Łożyska samosmarujące kołnierzowe: czym są i jak wybrać właściwe

Co to jest łożysko samosmarujące z kołnierzem i dlaczego jest to ważne

Łożysko samosmarujące z kołnierzem jest łożyskiem ślizgowym — co oznacza, że wykorzystuje ślizgową powierzchnię stykową, a nie elementy toczne — które zawiera integralny kołnierz na jednym końcu cylindrycznego otworu. Kołnierz służy jako wbudowany osiowy element ustalający i powierzchnia oporowa, zapobiegając przepychaniu łożyska przez oprawę w jednym kierunku i umożliwiając jednoczesne przenoszenie połączonych obciążeń promieniowych i osiowych. Aspekt samosmarujący oznacza, że ​​łożysko jest zaprojektowane do pracy bez zewnętrznego zasilania smarem lub olejem, zamiast tego pobiera stałe smary wbudowane w jego powierzchnię ślizgową lub nałożone na nią w celu utrzymania ciągłego interfejsu o niskim tarciu pomiędzy otworem łożyska a poruszającym się w nim wałem.

To połączenie cech — umiejscowienia kołnierza i bezobsługowego smarowania — sprawia, że kołnierzowe łożysko samosmarujące wyjątkowo praktyczne w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych, rolniczych i mechanicznych. Eliminują potrzebę stosowania smarowniczek, harmonogramów smarowania i związanych z tym prac konserwacyjnych. Upraszczają konstrukcję obudowy, eliminując potrzebę stosowania oddzielnych podkładek oporowych lub pierścieni osadczych w celu osiowego utrzymania łożyska. A ponieważ pracują na sucho lub prawie na sucho, działają niezawodnie w środowiskach, w których występują trudności z konwencjonalnymi łożyskami smarowanymi: w miejscach zakurzonych, mokrych, o wysokiej temperaturze, dopuszczonych do kontaktu z żywnością lub w trudno dostępnych, gdzie regularne smarowanie jest niepraktyczne lub zabronione.

Jak działają łożyska samosmarujące z kołnierzem

Mechanizm samosmarujący w tych łożyskach działa różnie w zależności od konstrukcji materiału, ale podstawowa zasada jest spójna: materiał łożyska w sposób ciągły uwalnia lub tworzy warstwę smarującą na powierzchni styku ślizgowego, zmniejszając tarcie i zużycie bez konieczności wprowadzania zewnętrznego smaru ze strony operatora lub systemu konserwacji.

Zbiorniki na stały smar z porowatego brązu

Łożyska kołnierzowe ze spiekanego porowatego brązu są produkowane poprzez zagęszczanie i spiekanie proszku brązu w celu utworzenia łożyska z kontrolowaną siecią wzajemnie połączonych porów w całej jego strukturze. Pory te są następnie impregnowane próżniowo olejem smarowym – zazwyczaj olejem mineralnym ISO VG 68 lub VG 100 – który jest utrzymywany w porowatej matrycy na zasadzie działania kapilarnego. Gdy wał obraca się wewnątrz łożyska, ciepło tarcia i działanie pompujące powierzchni wału wyciągają olej z porów do powierzchni styku ślizgowego, tworząc film smarujący. Kiedy łożysko ostygnie i zatrzyma się obrót wału, olej jest wciągany z powrotem do porów w wyniku działania kapilarnego. Ten cykl samouzupełniania trwa przez cały okres użytkowania łożyska, a zbiornik oleju zapewnia lata bezobsługowej pracy w zastosowaniach lekko i średnio obciążonych.

Wykładziny z PTFE i kompozytów polimerowych

W wielowarstwowych kompozytowych łożyskach samosmarujących z kołnierzem zastosowano inny mechanizm. Najpopularniejsza konstrukcja składa się ze stalowego podłoża zapewniającego wytrzymałość konstrukcyjną, warstwy pośredniej ze spiekanego brązu, która zapewnia łączenie mechaniczne oraz cienkiej warstwy powierzchniowej ze związku PTFE (politetrafluoroetylenu) – zazwyczaj PTFE zmieszanego z ołowiem, proszkiem brązu lub innymi wypełniaczami – jako powierzchni ślizgowej. PTFE ma wyjątkowo niski współczynnik tarcia (około 0,04–0,20 w zależności od obciążenia i prędkości) i działa jak stały smar: gdy wał ślizga się po powierzchniowej warstwie PTFE, na wale tworzy się mikroskopijna folia transferowa, tworząc dopasowaną parę powierzchni o niskim tarciu, które utrzymują się podczas pracy. Mechanizm ten nie wymaga żadnego płynnego środka smarnego, co czyni te łożyska prawdziwymi komponentami pracującymi na sucho, odpowiednimi do zastosowań, w których jakiekolwiek zanieczyszczenie olejem jest niedopuszczalne.

