Elementy te występują w wielu odmianach konstrukcyjnych i z różnymi kombinacjami powierzchni ślizgowych. Charakterystyczne właściwości każdej konstrukcji i kombinacji układu sprawiają, że łożyska te znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach.
Łożyska ślizgowe muszą spełniać wiele wymagań. Powinny wykazywać się jak największą wytrzymałością na obciążenia mechaniczne oraz niskim stopniem zużycia w czasie eksploatacji. Poza tym powinny wytrzymywać duże szybkości ślizgu i być odporne na zakłócenia zewnętrzne.
Oferta łożysk ślizgowych jest różnorodna. Są one zróżnicowane głównie pod względem: wielkości (średnice czopa od ułamka milimetra do kilku tysięcy milimetrów), obciążenia (co do kierunku, wartości i zmienności w czasie), prędkości obrotowej, mówiąc ogólniej – ruchu (obrotowy lub wahadłowy), a przede wszystkim – rodzaju tarcia.
Tarcie płynne – najlepsze z możliwych
Zasada działania łożysk ślizgowych polega na współpracy powierzchni roboczych panewki i czopa wału oraz ich wzajemnego poślizgu, zwanego tarciem ślizgowym. Tarcie to zależy od takich czynników, jak: materiały współpracujące, chropowatość powierzchni współpracujących, rodzaj smarowania oraz siły nacisku.
Wyróżnia się trzy rodzaje tarcia: suche (współpracujące powierzchnie nie są smarowane), płynne (ma miejsce wówczas, gdy między powierzchniami czopa i panewki cały czas znajduje się warstwa smaru) oraz mieszane (kiedy powierzchnie współpracujące częściowo się stykają, a na pozostałym obszarze są rozdzielone warstwą smaru).
W łożyskach ślizgowych najbardziej pożądane jest tarcie płynne. Jednak, jak pokazuje praktyka, najczęściej uzyskuje się tarcie mieszane. Jak wobec tego uzyskać i utrzymać w układzie łożyskowym tarcie płynne? Gdy ciśnienie smaru w szczelinie jest większe niż naciski jednostkowe czopa na panewkę, uzyskanie tarcia płynnego jest jak najbardziej możliwe. Wytworzenie warstwy nośnej smaru lub gazu przyczynia się do zmniejszenia oporów ruchu pomiędzy panewką i czopem. Do łożysk ślizgowych zazwyczaj wykorzystuje się smary ciekłe, w szczególności oleje mineralne. Oleje o dużej lepkości wpływają na zwiększenie ciśnienia w warstwie smaru, w związku z czym doskonale nadają się do łożysk o większych obciążeniach.
Zależnie od kierunku obciążeń
Ze względu na kierunek przenoszonej siły względem osi wału można wyróżnić łożyska:
- poprzeczne (promieniowe), w których wektor przenoszonej siły jest prostopadły (lub w przybliżeniu prostopadły) do osi łożyska,
- wzdłużne (osiowe), w których wektor przenoszonej siły jest równoległy (lub w przybliżeniu równoległy) do osi wału,
- poprzeczno-wzdłużne (skośne), w których wektor przenoszonej siły tworzy z osią łożyska kąt ostry; łożyska te mogą być poziome lub pionowe.
Wały lub czopy łożysk ślizgowych poprzecznych i poprzeczno-wzdłużnych są osadzane w tzw. panwi, która przenosi siły poprzeczne na kadłub. Łożyska ślizgowe pionowe, wzdłużne i poprzeczno–wzdłużne często zawierają płytkę oporową, zwaną czasami kamieniem, która przenosi siły wzdłużne na kadłub. Siły poprzeczne są przenoszone przez panew.
Sposób oddziaływania obciążenia
Na wybór odpowiedniego połączenia współpracujących powierzchni ślizgowych ma wpływ przede wszystkim sposób oddziaływania obciążenia.
Jak tłumaczą eksperci z firmy SKF Polska, jeśli obciążenie zawsze działa w tym samym kierunku oraz jeśli w warunkach dynamicznych wystąpią większe względne przemieszczenia współpracujących powierzchni ślizgowych, najlepiej zastosować łożysko bezobsługowe. Jeżeli jednak niewielkie ruchy regulacyjne są rzadkie lub jeśli w wyniku wykonywania przez łożysko niezbyt częstych ruchów regulacyjnych przy bardzo dużym obciążeniu powstają obciążenia udarowe, należy użyć łożysk typu stal po stali.
