Dobór środka smarującego, metody oraz podstawowe zasady uszczelniania oraz smarowania łożysk
Łożyska należą do grupy urządzeń powszechnie wykorzystywanych w wielu mechanizmach, dlatego też, by właściwie funkcjonowały, niezbędna jest ich właściwa konserwacja. Odpowiednia dbałość o poszczególne obszary wpływa zarówno na „długowieczność”, jak i sposób działania łożysk.
Uszczelnienia łożyskowań
Zastosowane w węźle łożyskowym uszczelnienia mają olbrzymi wpływ na trwałość i niezawodność pracy łożysk. Ich podstawowym zadaniem jest ochrona przed przenikaniem różnego rodzaju zanieczyszczeń i wilgoci oraz przed ubywaniem środka smarującego. W wielu urządzeniach uszczelnienia chronią przed przenikaniem smaru do mechanizmu, gdzie jego obecność byłaby szczególnie szkodliwa, np. w silnikach elektrycznych. Wybór optymalnego rodzaju uszczelnienia zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to:
- rodzaj smarowania – olej lub smar plastyczny,
- prędkość obwodowa na powierzchni uszczelnienia,
- warunki eksploatacyjne urządzenia,
- konstrukcja łożyskowania – przestrzeń zabudowy i ewentualne błędy współosiowości.
Do wyboru są dwa podstawowe rodzaje uszczelnienia łożyskowania: uszczelnienia stykowe oraz uszczelnienia bezstykowe.
Uszczelnienia stykowe
Szczelność w takich rozwiązaniach uzyskiwana jest dzięki sprężynującemu elementowi, który przylega dokładnie, z określonym naciskiem, do elementu współpracującego. Niezbędna siła nacisku jest uzyskiwana dzięki sprężystości materiału uszczelniającego i wciskowi, który powstaje pomiędzy uszczelnieniem a powierzchnią uszczelnianą (rys. 1) lub w wyniku siły rozciągającej pierścieniowej sprężyny śrubowej, zamontowanej w elemencie uszczelniającym (rys. 2).
Jako pierścienie uszczelniające stosowane są pierścienie filcowe (rys. 3), zalecane szczególnie przy stosowaniu smarów plastycznych. Pierścienie te przed montażem nasączane są olejem i dlatego bardzo dobrze chronią przed kurzem. Uszczelnienia stykowe zazwyczaj są niezawodne, szczególnie wtedy, gdy spełnione są odpowiednie warunki gładkości powierzchni elementu współpracującego i smarowania krawędzi. Jeżeli natomiast w wyniku tarcia wzrośnie temperatura, wystąpią bardzo niekorzystne efekty w postaci przyspieszonego zużycia i braku szczelności. Z tego względu omawiany rodzaj uszczelnień może być stosowany tylko do określonej prędkości obwodowej, nieprzekraczającej 4 m/s i przy temperaturze pracy do 100°C. Można zwiększyć granicę prędkości obwodowej do 6 m/s przy polerowanym wale. Ponadto uszczelnienia te muszą być bardzo dokładnie montowane, ponieważ łatwo je uszkodzić (tab. 1). Przy smarowaniu olejowym stosowane są przede wszystkim pierścienie do promieniowego uszczelniania wałów (rys. 4). Mogą być stosowane również przy smarowaniu smarami plastycznymi. Ich przewaga polega na tym, że mogą pracować przy znacznie większej prędkości obwodowej wału. W zależności od gładkości powierzchni wału i konstrukcji tworzywa, z którego zostały wykonane pierścienie uszczelniające, ich prędkość może dochodzić nawet do 8 lub 14 m/s.
Dopuszczalna temperatura pracy pierścieni uszczelniających, podobnie jak pierścieni filcowych, wynosi -30–100°C. W wyższej temperaturze lub gdy uszczelnienie ma kontakt z aktywnymi środkami chemicznymi, jak kwasy czy ługi, rodzaj tworzywa, z którego mają być wykonane pierścienie uszczelniające, musi być odpowiednio zmodyfikowany. Przy prędkości obwodowej powyżej 4 m/s powierzchnia wału powinna być szlifowana. Natomiast powyżej 8 m/s również utwardzona, co najmniej do 45 HRC, i dokładnie szlifowana, aby uniknąć efektu śrubowego wytworzonego przez rysy po szlifowaniu (zaleca się przeprowadzać szlifowanie w poprzek). Parametr chropowatości Ra nie powinien przekraczać 0,8 µm. Jeżeli uszczelnienie ma głównie chronić przed ubytkiem smaru z oprawy, to warga uszczelniająca powinna być skierowana do środka, a w przypadku zabezpieczenia przed wniknięciem do wnętrza oprawy – na zewnątrz.