Łożyska zatkane grafitem i dwusiarczkiem molibdenu

W niektórych samosmarujących łożyskach kołnierzowych — szczególnie tych stosowanych w wysokich temperaturach lub przy dużych obciążeniach — zastosowano korki lub wkładki ze stałym smarem z grafitu lub dwusiarczku molibdenu (MoS₂) osadzone bezpośrednio w korpusie z brązu lub żeliwa. Gdy wał się obraca, grzyby ulegają stopniowemu zużyciu, stale osadzając stały smar na powierzchni wału i otworze łożyska. Grafit jest szczególnie skuteczny w wysokich temperaturach, gdzie smary na bazie oleju utleniają się lub odparowują, co sprawia, że ​​łożyska kołnierzowe zaślepione grafitem są powszechnym wyborem w wyposażeniu pieców, prowadnicach wózków piecowych i systemach przenośników wysokotemperaturowych.

Główne rodzaje materiałów łożysk samosmarujących kołnierzowych

Możliwości użytkowe i odpowiednie środowisko zastosowania łożyska samosmarującego kołnierzowego są w dużej mierze zdeterminowane przez system materiałowy zastosowany w jego konstrukcji. Główne dostępne kategorie różnią się znacznie pod względem nośności, prędkości, zakresu temperatur i odporności chemicznej.

Spiekany porowaty brąz (impregnowany olejem)

Łożyska kołnierzowe ze spiekanego brązu impregnowane olejem są najczęściej stosowanym typem łożysk samosmarujących do ogólnych zastosowań inżynieryjnych. Są one zgodne z normami ISO 2795 i DIN 1850 pod względem wymiarów i są łatwo dostępne w rozmiarach metrycznych i calowych od szerokiej gamy producentów. Ich typowa nośność jest umiarkowana — dynamiczne obciążenia promieniowe do około 60–80 N/mm² — i dobrze sprawdzają się przy prędkościach wału do około 2–3 m/s, w zależności od obciążenia. Zakres temperatur roboczych jest ograniczony przez impregnowany olej, zazwyczaj od -20°C do 80°C w przypadku impregnacji olejem mineralnym, przy czym wyższe zakresy temperatur są możliwe w przypadku wariantów oleju syntetycznego. Są ekonomiczne, łatwe w obróbce mechanicznej i dobrze sprawdzają się w obsłudze.

Kompozyt PTFE na podłożu stalowym (typ DU)

Kompozytowe łożyska kołnierzowe z podkładem stalowym — powszechnie znane pod oznaczeniem DU, wywodzącym się od łożyska Glacier DU opracowanego w latach pięćdziesiątych XX wieku — stały się światowym standardem w konstrukcji łożysk bezobsługowych. Stalowy podkład zapewnia wysoką wytrzymałość na ściskanie, a kompozytowa warstwa ślizgowa PTFE zapewnia bardzo niskie tarcie i prawdziwie bezolejową pracę. Łożyska te wytrzymują wyższe obciążenia właściwe niż brąz spiekany — statyczne do 250 N/mm², dynamiczne 140 N/mm² w przypadku gatunków standardowych — a ich zakres temperatur roboczych wynosi zazwyczaj od -200°C do 280°C, co znacznie przekracza brąz impregnowany olejem. Stanowią standardowy wybór w przypadku podzespołów samochodowych, czopów maszyn rolniczych, sprzętu budowlanego i wszelkich zastosowań łączących duże obciążenia, ruch oscylacyjny przy niskiej prędkości i wymóg bezobsługowego smarowania.