W przypadku obciążeń o zmiennym kierunku najbardziej odpowiednie są łożyska typu stal po stali. Możliwość zastosowania łożysk bezobsługowych w takich aplikacjach jest mocno ograniczona.
Natomiast jeśli mamy do czynienia z obciążeniami o stałym i zmiennym kierunku, należy zastosować łożyska specjalne (np. typu stal po stali ze specjalnym systemem wielorowkowym lub specjalne łożyska bezobsługowe).
Sztywne kontra wahliwe
Ze względu na możliwość wychylenia panwi względem korpusu wyróżnia się łożyska:
- sztywne (najczęściej stosowane),
- wahliwe, zwane też samonastawnymi, których panew ma możliwość wychylania się względem kadłuba pod naciskiem czopa wału lub osi.
W łożysku ślizgowym sztywnym panew jest sztywno zamocowana w kadłubie, a ten sztywno połączony z konstrukcją nośną. Bardzo często w takim łożysku, w wyniku niedokładnego montażu, uginania się wału, drgań, zmian temperatury itd., osie otworu łożyska i czopa wału nie są równoległe. W efekcie dochodzi do nierównomiernego rozkładu nacisków wzdłuż powierzchni styku czopa i panwi, co powoduje nierównomierne zużywanie zarówno czopa, jak i panwi. Inaczej jest z łożyskami ślizgowymi wahliwymi, w przypadku których następuje dużo lepsze wyrównanie nacisków i równomierności zużywania współpracujących powierzchni. W łożyskach tych panew osadzona jest w kadłubie w sposób umożliwiający wahania kadłuba względem podstawy.
Wśród łożysk ślizgowych wahliwych wyróżnia się wiele różnych konstrukcji, np. przegubowe, kuliste, sprężynowe.
Oczywiście łożyska można klasyfikować na wiele innych sposobów. W zależności od sposobu klasyfikacji wyróżnia się łożyska ślizgowe: o obciążeniu statycznym lub dynamicznym, dzielone (gdy panew lub kadłub łożyska składa się z dwóch lub więcej części) oraz niedzielone (gdy panew łożyska stanowi jedną całość), a także – ze względu na położenie czopa względem długości wału – środkowe oraz końcowe. Oprócz tego łożyska mogą być: pełne i niepełne, jednolite i złożone itd.
Suche, powietrzne lub olejowe
Bardzo istotny jest podział łożysk ślizgowych uwzględniający rodzaj smarowania. Przyjmując to kryterium, wyróżnia się łożyska:
- suche – okresowo smarowane smarem stałym lub niesmarowane w ogóle. Do produkcji panewek tych łożysk wykorzystuje się stopy łożyskowe lub z tworzyw sztucznych, takich jak teflon. Używane są do połączeń słabo obciążonych i mniej odpowiedzialnych;
- powietrzne – dystans między wałem a panewką zachowany jest dzięki poduszce powietrznej wytworzonej przez sprężone powietrze, które jest dostarczane do panewki. Tego rodzaju łożyska znajdują zastosowanie w urządzeniach precyzyjnych, w których na wałach występują niewielkie siły promieniowe;
- olejowe – część korpusu łożyska wypełniona jest olejem. W czasie ruchu wału między powierzchnią wału a panewką wytwarza się cienka warstwa oleju (tzw. film olejowy), służąca do podtrzymania wału.
Wśród łożysk olejowych znajdują się łożyska hydrodynamiczne (film olejowy tworzy się w nich samoczynnie w wyniku zjawisk hydrodynamicznych zachodzących w szczelinie) oraz hydrostatyczne (dodatkowo do panewki dostarczany jest olej pod ciśnieniem).
Warto dodać, że bardziej popularna jest metoda hydrodynamiczna – pod wpływem ruchu obrotowego czopa względem panewki powstaje tzw. klin smarowy. Żeby jednak wytworzył się klin, muszą być spełnione takie warunki, jak: odpowiednia prędkość obrotowa, właściwa ilość smaru, niewielka chropowatość czopa i panewki oraz niewielki luz łożyskowy.