Pierścienie uszczelniające typu V (rys. 5) to kolejny rodzaj uszczelnienia stykowego. Ich stosowanie uwzględnia się przy smarowaniu zarówno olejem, jak i smarami plastycznymi.
Gumowy pierścień sprężysty uszczelnienia obraca się razem z wałem, na którym jest osadzony. Natomiast warga uszczelniająca, będąc pod stałym i lekkim naciskiem, przylega do współpracującej powierzchni nieruchomego elementu maszyny. Pierścienie te pracują w podobnym zakresie temperatur: -30–100°C i są łatwe w zabudowie. Pozwalają na stosunkowo dużą niewspółosiowość wału w stosunku do oprawy, jednocześnie przy niewielkiej prędkości obwodowej. Powierzchnia, na której są osadzone pierścienie V, powinna mieć chropowatość Ra=1,5–3 µm, dla prędkości obwodowej powyżej 7 m/s. Przy prędkości powyżej 15 m/s warga uszczelniająca odrywa się od powierzchni nieruchomej i staje się tzw. uszczelnieniem szczelinowym, które działa jak odrzutnik zanieczyszczeń i cieczy. Z tego względu przy smarowaniu smarami plastycznymi warga uszczelniająca jest montowana na zewnątrz oprawy, a przy smarowaniu olejem – wewnątrz oprawy. Wysoką skuteczność uszczelnienia przy smarowaniu plastycznym uzyskamy, wykorzystując osiowo sprężyste blaszki ochronne (rys. 6). Cienkie blaszki zaciśnięte na powierzchni czołowej pierścienia wewnętrznego lub zewnętrznego przylegają sprężyście do drugiego pierścienia łożyskowego.
Uszczelnienia bezstykowe
Uszczelnienia bezstykowe mogą być wykorzystywane tam, gdzie występuje duża prędkość obrotowa, ponieważ brak styku nie powoduje tarcia i wydzielania ciepła. Najprostszym rozwiązaniem tego typu jest uszczelnienie szczelinowe (rys. 7a, b i c). Polega ono na tym, że pomiędzy oprawą a wałem jest szczelina, w której znajduje się smar plastyczny. Skuteczność tego rozwiązania może być zwiększona dzięki wykonaniu rowków w otworze pokrywy. Smar, przesuwając się na zewnątrz, wypełnia rowki, chroniąc w ten sposób przed wniknięciem zanieczyszczeń do wewnątrz. Kiedy stosujemy smarowanie olejowe przy pionowo usytuowanym wale, można na wale lub w oprawie wykonać rowki spiralnie, lewoskrętnie lub prawoskrętnie.
Zatrzymają one wyciekający smar w oprawie, jednak mogą być stosowane przy niezmiennym kierunku obrotów. Tego typu rozwiązanie wystarcza, gdy maszyny pracują w suchych i pozbawionych pyłu pomieszczeniach. Innym rodzajem uszczelnienia jest uszczelnienie labiryntowe, uniwersalne ze względu na możliwość zastosowania smarów plastycznych i olejów oraz pracy z nieograniczoną prędkością i w wysokiej temperaturze. Rozwiązanie to znajduje zastosowanie np. w oprawach. Skuteczność uszczelnień labiryntowych można zwiększyć, stosując bardziej złożone kształty oraz okresowo dosmakowując przez specjalny otwór w nieruchomej części labiryntu. W oprawach dzielonych występy labiryntowe należy wykonywać promieniowo (rys. 7e), natomiast w oprawach niedzielonych – osiowo (rys. 7d). W przypadku niewspółosiowości wału w stosunku do oprawy szczeliny labiryntowe należy wykonać ukośnie (rys. 7f). W celu zatrzymywania i gromadzenia smaru w szczelinach powierzchnie labiryntu nie powinny być zbyt gładkie. Wymagana jest natomiast wysoka dokładność wykonania rowków w zakresie walcowości i kołowości, szczególnie w części ruchomej.