Solidny brąz z grafitowymi wtyczkami

Łożyska kołnierzowe z litego odlewu lub kutego brązu z wkładkami z grafitu zapewniają solidną nośność w połączeniu z właściwościami samosmarującymi w podwyższonych temperaturach. Powszechnie stosowane stopy brązu obejmują CuSn8, CuSn12 i CuAl10Fe3, każdy oferujący inną kombinację twardości, odporności na zużycie i odporności na korozję. Korki grafitowe wciskane są w wywiercone wcześniej otwory w korpusie z brązu w regularnych odstępach na powierzchni nośnej, pokrywając około 20–30% powierzchni ślizgowej. Łożyska te doskonale nadają się do wolno poruszających się ciężkich maszyn, zastosowań smarowanych wodą i środowisk o wysokiej temperaturze, w których przewodność cieplna korpusu z brązu pomaga rozproszyć ciepło tarcia.

Łożyska z polimeru termoplastycznego i PEEK

Zaprojektowane polimerowe łożyska kołnierzowe — wykonane z materiałów takich jak związki IGLIDUR (igus), PEEK, nylon (PA) lub acetal (POM) ze zintegrowanymi dodatkami smarnymi — oferują wyjątkowe zalety w zastosowaniach wymagających izolacji elektrycznej, odporności na korozję, bardzo niskiej masy lub pracy w mediach agresywnych chemicznie. Wysokowydajne łożyska polimerowe na bazie PEEK mogą pracować w ciągłych temperaturach do 250°C i wytrzymywać agresywne środowisko chemiczne, które mogłoby uszkodzić łożyska z brązem lub stalą. Ich nośność jest na ogół niższa niż w przypadku łożysk metalowych, ale połączenie właściwości niemagnetycznych, nieprzewodzących i niekorodujących sprawia, że ​​są niezastąpione w określonych zastosowaniach, takich jak sprzęt medyczny, produkcja półprzewodników i maszyny do przetwarzania żywności.

Porównanie materiałów łożysk samosmarujących z kołnierzem

Poniższa tabela podsumowuje kluczowe właściwości użytkowe głównych typów materiałów łożysk samosmarujących z kołnierzem, aby pomóc w wyborze zastosowania:

Kołnierz: funkcja konstrukcyjna i obciążalność

Kołnierz łożyska ślizgowego z kołnierzem to coś więcej niż tylko element utrzymujący — to element konstrukcyjny, który zasadniczo zmienia wydajność łożyska w porównaniu z gładką tuleją cylindryczną. Zrozumienie praktycznej roli kołnierza pomaga inżynierom określić właściwą konfigurację łożyska dla ich zastosowania.

Kołnierz zapewnia osiowe umiejscowienie łożyska w jego obudowie, zapobiegając przemieszczaniu się łożyska wzdłuż osi wału pod obciążeniem osiowym. W zastosowaniach, w których występują połączone obciążenia promieniowe i osiowe — np. sworzeń obrotowy, który musi wytrzymywać zarówno siły zginające, jak i siły wzdłużne — powierzchnia czołowa kołnierza działa jak powierzchnia łożyska oporowego, przenosząc obciążenia osiowe na powierzchnię czołową oprawy. Powierzchnia styku czoła kołnierza określa jego nośność osiową, zatem większe średnice kołnierzy zapewniają wyższą obciążalność osiową. W przypadku zastosowań, w których występują bardzo duże lub długotrwałe obciążenia osiowe, ważne jest sprawdzenie, czy nacisk stykowy powierzchni czołowej kołnierza mieści się w dopuszczalnych granicach materiału — przekroczenie tych granic powoduje postępujące zużycie powierzchni czołowej kołnierza i ostateczną utratę dokładności pozycjonowania osiowego.

Łożyska kołnierzowe są zazwyczaj określane w dwóch konfiguracjach grubości kołnierza: kołnierz standardowy (grubszy, większa nośność osiowa) i kołnierz cienki (zmniejszona grubość kołnierza w przypadku konstrukcji opraw o ograniczonej przestrzeni). Niektórzy producenci oferują również łożyska z podwójnym kołnierzem, w których kołnierz znajduje się na obu końcach otworu, co zapewnia utrzymanie osiowe w obu kierunkach bez konieczności stosowania oddzielnego elementu ustalającego. Konfiguracje z podwójnym kołnierzem są szczególnie przydatne w zastosowaniach z przegubami oscylacyjnymi, gdzie obciążenia wzdłużne mogą zmieniać kierunek.