Na rynku jest wiele łożysk ślizgowych przystosowanych do eksploatacji bezsmarowej (tzw. pracy na sucho). Przykładem są łożyska ślizgowe KS PERMAGLIDE znajdujące się w ofercie firmy KS GLEIT-
LAGER GMBH. Zastosowanie stałych smarów w matrycy z tworzywa sztucznego umożliwia eksploatację tych łożysk bez konieczności smarowania olejami lub smarami stałymi.
Jednak, jak tłumaczy Marcin Wysocki, kierownik ds. sprzedaży OEM w firmie SKF Polska, nie zawsze zastosowanie łożysk bezobsługowych jest podyktowane utrudnionym procesem smarowania, choćby z powodu braku dostępu do węzła. – Producenci portowych systemów załadowczych zamieniają standardowe łożyska na bezobsługowe ze względu na obostrzenia środowiskowe. Zużyty smar wyciekający z pracującego w porcie urządzenia mógłby być dużym zagrożeniem dla środowiska – wyjaśnia przedstawiciel firmy SKF Polska.
Smarowanie łożysk ślizgowych
Poprawne smarowanie wymaga obecności środka smarnego i wytworzenia wspomnianego już wcześniej klina, o którym była już mowa. W przypadku większości rozwiązań konstrukcyjnych łożysk ślizgowych czop wału i panew oraz płytka oporowa są zanurzone w środku smarnym (oleju smarnym lub smarze plastycznym). Natomiast w niektórych rozwiązaniach środek smarny jest doprowadzany i odprowadzany specjalnymi otworami lub kanałami, zazwyczaj wykonanymi w nieobciążonej części panwi, rzadziej – kanałami wydrążonymi w czopie łożyska.
Wpływ na sposób smarowania mają właściwości materiałów, z których wykonane są powierzchnie współpracujące (powierzchnie cierne). Przy czym czopy wałów najczęściej wytwarzane są ze stali, natomiast panwie – z brązu, mosiądzu lub żeliwa szarego. Niekiedy są one wylewane wewnątrz stopem łożyskowym. Obecnie bardzo często panwie są wykonywane z tworzyw sztucznych i spieków proszków metali. Współczynnik tarcia zależy od rodzaju współpracujących materiałów i rodzaju tarcia.
– Jeżeli mamy do czynienia z łożyskiem metalowym, konieczne będzie jego systematyczne smarowanie. Inaczej jest w przypadku łożysk z tworzyw sztucznych, które bardzo dobrze radzą sobie z pracą na sucho. Dodatkowe smarowanie jest przeważnie niewskazane, a nawet może pogorszyć żywotność maszyny. Można więc przyjąć, że są one bezobsługowe – twierdzi Michał Obrębski, menedżer produktu z firmy igus.
Poza tym należy mieć świadomość, że w przypadku łożysk wymagających smarowania niedobór smaru czy wręcz jego brak może spowodować wiele negatywnych konsekwencji, m.in. znaczny wzrost temperatury łożyska, szybsze tempo zużycia powierzchni ślizgowych, wykruszanie się powierzchni i ich plastyczne odkształcenie, zatarcia w wyniku zespolenia powierzchni itd.
Jak widać, smarowanie łożysk ślizgowych to bardzo ważna czynność, której nie wolno zaniedbywać. Prawidłowo przeprowadzana, niesie ze sobą wiele korzyści, do których można zaliczyć: zmniejszenie tarcia ślizgowego między powierzchniami czopa wału i panwi, zmniejszenie zużycia współpracujących części łożyska: czopa wału i panwi, odprowadzenie nadmiaru wydzielanego ciepła, ochronę przed korozją, odprowadzenie stałych ciał obcych (zanieczyszczeń mechanicznych).
Łożyska ślizgowe są smarowane: smarami plastycznymi na bazie mydeł, substancjami organicznymi (woskiem, stałymi kwasami tłuszczowymi), smarami stałymi (np. grafitem, azotkiem boru, miką, boraksem), a także olejami mineralnymi lub syntetycznymi z podwyższonymi właściwościami przeciwzużyciowymi i przeciwzatarciowymi.
