Łożyskowanie toczne i ślizgowe

Taka jest maszyna, jakie s ą jej ło żyska

Prof. Vodelpohl

Wybór rodzaju łożyska i sposobu łożyskowania powinien uwzględniać:

• warunki pracy maszyny, tj. obciążenie, prędkość, temperaturę, ciśnienie,

• chemiczną agresywność otoczenia,

• wymagania dotyczące gabarytów,

• dokładności i precyzji ruchu, luzów,

•dopuszczalności drgań, hałasu,

• warunki technologiczne, tj. dostępność materiałów, pracochłonność wykonania,

• kryteria ekonomiczne, tj. koszt łożyska, jego trwałość, czynności obsługowe,koszt materiałów eksploatacyjnych.

Wynika z tego, że wybór właściwego łożyska i łożyskowania, tj.rozmieszczenia, osadzenia, uszczelnienia łożysk, określenia warunków ichużytkowania, jest trudnym etapem projektowania maszyny.

Łożyska toczne

Główne typy łożysk tocznych:

• kulkowe zwykłe,

• kulkowe skośne,

• kulkowe dwu rzędowe, nastawne,

•wałeczkowe,

• igiełkowe,• igiełkowe,

•stożkowe,

• baryłkowe,

• wzdłużne kulkowe, igiełkowe, walcowe i baryłkowe.

Nośność dynamiczna C łożyska tocznego wyrażona w daN określa jego zdolność do przeniesienia stałego w czasie obciążenia P daN w założonym okresie czasu wyrażonym w milionach obrotów L [1].

L – trwałość nominalna łożyska w mln obrotów,C – nośność łożyska daN (lub N),P – siła obciążająca łożysko daN (lub N),p – wykładnik potęgowy wynoszący dla łożysk kulkowych 3, wałeczkowych 10/3.

p

P

CL

=

Dla przykładowej maszyny ilość milionów obrotów łożyska można obliczyć mnożąc założoną liczbę lat pracy razy ilość dni w roku razy ilość godzin pracy dziennie razy ilość obrotów w ciągu jednej godziny pracy a ostatecznie dzieląc uzyskany wynik przez jeden milion.

610

3600 sgodzindnilat niiiL

⋅⋅⋅⋅=

W wielu przypadkach konieczne jest uwzględnienie wpływu, jaki na trwałość

łożyska mają parametry pracy, często znacznie odbiegające od założonych dlatrwałości nominalnej, dodatkowo może zaistnieć potrzeba zwiększenianiezawodności maszyny. Dlatego wprowadzono pojęcie trwało ści efektywnej Le.

p

e

ee P

CaaaL

⋅⋅= 321

Wartość współczynnikamateriałowego a2 zależy odgatunku i jakości materiałuzastosowanego do wykonaniazastosowanego do wykonaniapierścieni i elementówtocznych łożysk. Dla typowejstali ŁH15 lub ŁH15SG wynosion a2=1. W przypadkuzastosowania lepszegomateriału współczynnik tenmoże przekroczyć jedność.

Wartość współczynnika warunków pracy a3 zależy przede wszystkim odskuteczności smarowania. Jeżeli środek smarny ma wystarczającą lepkość

zapewniającą utworzenie filmu smarnego rozdzielającego powierzchnie stykudodatkowo prawidłowo zmontowany węzeł łożyskowy zabezpieczony jest przedzanieczyszczeniami i wilgocią to współczynnik a3 może być większy od 1. W innymprzypadku współczynnik będzie mniejszy od jedności.

Siłę wzdłużną powstającą w łożysku kulkowym skośnymlub stożkowym można policzyć ze wzoru:

Pojedyncze łożyska kulkowe skośne lub stożkowe nie mogą być obciążone wyłącznie siłą promieniową FR gdyż siła ta dawałaby składową osiową wysuwającą pierścień z łożyska. Z obliczeń teoretycznych wynika, że aby zapobiec wysunięciu pierścienia i równocześnie spowodować, aby połowa obwodu bieżni była obciążona, należy przyłożyć obciążenie osiowe w kierunku

Y

FF r

a 2=

FAFW

a

r

obwodu bieżni była obciążona, należy przyłożyć obciążenie osiowe w kierunku przeciwnym do reakcji składowej od obciążenia promieniowego o wartości:

Dla łożyska stożkowego:

( ) RA FtgF ⋅⋅= α25,1

( )αtge ⋅= 5,1

Łożyska j jednorzędowe Łożyska dwurzędowe

Rodzaj łożyska

Fa/Co

Fa / Fr< e Fa / Fr > e Fa / Fr < e Fa / Fr > e e

X Y X Y X Y X Y

Łożyska kulkowe

0,014 2,3 2,3 0,19

zwykłe*0,02

8 1,99 1,99 0,22

0,056 1,71 1,71 0,26

0,084 1,55 1,55 0,284 1,55 1,55 0,28

0,11 1 0 0,56 1,45 1 00,56 1,45 0,3

0,17 1,31 1,31 0,34

0,28 1,15 1,15 0,38

0,42 1,04 1,04 0,42

0,56 1 1 0,44

Kulkowe wahliwe

α≠0 1 0 0,4 0,4 ctg α 10,42 ctg α

0,65

0,65 ctg α

1,5 tg α

Stożkowe; α≠ 0 1 0 0,4 0,4 ctg α 1

0,45 ctg α

0,67

0,67 ctg α

1,5 tg α

Układ „O” zapewnia bardzo sztywne łożyskowanie. Obciążenieosiowe jest przenoszone w obu kierunkach a dodatkowo układ możeprzenosić moment w płaszczyźnie przechodzącej przez oś łożyska.Układ „X” również przenosi obciążenia osiowe w obu kierunkachjednak gorzej moment, dlatego stosowany jest gdy wymagana jestwiększa podatność układu.

Łożyska ślizgowe

W praktyce spotyka się dużą różnorodność łożysk ślizgowych wynikającą zwielkości (średnice czopa od ułamka milimetra do kilku tysięcy milimetrów),obciążenia (co do kierunku, wartości i zmienności w czasie), prędkościobrotowej, ogólniej - ruchu (może być obrotowy lub wahadłowy), a przedewszystkim rodzaju tarcia. Ta różnorodność konstrukcji łożysk zmusza dodokonania optymalnego, przemyślanego wyboru.

Cechy geometryczne łożysk

dc – średnica wału – czopa

dp – średnica wewnętrzna panwi

Λ – stosunek długości L panwi do jej średnicy wewnętrznej dp

δ – promieniowy luz łożyskowy

g – grubość ścianki panwi

Ra i Rz – chropowatości powierzchni Ra i Rz – chropowatości powierzchni

Cechy idealnego materiału łożyskowego

• Niska wartość współczynnika tarcia.

• Podatność.

• Odporność na zatarcie.

• Wytrzymałość na naciski.

• Wysoka wytrzymałość zmęczeniową.

• Odporność nakorozję.• Odporność nakorozję.

• Dobra przewodność cieplna.

• Odpowiednia rozszerzalność cieplną.

• Wysoka trwałość.

• Dobra obrabialność.

• Niska cena.

Zakres stosowalności i podstawowe parametry materiałów łożyskowych

P – nacisk w panwi [MPa],

v – prędkość poślizgu w łożysku ślizgowym [m/s],

Pv – dopuszczalna wartość iloczynu prędkości i nacisków dla danego materiału,

T – maksymalna dopuszczalna temperatura pracy dla danego łożyska [C].

Zakresy obciążeń w funkcji prędkości łożysk; l -tworzywa termoplastyczne, 2 - teflon, 3 - teflon z wypełniaczem, 4 - brąz porowaty z teflonem i ołowiem

0,01 0,1 1 [m/s]

Podział łożysk

1. Podział łożysk ze względu na rodzaj smarowania:

1.1. łożyska bezsmarowe (samosmarne),

1.2. łożyska smarowane cieczami lub smarami plastycznymi,

1.3. Łożyska o smarowaniu hydrostatycznym lub hydrodynamicznym,

1.4. Łożyska magnetyczne.

2. Podział łożysk poprzecznych ze względu na rodzaj panwi:

2.1. panew metalowa (jednorodna, wielowarstwowa, porowata ew. spiekana),

2.2. panew polimerowa (jednorodna lub kopozytowa ew. wielowarstwowa),

2.3. panew ceramiczna

Łożyska bezsmaroweNajczęściej panew wykonana jest z polimerów lub nasączanych olejem spieków.

Panwie porowatewytwarzane są z prasowanych proszków a następnie spiekanych w stanie stałym. Tak wytworzony materiał zawiera w swoim wnętrzu pory w ilości około 25% objętości. Tą objętość wypełnia się olejem który zapewnia właściwe smarowanie przez cały okres eksploatacji.