Rozmiary, tolerancje i pasowanie wału dla łożysk samosmarujących z kołnierzem

Właściwy dobór wymiarów i tolerancje pasowania mają kluczowe znaczenie dla wydajności i trwałości użytkowej każdego łożyska ślizgowego, a łożyska samosmarujące kołnierzowe nie są wyjątkiem. Aby łożysko działało prawidłowo, zarówno pasowanie otworu w oprawie, jak i luz między wałem a otworem muszą mieścić się w określonych zakresach.

Dopasowanie otworu obudowy

Łożyska samosmarujące kołnierzowe są przeznaczone do wciskania w oprawy z kontrolowanym pasowaniem wciskowym — zazwyczaj z kombinacją tolerancji H7/p6 lub H7/r6 w systemie ISO — co zapobiega obracaniu się łożyska w oprawie pod obciążeniem roboczym. W przypadku łożysk kompozytowych z podkładem stalowym pasowanie wciskowe pomaga również łożysku dopasować się do wszelkich drobnych nieprawidłowości w otworze oprawy, poprawiając powierzchnię styku i odprowadzanie ciepła. Otwór w oprawie powinien zostać obrobiony maszynowo zgodnie z tolerancją określoną przez producenta łożyska, z dobrym wykończeniem powierzchni (typowo Ra 0,8–1,6 μm) i prawidłową cylindrycznością. Zbyt duży otwór w obudowie powoduje, że łożysko obraca się w obudowie, a nie na wale, powodując szybkie uszkodzenie obu elementów. Niewymiarowy otwór nadmiernie ściska łożysko, zmniejszając średnicę otworu poniżej specyfikacji i potencjalnie zacierając wał.

Luz wału

Luz roboczy pomiędzy wałem a otworem łożyska jest równie istotny. Zbyt mały luz powoduje duże tarcie, nagrzewanie się i przedwczesne zużycie. Zbyt duży luz umożliwia ruch wału, który zwiększa obciążenie udarowe i naprężenia powierzchniowe. Zalecane tolerancje wałów dla łożysk samosmarujących kołnierzowych to zazwyczaj h6 lub f7 dla zastosowań z wałem obrotowym oraz h9 lub e8 dla zastosowań oscylacyjnych. Po wciśnięciu łożyska w oprawę średnica otworu nieznacznie się zmniejszy ze względu na pasowanie wtłaczane — to zmniejszenie pasowania wtłaczanego należy uwzględnić przy określaniu średnicy wału, aby mieć pewność, że ostateczny luz roboczy mieści się w zalecanym zakresie. Większość producentów łożysk udostępnia tabele pokazujące oczekiwaną redukcję otworu po prasowaniu w funkcji wcisku w obudowę i grubości ścianki łożyska.

Twardość i wykończenie powierzchni wału

Wał pracujący wewnątrz samosmarującego łożyska kołnierzowego musi być odpowiednio twardy i dobrze wykończony, aby zapewnić dobrą trwałość łożyska. W przypadku łożysk kompozytowych PTFE na podłożu stalowym ogólnie zaleca się twardość wału wynoszącą co najmniej 55 HRC (nawęglany lub hartowany indukcyjnie), aby zapewnić optymalną odporność na zużycie, przy chropowatości powierzchni Ra 0,2–0,8 μm. Bardziej miękkie lub chropowate wały powodują przyspieszone ścieranie powierzchni łożyska i znacznie skracają żywotność. W przypadku łożysk ze spiekanego brązu dopuszczalne są nieco bardziej miękkie i bardziej szorstkie wały, ponieważ brąz jest bardziej tolerancyjny na zmiany powierzchni wału. Można stosować wały ze stali nierdzewnej, należy je jednak sprawdzić pod kątem odpowiedniej twardości, ponieważ niektóre gatunki stali nierdzewnej są stosunkowo miękkie i mogą same zużywać się na powierzchni łożyska.

Typowe zastosowania łożysk samosmarujących kołnierzowych

Łożyska samosmarujące kołnierzowe pojawiają się w ogromnej gamie zastosowań przemysłowych i mechanicznych. Połączenie zintegrowanego położenia osiowego i bezobsługowej pracy sprawia, że ​​są one domyślnym wyborem w wielu sytuacjach projektowych.

