87% ankietowanych. Natomiast 83% respondentów za najistotniejszy czynnik determinujący wybór łożysk uznało parametry techniczne, a 40% – cenę. Co piąty ankietowany, decydując się na zakup łożysk, zwraca także uwagę na wsparcie ze strony dostawców, a co dziesiąty – na energooszczędność (zmniejszony współczynnik tarcia).
W opinii dostawców biorących udział w ankiecie klienci dokonujący wyboru łożysk powinni brać pod uwagę ich wytrzymałość na temperaturę oraz wysokie obroty. Ponadto należy pamiętać o tym, żeby łożysko było dobrane do konkretnego zastosowania.
Smarowanie łożysk
Umiejętne smarowanie łożysk jest czynnością niezbędną, zapewniającą poprawne ich funkcjonowanie. Środek smarujący łożyska toczne tworzy warstwę oddzielającą elementy toczne od bieżni zewnętrznej i wewnętrznej, zmniejszającą ścierne i zmęczeniowe zużycie powierzchni oraz chroniącą łożysko przed korozją i wnikaniem do jego wnętrza różnego rodzaju zanieczyszczeń. Należy pamiętać o tym, że nieprawidłowe smarowanie oraz niewłaściwy dobór środka smarnego są częstą przyczyną uszkodzeń łożysk. W opinii ankietowanych użytkowników najczęściej ulegają zużyciu takie elementy, jak: bieżnie, elementy toczne (kulki, wałeczki, stożki, baryłki lub igiełki), pierścienie wewnętrzne, koszyki, obudowy łożysk zamkniętych i uszczelniacze.
Odpowiednie smarowanie łożysk przekłada się również na oszczędność energii. Jeśli chodzi o podział łożysk ze względu na rodzaj smarowania, to – zgodnie z odpowiedziami respondentów – największą oszczędność energii zapewniają łożyska: smarowane cieczami lub smarami plastycznymi (47%), o smarowaniu hydrostatycznym lub hydrodynamicznym (40%) oraz bezsmarowe (samosmarowne) – 20%.
Ankietowanych zapytaliśmy również o to, czy podczas wyboru środka smarnego do łożyska ich dostawca informuje o możliwości uzyskania związanych z tym oszczędności energii. Jedynie 30% osób odpowiedziało na to pytanie twierdząco.
Energooszczędność jest również następstwem zmniejszenia tarcia. Z sondażu wynika, że łożyska o zmniejszonym tarciu używane są przez 47% osób, przede wszystkim ze względu na ich większą wytrzymałość oraz tańszą eksploatację. Pozostali ankietowani nie praktykują ich stosowania. Natomiast jeśli chodzi o dodatki zmniejszające tarcie, to przeważnie nie są one w ogóle stosowane (67%), ewentualnie zawarte są w oleju, który stosują respondenci (23%), bądź dodawane są oddzielnie do środka smarnego (10%).
Warto dodać, że 80% respondentów stosuje systemy smarowania, natomiast w przypadku pozostałych osób smarowanie odbywa się w sposób tradycyjny, gdyż nie jest wymagane smarowanie ciągłe.
Jak i czym smarować?
W przypadku większości łożysk tocznych stosuje się do tego celu smar. Dobór odpowiedniej konsystencji smaru to decyzja, od której zależy skuteczność ochrony łożysk silników elektrycznych. Wybór smaru zależy od rodzaju konstrukcji łożyska i od materiału, z którego wykonany jest koszyczek, oraz od warunków pracy i aplikacji, takich jak temperatura robocza, warunki otoczenia (woda, pył lub agresywne media) czy zakres liczby obrotów. Odpowiednio dobrane smary umożliwiają niezawodne smarowanie przy dużych obrotach i obciążeniu, niemalże we wszystkich rodzajach konstrukcji.
Przy wyborze smaru do łożysk silników elektrycznych należy mieć na uwadze, że łożyska silników elektrycznych, a zwłaszcza osadzone na końcu wałka napędowego, zazwyczaj pracują w wyższej temperaturze niż inne elementy urządzenia. Dlatego skuteczność działania smaru w skrajnych temperaturach i wolne wydzielanie oleju są bardzo ważne w utrzymaniu wysokiej wydajności. Nawet całkowicie zamknięty i chłodzony powietrzem silnik może pracować przy stałej temperaturze 95°C. Należy też zadbać o wydajną pracę w niskich temperaturach. Smary przygotowane do pracy w niskich temperaturach skutecznie chronią łożysko podczas uruchamiania silnika elektrycznego w warunkach zimowych. To bardzo istotne, ponieważ niskie temperatury mogą prowadzić do zmiany momentu obrotowego i uszkodzenia uszczelnień.
Ze względu na to, że silniki elektryczne pracują często w wysokich temperaturach, wskutek czego woda może szybciej odparowywać, narażając łożyska na potencjalne działanie korozji, ważna jest skuteczna przed nią ochrona. Jeżeli silnik jest używany z przerwami, wówczas odpowiednim wyborem będzie smar o właściwościach antykorozyjnych, który będzie chronić przed możliwą kondensacją pary wodnej wtedy, gdy łożysko schładza się w warunkach dużej wilgotności powietrza.