Panew z proszków żelaza

1 – dodatkowe smarowanie

2 – bez smarowania 1 – drobno ziarnisty, 3 – grubo ziarnisty

Wytwarzanie panwi z proszków

Do wytwarzania polimerowych panwi stosuje się bardzo różne tworzywa np. poliamidy, polietyleny, poliimidy oraz ich różne mieszaniny także z ciałami stałymi ( powstają wtedy materiały kompozytowe). Ich własności zależą od nie tylko od ich składu ale także najczęściej tajnego lub zastrzeżonego sposobu wytwarzania (np.. TEFLON – produkt firmy DuPont).

Smarowanie smarami stałymi

Łożyska, w których smarem jest ciało stałe, są tanie, niezawodne w użyciu iwygodne w eksploatacji. Charakteryzują je jednak stosunkowo duże opory ruchui stosunkowo duża intensywność zużycia.

Można przyjąć ogólną zasadę, że należy unikać łożysk smarowanych smaramistałymi, jeśli tylko względy ekonomiczne lub inne nie zmuszają do ichstosowania.

Są one jednak niezastąpione w warunkachpróżni, np. w kosmosie,gdy łożysko musipróżni, np. w kosmosie,gdy łożysko musipracować w szerokim zakresie temperatur odujemnych do wysokich dodat-nich (np. -50—250°C), lub gdy wypływ smaru z łożyska jestniedopuszczalny, np. w urządzeniachprzemysłu spożywczego.

Smarami stałymi mogą być: tworzywa sztuczne takie jak teflon (2,3), polimery termoplastyczne(1), węgiel i grafit, dwusiarczek molibdenu, brąz spiekany z dodatkami(4)

Łożyska smarowane cieczami lub smarami plastycznymi

Większość obecnie produkowanych łożysk smaosmarnych może pracowaćw warunkach ciągłego smarowania olejem (lub innymi cieczami jak woda).Smarowanie powoduje,że wydłuża się trwałość węzła ciernego, maleją opory ruchuoraz rośnie wartość obciążeń jakie może przenieść łożysko.

temp. max. poślizg max. Naciski dop. PV wsp. Tarcianazwa materiału C m/s na sucho dry oil smar dry oil smar water

LB9 - bronz 140 2,5 100 200 2,80,09 0,15

DM 250 1 40 60 1,6 0,14

Devaglide 250 0,4 100 150 1,50,07 0,18

Deva Metal Deva Metal (bronz) 350 0,4 115 230 0,4 0,11spiek bronzu (nasączony olejem) Deva 90 10 5 10 10

0,08 0,12

Deva Metal (iron) 600 0,2 50 100 0,8

0,3 0,45

Devatex 160 0,2 140 220 1,80,02 0,12

GAR-MAX 160 0,2 120 200 1,80,05 0,3

v.goodgoodfairpoor

Podstawowe obliczenia łożysk (tarcie mieszane)

Obliczanie nacisków w łożysku

pdop– wartość maksymalnych nacisków charakterystyczna dla danego materiału,

p – nacisk w łożysku [MPa]

dc – średnica czopa

F – obciążenie promieniowe panwi [N]dop

c

pdL

Fp ≤

⋅=

Obliczanie mocy tarcia w łożysku poprzecznym

n – prędkość obrotowa wału [obr/s]

FndN ct µπ=µ - współczynnik tarcia

Odbieranie ciepła ze strefy tarcia

Q - strumień ciepła dostarczany lub odbierany od czynnika [W]

cw - ciepło właściwe cieczy [kJ/kgK]

mw - masowe natężenie przepływu czynnika [kg/s]

∆ t– przyrost temperatury [K] tmcQ ww ∆⋅⋅=&

Łożyskowanie hydrostatyczne i hydrodynamiczne

W obydwu przypadkach – smarowaniu hydrostatycznym i hydrodynamicznym powierzchnie współpracujące są rozdzielone cienką warstwą cieczy smarnej.

Mechanizm powstawania „filmu smarnego” jest jednak zupełnie inny.

Łożyska hydrostatyczne

Rozdzielenie współpracujących powierzchni odbywa się poprzez wtłaczanie cieczy pod ciśnieniem. cieczy pod ciśnieniem.

Łożyska hydrodynamiczne

Warunki konieczne do powstania tarcia płynnego:

• zbieżność szczeliny w kierunku ruchu,

• prędkość poślizgu większa od pewnej wielkości minimalnej,

• dostarczona musi być dostateczna ilość czynnika aby zapewnić ciągłość procesu.

Rozkład ciśnienia w łożysku poprzecznym hydrodynamicznym

Łożyska korbowodowe

Turbosprężarka, widać dwa łożyska ślizgowe oraz kanały doprowadzające olej (kolor brązowy),