• Maszyny rolnicze: Punkty obrotowe w pługach, kultywatorach i sprzęcie żniwnym są idealnymi zastosowaniami dla samosmarujących łożysk kołnierzowych. Przeguby te pracują w silnie zanieczyszczonym środowisku, gdzie ręczne dosmarowywanie jest trudne i gdzie wnikanie cząstek ściernych gleby szybko niszczy nasmarowane łożyska. Bezobsługowe łożyska kołnierzowe w konstrukcji z PTFE lub brązu i grafitu na podłożu stalowym znacznie redukują przestoje i koszty konserwacji w zastosowaniach rolniczych.
• Sprzęt budowlany i do robót ziemnych: Przeguby wysięgników, połączenia łyżek i siłowniki podnoszenia lemiesza w koparkach, ładowarkach i równiarkach wykorzystują łożyska ślizgowe kołnierzowe, aby wytrzymać połączone obciążenia promieniowe i wzdłużne w środowiskach o dużym zanieczyszczeniu. Wytrzymałe, kompozytowe łożyska kołnierzowe na podłożu stalowym stanowią standardową specyfikację dla tych zastosowań w projektach większości producentów sprzętu.
• Przetwórstwo żywności i napojów: Tam, gdzie przepisy higieniczne zabraniają zanieczyszczania produktów tłuszczem, w napędach przenośników, maszynach pakujących i sprzęcie mieszającym stosuje się bezobsługowe łożyska kołnierzowe z kompozytu PTFE dopuszczonego do kontaktu z żywnością lub zatwierdzonych materiałów polimerowych. Ich bezolejowa praca eliminuje ryzyko zanieczyszczenia smaru, spełniając jednocześnie wymagania dotyczące mycia i higieny.
• Części samochodowe i użytkowe: W sworzniach pedałów hamulca, drążkach zawieszenia, elementach układu kierowniczego i mechanizmach regulacji siedzeń w samochodach osobowych i ciężarówkach powszechnie stosuje się samosmarujące łożyska z kołnierzem wciskanym, które zapewniają smarowanie na cały okres eksploatacji — spełniając oczekiwania dotyczące bezobsługowej konserwacji stawiane nowoczesnym projektom pojazdów.
• Maszyny drukarskie i pakujące: W urządzeniach do szybkiego drukowania i pakowania zastosowano łożyska kołnierzowe ze spiekanego brązu lub kompozytu w popychaczach krzywek, rolkach prowadzących i mechanizmach regulacji rejestru, w których precyzyjne umiejscowienie wału i krótki czas przestojów konserwacyjnych mają kluczowe znaczenie dla wydajności produkcji.
• Sworznie łączące siłownika hydraulicznego: Połączenia sworzniowe cylindrów hydraulicznych w sprzęcie przemysłowym i mobilnym są klasycznym zastosowaniem łożysk samosmarujących kołnierzowych, gdzie kołnierz zapewnia osiowe utrzymanie w otworze widełkowym, podczas gdy samosmarująca tuleja wytrzymuje ruch oscylacyjny pod obciążeniem podczas wysuwania i chowania cylindra.

Najlepsze praktyki montażowe łożysk ślizgowych kołnierzowych

Prawidłowy montaż jest niezbędny do osiągnięcia znamionowej wydajności i trwałości użytkowej łożyska samosmarującego z kołnierzem. Zła praktyka montażowa – szczególnie w przypadku łożysk kompozytowych z podkładem stalowym – jest jedną z najczęstszych przyczyn przedwczesnych uszkodzeń łożysk w terenie.