Jak już zostało powiedziane, warunkiem wysokiej niezawodności eksploatacji łożyska tocznego jest jego ciągłe zaopatrywanie w smar. Podczas pierwszego lub kolejnego smarowania należy przestrzegać wskazówek producenta łożyska. Łożysko trzeba napełnić w taki sposób, by mieć pewność, że smar dotarł do wszystkich powierzchni funkcyjnych. Powoli obracające się łożyska i ich obudowy należy napełnić całkowicie, natomiast szybko obracające się łożyska – do ok. 1/4 wolnej przestrzeni wewnętrznej łożyska. W innym przypadku zalecane jest napełnienie do 1/3.
W celu zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji łożysk smarowanych smarem ważne jest przestrzeganie terminów ich dosmarowywania. Jest ono niezbędne, jeżeli czas użytkowania smaru jest mniejszy niż oczekiwana żywotność łożyska. Dosmarowanie może się odbywać za pomocą smarownicy lub automatycznych systemów smarowania, a ilość potrzebnego smaru oscyluje w granicach 5080% ilości pierwszego smarowania. Co istotne, jeżeli odprowadzanie zużytego smaru jest niemożliwe, należy ograniczyć ilość smaru, by nie dopuścić do nadmiernego smarowania łożyska.
W przypadku długich terminów dosmarowywania optymalnym wyjściem jest całkowita wymiana smaru. Jednak zanim zastosowany zostanie inny jego rodzaj, powinno się oczyścić łożysko toczne, ewentualnie tak długo dosmarowywać, aż stary smar zostanie zupełnie usunięty z łożyska. Oczywiście wcześniej należy najpierw sprawdzić mieszalność smarów i tolerancję materiału.
Łożyska fabrycznie regenerowane – tak czy nie?
Jak wynika z badania, stosowanie łożysk fabrycznie regenerowanych nie należy do rzadkości. Używane są one przez 89% respondentów. Pozostałe osoby nie stosują takiego rozwiązania z kilku głównych powodów: braku zaufania do tego typu łożysk, powątpiewania w ich jakość, a co za tym idzie – trwałość i niezawodność. Na uwagę zasługuje fakt, że wiele osób biorących udział w ankiecie nie słyszało nigdy wcześniej o takich łożyskach bądź nie ma na ich temat żadnej wiedzy.
Usługi na wysokim poziomie
Czy respondenci są zadowoleni z usług świadczonych przez dostawców łożysk? 67% odpowiedziało, że są bardzo zadowoleni, 30% jest średnio zadowolonych, natomiast 3% odpowiadających jest całkowicie niezadowolonych.
Na pozytywną ocenę usług świadczonych przez dostawców mają wpływ przede wszystkim: terminowość w dostarczaniu łożysk, możliwość konsultacji, profesjonalne doradztwo i pomoc w doborze łożysk, szybka reakcja w przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej, dobra jakość oferowanych łożysk itd.
Powodów do narzekań jest znacznie mniej. Jednym z nich jest np. brak informacji o nowościach na rynku, kierunkach rozwoju łożysk, a także ich prawidłowej eksploatacji.
Wydatki na łożyska w 2016 r.
W przypadku 87% ankietowanych wydatki na łożyska w 2016 r. w porównaniu z rokiem ubiegłym pozostaną na takim samym poziomie. 10% użytkowników planuje zwiększyć nakłady finansowe na zakup łożysk (średnio o ok. 5%), a 3% respondentów deklaruje ich zmniejszenie (średnio o ok. 10%).
Natomiast w opinii większości dostawców sprzedaż łożysk do silników elektrycznych pozostanie bez zmian.
Na rynku
Jednym z najważniejszych na świecie dostawców łożysk tocznych, opraw łożyskowych oraz części i przyrządów służących do łożyskowania jest firma SKF. Łożyska SKF są wykorzystywane w seryjnej produkcji wielu renomowanych producentów samochodowych. SKF produkuje praktycznie każdy typ łożyska kulkowego lub wałeczkowego. Wiele z nich jest dostępnych w więcej niż jednej z czterech klas wydajności: standardowe łożyska SKF, SKF Explorer, energooszczędne łożyska SKF oraz superprecyzyjne łożyska SKF. Dostępny jest również bogaty asortyment łożysk ślizgowych, oczkowych i tulei. Zakres wariantów konstrukcyjnych i materiałowych dla tych łożysk jest bardzo szeroki i zróżnicowany.