Podstawowym parametrem doboru oleju stosowanego do smarowania łożysk ślizgowych jest lepkość kinematyczna oraz temperatura płynięcia oleju, która powinna być niższa od minimalnej temperatury uruchamiania łożyska o ok. 10°C. W przypadku łożysk ślizgowych, pracujących w szerokim zakresie temperatur, dla eksploatacji ważny jest wskaźnik lepkości, który powinien być możliwie największy.
Co do prędkości obrotowej, to jest ona obecnie największym ograniczeniem dla łożysk ślizgowych. W celu udoskonalenia tych elementów trwają nieustannie poszukiwania nowych materiałów. Obecnie firma igus pracuje nad trybopolimerem, który mógłby być wykorzystywany przy prędkościach porównywalnych dla łożysk tocznych. Podczas tegorocznych targów HMI w Hanowerze, jednych z największych targów maszynowych w Europie i na świecie, firma igus zaprezentowała materiał iglidur L500, który może stać się przełomem, jeśli chodzi o możliwości zastosowań.
Różnorodność materiałów
Podczas procesu projektowania elementów istotną kwestią jest dobór materiałów współpracujących ze sobą w procesie ślizgania się powierzchni czopa i panewki. Czopy w łożyskach ślizgowych są najczęściej stalowe, natomiast na panewki stosuje się różnorodne materiały.
Oczywiste jest, że na skutek pracy łożysk ślizgowych w różnych, często bardzo trudnych warunkach dochodzi do nieuchronnego zużycia materiałów, z których są wykonane. Dąży się jednak do tego, aby z dwóch stykających się elementów zużywał się tylko jeden, łatwiejszy do naprawy lub wymiany. Takim elementem jest w łożysku panewka, dlatego materiał powierzchni panewki cechuje się najczęściej mniejszą odpornością na zużycie.
Materiałów łożyskowych jest bardzo wiele, jednak w budowie maszyn najczęściej używane są brązy i stopy łożyskowe. Na łożyska ślizgowe stosowane są różnego rodzaju masy plastyczne, takie jak: żywice fenolowe, teflon, poliamidy oraz inne tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne. Należy podkreślić, że masy plastyczne wykorzystuje się do łożysk o stosunkowo niewielkich obciążeniach i przy niewielkich prędkościach ślizgania. Do zalet łożysk wytwarzanych na bazie tworzyw sztucznych można zaliczyć m.in.: brak zatarcia, dobre właściwości ślizgowe, łatwość formowania gotowych panewek, łatwość modyfikacji materiałów, dużą odporność chemiczną, a także odporność na korozję. Natomiast największą wadą wykorzystywania materiałów polimerowych na panewki łożysk ślizgowych jest niskie przewodzenie ciepła, prowadzące do szybkiego nagrzewania się elementów łożyska, oraz duża chłonność cieczy, powodująca ich pęcznienie. Warto dodać, że stosuje się również nasycone fenolem łożyska porowate.
Różnorodność zastosowań
Z uwagi na specyficzne właściwości łożysk ślizgowych stosuje się je prawie we wszystkich gałęziach przemysłu, a zwłaszcza wtedy, gdy do dyspozycji jest bardzo ograniczona przestrzeń.
– Łożyska ślizgowe sprawdzają się w aplikacjach, w których prędkości obrotowe są niewielkie, natomiast obciążenia są średnie, duże lub bardzo duże. Typowe aplikacje z zastosowaniem łożysk ślizgowych to: przeguby, zawiasy, mechanizmy nożycowe, mocno obciążone rolki, mechanizmy składane, a także rolki transportowe, kółka itd. – twierdzi Michał Obrębski.
Przykładami zastosowania łożysk ślizgowych są np.: mechanizmy zegarków ręcznych (bardzo małe rozmiary i obciążenia, małe prędkości poślizgu), urządzenia medyczne, dentystyczne, węzły konstrukcyjne w stalowych dźwigarach i napinaczach (np. dachów namiotów), wózki widłowe, cylindry hydrauliczne, maszyny rolnicze i budowlane, urządzenia automatyki przemysłowej (np. pakowarki spożywcze, przenośniki do gazet w drukarni) oraz roboty przemysłowe. Łożyska ślizgowe stosuje się ponadto w przemyśle samochodowym (m.in. tulejach poliamidowych: fotelach, pedałach, układach kierowniczych, hamulcach, drzwiach), lotniczym oraz w wielu innych branżach.