Uszczelnienia odrzutnikowe stosowane są jedynie przy smarowaniu olejowym, ich działanie polega na odrzucaniu spływającego oleju po wale. Spływa on właściwymi kanalikami z powrotem do oprawy. Uszczelnienia tego typu nie stanowią ochrony przed kurzem i wilgocią, dlatego są stosowane wraz z innymi rodzajami uszczelnień. Ich skuteczność zależy głównie od prędkości obrotowej wału, konstrukcji odrzutnika i lepkości oleju. Uszczelnienia tego typu nie spełniają swego zadania przy prędkości obwodowej poniżej 6 m/s (rys. 8).
Pierścienie wielopłytkowe, które mogą sprężynować do wewnątrz lub na zewnątrz (rys. 9), nie wymagają wiele miejsca do zabudowy i z tego względu mogą być wykorzystywane tam, gdzie inne rozwiązania zajmują zbyt wiele przestrzeni. Zabezpieczają przed wnikaniem kurzu, przed ubytkiem środka smarującego, mogą być również wykorzystywane jako ochrona wstępna przed bryzgami wody.
Łożyska uszczelnione
Stosowane są głównie tam, gdzie nie można zapewnić wystarczająco skutecznego zabezpieczenia przed zanieczyszczeniami lub ze względu na brak miejsca do zabudowy. Łożyska z blaszkami ochronnymi (rys. 10a) przeważnie są stosowane tam, gdzie nie ma dużego wpływu wody lub pary i gdzie brak tarcia w uszczelnieniu odgrywa znaczącą rolę ze względu na prędkość obrotową lub temperaturę pracy łożyska.
Łożyska z uszczelkami gumowymi (rys. 10b) są wykorzystywane zwłaszcza tam, gdzie występuje wilgoć lub ewentualnie para wodna. Krawędź elastycznej uszczelki lepiej przylega do powierzchni rowka na pierścieniu, zwiększając skuteczność uszczelnienia. Jest to szczególnie istotne, gdy obraca się pierścień zewnętrzny, ponieważ siły odśrodkowe mogą powodować wydzielanie się oleju bazowego ze struktury mydła. Stosowanie łożysk z uszczelnieniami jest uzasadnione zwłaszcza w przypadku bezobsługowej pracy, gdyż środek smarowy, którym wypełniane są łożyska, wystarcza teoretycznie na cały czas ich eksploatacji. W innym przypadku należy wziąć pod uwagę ewentualne okresowe dosmakowywanie łożysk.
Rodzaj uszczelnienia a prędkość obrotowa
Prędkość obrotowa osiągana przez łożyska uszczelnione blaszkami ochronnymi w zasadzie nie różni się od prędkości obrotowej łożysk nieuszczelnionych, bo jest to uszczelnienie bezstykowe. Inaczej jest w łożyskach z uszczelkami gumowymi. Uszczelnienia te należą do grupy stykowych, więc osiągana prędkość jest znacznie ograniczana przez dodatkowe siły tarcia.
Rodzaj uszczelnienia a temperatura pracy
Temperatura pracy łożyskowania ma wpływ na stosowane uszczelnienia. Standardowe typy uszczelnień, z wyłączeniem uszczelek gumowych, mogą pracować w temperaturze od -30°C do +120°C. Praca w innych zakresach temperatury wymaga stosowania odpowiednio zmodyfikowanych materiałów uszczelniających. Zakres temperatury pracy uszczelnień z kauczuku syntetycznego (uszczelki gumowe) ograniczony jest właściwościami plastyczno-sprężystymi tego materiału. Konserwacja i kontrola łożysk uszczelnionych blaszkami ochronnymi i uszczelkami gumowymi sprowadza się do kontroli stanu uszczelnień. Wypełnione smarem łożyska nie wymagają dosmarowywania przez cały okres ich eksploatacji.