Omawiając temat łożysk, nie można pominąć firmy Schaeffler Gruppe, która na całym świecie rozwija i produkuje pod marką INA łożyska toczne, łożyska ślizgowe, systemy liniowe dla przemysłu, a także jest dostawcą precyzyjnych elementów do silników, przekładni i układów napędowych. Od 2001 r. do Schaeffler Gruppe należy też marka FAG, mająca ponad 100-letnią tradycję. Jest znana na całym świecie z programu łożysk standardowych i wysoko precyzyjnych łożysk dla przemysłu motoryzacyjnego, maszynowego oraz lotniczego i kosmicznego. Produkty marki INA i FAG reprezentuje w Polsce firma Schaeffler Polska.
Jednym z największych światowych producentów łożysk jest też firma NTN – dostawca zarówno dla sektora przemysłowego, jak i motoryzacyjnego. Pełny asortyment łożysk uzupełniony jest produkcją równobieżnych przegubów uniwersalnych oraz narzędzi precyzyjnych. Siedziba główna firmy mieści się w Osace w Japonii.
Z kolei SNR to międzynarodowa grupa powstała w 1946 roku we Francji. Zatrudnia ok. 4 tys. pracowników w sześciu fabrykach oraz sprzedaje swoje produkty do ponad 120 krajów. Już w połowie lat 50. fabryki SNR wytwarzały dziesiątki tysięcy łożysk dziennie, a produkcja rosła wraz z zapotrzebowaniem na części używane w samochodach francuskich marek. Udział firmy w przedsięwzięciach z branży lotniczej i astronautycznej pozwolił jej na wypracowanie nowoczesnych technologii, dzięki którym jej asortyment skierowany na rynek motoryzacyjny – bogaty wybór łożysk, elementów układu zawieszenia oraz zestawów rozrządu, przeznaczonych do samochodów europejskich, azjatyckich i amerykańskich – cechuje się wysoką jakością i trwałością. Łożyska tej firmy wykorzystywane są również do pierwszego montażu w samochodach marki Renault.
Natomiast utworzona prawie 100 lat temu firma NSK ewoluowała z regionalnego dostawcy łożysk kulkowych w kierunku specjalisty od łożysk tocznych i dostawcy części samochodowych, działającego na rynku globalnym. Oprócz kompletnego asortymentu łożysk tocznych NSK opracowuje i produkuje elementy precyzyjne i wyroby mechatroniczne, a także układy i części dla przemysłu motoryzacyjnego, w tym zespoły łożysk kół i układy kierownicze ze wspomaganiem elektrycznym. Jeśli chodzi o łożyska, w ofercie firmy znajdują się: kulkowe, baryłkowe, stożkowe, walcowe, igiełkowe itd.
W asortymencie firmy znajdują się np. łożyska kulkowe serii SPACEA, które są optymalnym rozwiązaniem w przypadku aplikacji, gdzie środowiska pracy są zbyt wymagające i uciążliwe dla łożysk standardowych. Seria SPACEA oferuje różnorodne produkty mające zastosowanie w warunkach specjalnych, takich jak: próżnia, pomieszczenia czyste, korozja, wysokie temperatury, zanieczyszczenie kurzem lub wodą, wymagania antymagnetyczne. W produktach tych wykorzystuje się zaawansowane materiały, smary i technologie obróbki powierzchni, z myślą o specjalnych warunkach pracy.
Mówiąc o firmie NSK, warto dodać, że opracowała ona unikatową stal o dużej trwałości – stal Z – która znacząco zwiększa wytrzymałość łożysk w porównaniu z łożyskami ze stali standardowej. Stal ta – w połączeniu z ulepszonym systemem smarowania związanym ze zmienioną konstrukcją koszyków i poprawionym uszczelnieniem, a także powłokami ceramicznymi i żywicznymi – pozwoliła stworzyć wysokiej jakości łożyska przeznaczone do silników elektrycznych stosowanych niemal we wszystkich środowiskach i aplikacjach.
Warto wspomnieć też o FŁT-Kraśnik – pierwszej firmie, która rozpoczęła produkcję łożysk tocznych w Polsce (w 1948 r.) oraz o firmie Timken, która projektuje, produkuje i wprowadza na rynek łożyska, układy przenoszenia napędu, silniki, skrzynie biegów, przekładnie łańcuchowe i powiązane produkty, a także oferuje usługi w zakresie przebudowy i naprawy mechanizmów napędowych. Jako specjalista w dziedzinie łożysk stożkowych, Timken korzysta z wiedzy specjalistycznej w dziedzinach metalurgii, trybologii i układów przenoszenia napędu.
Raport powstał na podstawie danych z ankiety, na którą odpowiedzieli Czytelnicy magazynu Inżynieria & Utrzymanie Ruchu. Oprócz tego przy tworzeniu raportu bazowano na informacjach pochodzących od dostawców łożysk. Raport nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku.
Agata Abramczyk jest absolwentką filologii polskiej o specjalności edytorskiej na Uniwersytecie Wrocławskim oraz studiów podyplomowych z zakresu redakcji językowej tekstu na Uniwersytecie Warszawskim. Od wielu lat związana jest z branżą dziennikarską i wydawniczą. Jest pasjonatką nowoczesnych technologii.
Tekst pochodzi z nr 1/2016 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