• Użyj prasy, a nie młotka: Łożyska samosmarujące kołnierzowe należy zawsze wciskać w oprawy za pomocą zaciskarki, która przykłada siłę równomiernie i prostopadle do zewnętrznej powierzchni łożyska – nigdy nie wbijać młotkiem. Obciążenie udarowe podczas montażu może spowodować pęknięcie wykładziny PTFE łożysk kompozytowych lub zniekształcenie geometrii łożyska, tworząc otwór niespełniający norm, co spowoduje przedwczesne zużycie wału.
• Przyłóż siłę do średnicy zewnętrznej, nigdy do otworu: Siłę wciskania należy przykładać do zewnętrznej średnicy łożyska (stalowego podkładu lub zewnętrznej powierzchni z brązu), a nie do otworu lub powierzchni czołowej kołnierza. Przyłożenie siły do ​​otworu powoduje uszkodzenie powierzchni ślizgowej jeszcze przed oddaniem łożyska do użytku.
• Upewnij się, że obudowa jest czysta i pozbawiona zadziorów: Przed wciśnięciem łożyska należy sprawdzić, czy otwór w oprawie jest czysty, wolny od wiórów i zadziorów powstałych w wyniku obróbki oraz czy mieści się w określonej tolerancji średnicy. Zadziory lub wióry w otworze oprawy mogą podczas wciskania lokalnie uszkodzić zewnętrzną powierzchnię łożyska, powodując koncentrację naprężeń, która ostatecznie doprowadzi do pęknięcia materiału podłoża.
• Nie smarować łożysk kompozytowych PTFE: Łożyska kołnierzowe z kompozytu PTFE na podłożu stalowym są zaprojektowane tak, aby pracować na sucho. Nałożenie na nie smaru podczas montażu — częsty błąd wynikający z przyzwyczajenia — w rzeczywistości zmniejsza ich wydajność poprzez zakłócanie mechanizmu folii transferowej PTFE i przyciąganie zanieczyszczeń ściernych na powierzchnię ślizgową.
• Sprawdź średnicę otworu po wciśnięciu: Po wciśnięciu łożyska do oprawy zmierz średnicę otworu, aby upewnić się, że po pasowaniu wtłaczanym zamknął się on w oczekiwanym zakresie. Jeżeli otwór zamknął się nadmiernie, luz roboczy wału będzie niewystarczający. Jeśli otwór w oprawie został obrobiony zbyt mocno lub łożysko było źle dopasowane, otwór może być za duży i łożysko może obracać się podczas pracy.

Jak wybrać odpowiednie łożysko samosmarujące z kołnierzem do swojego zastosowania

Wybór odpowiedniego łożyska samosmarującego kołnierzowego do konkretnego zastosowania wymaga systematycznej pracy nad zestawem parametrów roboczych. Oto praktyczny proces selekcji, którym kierują się inżynierowie zajmujący się łożyskami.

Rozpocznij od jasnego zdefiniowania warunków pracy: obciążenie promieniowe łożyska (w niutonach lub kiloniutonach), wszelkie obciążenia osiowe lub wzdłużne, jakie musi przenosić powierzchnia czołowa kołnierza, średnica wału, rodzaj ruchu (obrót ciągły, oscylacja lub mieszany), prędkość obrotowa wału lub częstotliwość oscylacji, zakres temperatur roboczych oraz to, czy można zastosować dowolny smar lub czy wymagana jest całkowicie sucha praca. Po ustaleniu tych parametrów oblicz właściwy nacisk łożyska (obciążenie podzielone przez przewidywaną powierzchnię długości otworu x średnicę) i wartość PV (ciśnienie właściwe pomnożone przez prędkość poślizgu) — ten połączony parametr stanowi standardową podstawę do porównywania warunków pracy z granicami wytrzymałości materiału łożyska.

Porównaj te obliczone wartości z danymi dotyczącymi wytrzymałości materiału od producenta łożyska — dla każdego rodzaju materiału opublikowano maksymalne wartości graniczne P, V i PV, powyżej których tempo zużycia staje się niedopuszczalnie wysokie. W przypadku zastosowań bliskich limitom materiału należy uwzględnić wzrost temperatury na skutek tarcia (wyższe wartości PV oznaczają większe wytwarzanie ciepła) i sprawdzić, czy temperatura znamionowa wybranego materiału nadal zapewnia margines. Na koniec sprawdź, czy dostępne są łożyska o standardowych seriach wymiarowych o wymaganej średnicy wału — większość łożysk samosmarujących z kołnierzem jest produkowana w standardowych seriach metrycznych (ISO 3547 dla brązu spiekanego, DIN 1850 dla łożysk ślizgowych) od średnicy otworu 3 mm w górę, z szerokim wyborem konfiguracji kołnierzy dostępnych z magazynu.