Podstawowe zasady smarowania łożysk
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 zanieczyszczeń do jego wnętrza. Złe smarowanie jest przyczyną ponad połowy wszystkich uszkodzeń łożysk. Nawet dobrze dobrane łożysko ulegnie awarii, jeżeli będzie niewłaściwie smarowane. Nieodpowiedni dobór środka smarnego oraz nieprzestrzeganie zasad czystości powoduje nadmierne zużycie ścierne bieżni pierścieni i elementów tocznych, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia luzu wewnętrznego w łożysku i zmiany kształtów współpracujących elementów. Powoduje to skrócenie okresu eksploatacji łożyska. Do smarowania łożysk używa się dwóch rodzajów środka smarnego: smarów plastycznych lub olejów. Dokonując wyboru smaru, należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak rodzaj i wielkość łożyska, ogólne warunki pracy – temperatura, obciążenie, prędkość obrotowa, układ wałów, warunki zewnętrzne.
Warunki obciążenia i prędkość obrotowa
W przypadku małych łożysk należy stosować oleje o małej lepkości lub smary plastyczne miękkie o dużej penetracji, tak aby opory tarcia zależne od środka smarnego były możliwie małe. Z kolei smary większych łożysk powinny mieć większą lepkość oraz tworzyć warstwę o wystarczającej zdolności nośnej.
W przypadku łożysk szybkoobrotowych używa się smaru opartego na oleju syntetycznym o bardzo małej lepkości. Ważne jest równocześnie, by dostosować i bezwzględnie przestrzegać wyznacznika temperatur, w jakich dany środek smarujący może być stosowany.
Czynnikami, na jakie należy zwrócić uwagę przy wyborze środka smarującego, są m.in. wilgoć, drgania, wielkość łożyska i układ wałów.
Technologia smarowania
Uskuteczniając smarowanie łożysk, należy zwrócić uwagę, by dobrać odpowiedni rodzaj i jakość smaru do elementów. Smarowanie zabezpiecza element przed jego zabrudzeniem, istotne jest, by dokonać tego bezpośrednio po montażu bądź przed, jeżeli nie było to możliwe wcześniej. Należy pamiętać, by stosować odpowiednią ilość smaru i nie wypełniać łożyska całkowicie. Mogłoby to spowodować wzrost temperatury łożysk i przyspieszenie niszczenia smaru. Określona trwałość środków powoduje, że środek smarny należy wymieniać bądź uzupełniać. Smary powinny być przechowywane w zamkniętych oryginalnych opakowaniach. Urządzenia do smarowania i pojemniki przed użyciem powinny być starannie umyte środkiem czyszczącym oraz wysuszone, gdyż smar plastyczny łatwo przyjmuje z otoczenia cząstki zanieczyszczeń. Olej przed smarowaniem powinien być filtrowany. Nie należy mieszać ze sobą różnych gatunków smarów i olejów. Smar wymienia się zgodnie z jego okresem użytkowania. W przypadku olejów częstotliwość wymiany zależy głównie od warunków pracy i ilości stosowanego oleju. Podwyższona temperatura oraz wzrost zanieczyszczeń przyspieszają ten proces.
Ochrona przed korozją
Doskonałą ochroną przed korozją i jednocześnie dostateczną odporność na działanie wody zapewniają mydła litowe i wapniowe, zawierające dodatki na bazie związków ołowiowych. Obecnie ze względu na ochronę środowiska naturalnego i zdrowia dodatki zawierające ołów są coraz częściej zastępowane przez inne dodatki, np. różnego rodzaju związki organiczne. W przypadku stosowania olejów używa się różnego rodzaju dodatków antykorozyjnych rozpuszczalnych zarówno w wodzie, jak i w oleju.
Przechowywanie łożysk tocznych
Przechowywanie łożysk bez opakowania jest bezwzględnie niedozwolone. Łożysk dużych nie przechowuje się w pozycji pionowej. Na rys. 11 przedstawiono sposób składowania i przechowywania takich łożysk. Łożyska zabrudzone przez uszkodzenie opakowania fabrycznego lub używane i przewidziane do dalszej eksploatacji powinny być powtórnie zakonserwowane. Konserwacja taka polega na umyciu łożyska np. naftą, zabezpieczeniu przed korozją olejem lub smarem i szczelnym owinięciu specjalną taśmą. Niektóre rodzaje łożysk mają ograniczony okres przechowywania. Każde łożysko, nawet prawidłowo dobrane i zamontowane, szybciej ulegnie awarii, jeżeli było uprzednio źle przechowywane.
Autorami artykułu są pracownicy Laboratorium Kontroli Jakości Complex SA