Praca w trudnych warunkach otoczenia
Trudne warunki otoczenia, w których pracuje łożysko, wymagają zastosowania odpowiednich rozwiązań. Jednym z trudniejszych wyzwań jest np. wysoka temperatura, która wpływa na materiały łożysk, a zwłaszcza na materiał warstwy ślizgowej. Łożyska ślizgowe przegubowe są dostosowane do pracy w temperaturach od –30 do +50°C. Co istotne, w wyższych temperaturach nośność łożyska ulega zmniejszeniu, w zależności od materiału i rodzaju współpracujących powierzchni ślizgowych. Oprócz materiału łożysk również materiał uszczelek może powodować ograniczenia zakresu temperatur, w których dopuszczalna jest praca łożyska. Należy też pamiętać o tym, żeby stosowany środek smarny miał wystarczające własności smarne w danej temperaturze roboczej.
Łożyska pracujące w trudnych warunkach środowiskowych muszą wykazać się nie tylko odpornością na ekstremalne temperatury, lecz także odpornością na korozję, środki chemiczne, częste procesy mycia itd.
Jak podkreśla Marcin Wysocki, specyficzne wymagania dotyczące łożysk ślizgowych ma przemysł spożywczy. Aby sprostać tym wyzwaniom, firma SKF oferuje trzy linie produktowe – oczkowe zespoły łożyskowe SRIKB i SRAKB charakteryzujące się obudową ze stali nierdzewnej, natomiast seria SFIK wykonana jest z kompozytu. Wszystkie trzy linie produktowe wyposażone są w bieżnię ze stali nierdzewnej oraz kompozyt PTFE (teflon). Zastosowanie tych materiałów skutkuje niskim tarciem, dużą odpornością na ścieranie. Ponadto – co bardzo ważne – nie wymagają one smarowania, co minimalizuje ryzyko zanieczyszczenia środkami smarnymi.
Do aplikacji średnio obciążonych i narażonych na kontakt z najsilniejszymi środkami chemicznymi przeznaczona jest seria SFIK (lekka obudowa wykonana jest z poliamidu wzmocnionego włóknem szklanym, zawiera również wkładkę gwintowaną ze stali nierdzewnej). Wysoka gładkość powierzchni kompozytu ułatwia procesy mycia i ogranicza miejsca nagromadzenia brudu i groźnych bakterii.
W branży spożywczej sprawdzą się również polimerowe łożyska ślizgowe iglidur, znajdujące się w ofercie firmy igus. Te bezsmarowe, bezobsługowe, ekonomiczne łożyska nadają się też do masowej produkcji w przemyśle motoryzacyjnym oraz do zastosowań pod wodą. Sprawdzą się również w przemyśle tytoniowym oraz w innych zastosowaniach, wymagających ekstremalnej odporności na temperatury i chemikalia.
Specjalne wymagania muszą też spełniać łożyska ślizgowe montowane w maszynach off-roadowych, które powinny być bardzo odporne na duże obciążenia oraz zanieczyszczenia.
– W tych łożyskach ślizgowych oprócz stosowanych standardowo uszczelnień Heavy Duty wykonuje się na etapie produkcji dodatkowe rowki smarne na powierzchni bieżni. Służą one jako „magazyn” środka smarnego, a jednocześnie pozwalają na dostarczenie smaru do strefy obciążonej łożyska. Łożyska tych konstrukcji mają również zwiększoną liczbę otworów smarnych w pierścieniu zewnętrznym. Odpowiednie smarowanie łożysk ślizgowych może się odbywać w trakcie pracy maszyny dzięki zastosowaniu układu centralnego smarowania. To rozwiązanie jest o wiele bardziej skuteczne, gdyż smarowanie podczas obrotu łożyska pozwala na znacznie lepszą dystrybucję środka niż podczas postoju – wyjaśnia Marcin Wysocki.
Autor: 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.
