Od egzotyki do standardu przemysłowego

© SLF

Udostępnij:

 

Kulki ceramiczne zwiększają prędkość obrotową w łożyskach tocznych. Dzięki ich zaletom zakres stosowania łożysk hybrydowych wciąż się poszerza. Obecnie nie są już one traktowane jako osobliwość, a ich wyjątkowe właściwości są uwzględniane na etapie projektowania instalacji.

Doszukując rozwiązań umożliwiających zwiększenie wydajności i niezawodności łożysk kulkowych i wałeczkowych, każdy prędzej czy później natknie się na łożyska toczne z komponentami ceramicznymi. Od czterech dekad łożyska te świetnie sprawdzają się w wymagających aplikacjach i nietypowych warunkach pracy. W ostatnich latach coraz więcej zwolenników znajdują też łożyska hybrydowe. Pod tą nazwą rozumie się łożyska toczne, w których łączy się dwa różne materiały – w pierścieniach łożyskowych stosuje się konwencjonalne stale łożyskowe lub stale specjalne, a w elementach tocznych – ceramikę azotku krzemu (Si3N4). Oczywiście występują także inne możliwe połączenia materiałowe, jednak krzemek azotu zyskał największą popularność za sprawą swoich nadzwyczajnych właściwości.



Łożyska hybrydowe wykorzystuje się najczęściej jako łożyska kulkowe, kulkowe skośne, wrzecionowe oraz walcowe.

Niewielka skłonność do adhezyjnego zużycia
Początkowo szukano po prostu sposobu na zwiększenie prędkości obrotowej łożysk tocznych. Ze względu na niewielką gęstość i w konsekwencji zredukowane siły odśrodkowe można było to osiągnąć za pomocą Si3N4. Okazało się jednak, że związek ten ma również inne, korzystne dla łożysk tocznych właściwości. Azotek krzemu izoluje elektrycznie i jest wysoce odporny na korozję. Dobre właściwości tribologiczne w interakcji ze stalą prowadzą do redukcji tarcia, a więc również do zmniejszenia samonagrzewania.

Jego kluczową zaletą jest jednak bardzo niska skłonność do zużycia adhezyjnego (zacierania się), co pozwala na znacznie szerszy dobór środków smarnych. Dzięki temu można smarowanie olejem zastąpić trwałym smarowaniem smarami stałymi. Stąd też celowo dopuszcza się łożyskowanie hybrydowe przy niedostatecznych warunkach smarnych. Możliwe jest nawet smarowanie samego nośnika (np. w wodzie lub w bezpośrednim otoczeniu produkcyjnym), a w niektórych przypadkach także praca przy jednoznacznie niedostatecznym smarowaniu. Oczywiste jest jednak, że w takim przypadku należy uwzględnić ograniczenia dotyczące obciążeń i trwałości.

Te unikatowe właściwości przyczyniają się do tego, że łożyska hybrydowe działają niezawodnie i uzyskują znacznie większą trwałość niż konwencjonalne rodzaje łożysk.



Łożyska hybrydowe jako sposób rozwiązywania problemów
Wszędzie tam, gdzie kluczowymi czynnikami doboru elementów roboczych są wysokie prędkości obrotowe, podwyższona temperatura, trudne warunki środowiskowe i smarne, duża niezawodność, a także długi okres trwałości, łożyska hybrydowe zdecydowanie wygrywają w konkurencji z innymi typami łożysk. Ich wyższą cenę często można uzasadnić, patrząc na całkowity koszt cyklu życia.

Typowym przykładem aplikacji, w której łożyska hybrydowe objawiają swoje lepsze właściwości, jest przemysł spożywczy. W bezpośrednim kontakcie z artykułami spożywczymi często występują ograniczenia odnośnie smarowania. Czyszczenie agresywnymi środkami chemicznymi i częsty bezpośredni kontakt z produktem przeznaczonym do przetworzenia stwarza bardzo trudne warunki eksploatacyjne. Biorąc pod uwagę niedostateczne smarowanie i korozję, nie wspominając już o wysokich obciążeniach mechanicznych, konwencjonalne łożyska często okazują się niewystarczające.

Z wyśrubowanymi standardami higienicznymi mamy do czynienia szczególnie w przypadku napełniania i zamykania napojów. Smary i słabo dostępne elementy maszyn wykazują tendencję do gromadzenia zanieczyszczeń. Dlatego konstruktorzy i operatorzy coraz częściej całkowicie rezygnują ze smarowania. W takich przypadkach zastosowanie znajdują właśnie łożyska hybrydowe z pierścieniami z wysokoodpornej na przetoczenie stali Cronidur 30, koszykami z polimeru PEEK i kulkami z Si3N4. Współdziałanie materiałów wysokiej jakości powoduje, że łożyska hybrydowe doskonale spełniają stawiane im wymagania. Mimo znacznie trudniejszych warunków działania, okres trwałości tego rodzaju łożyska w porównaniu z rozwiązaniami konwencjonalnymi jest znacznie dłuższy.

Zastępstwo dla łożysk stalowych
Konstrukcja i implementacja łożysk hybrydowych do konkretnych zastosowań nadal stanowi wyzwanie. Zasadniczo obowiązuje zasada, że łożyska konwencjonalne można zastąpić łożyskami hybrydowymi tego samego typu. Jednak z samego faktu, że stosowane dotychczas łożyska stalowe są statycznie przeciążone, nie wynika, że łożyska hybrydowe będą lepiej funkcjonować. We wszystkich innych przypadkach można bezpiecznie wymieniać łożyska stalowe na hybrydowe.

Niestety, obecne dane stanowiące podstawę obliczeń okresu trwałości nie pozwalają na rzeczywiste poznanie ogromnego potencjału hybrydowych łożysk tocznych. W obowiązującej normie PN-ISO 281 zdefiniowano, że dla hybrydowych łożysk tocznych – mimo niższej nośności statycznej – najważniejszą dla obliczenia okresu trwałości nośność dynamiczną utożsamia się z nośnością łożysk stalowych. Wynikiem są niemal identyczne okresy trwałości. Z tego względu należy korzystać z parametrów uzyskanych w trakcie użytkowania oraz z ogólnych wytycznych dla łożysk hybrydowych.

Alternatywa dla łożyskowania trudnodostępnych miejsc
Hybrydowe łożyska toczne ewoluowały od zastosowań niszowych do realnej alternatywy dla łożyskowania trudnodostępnych miejsc. Z wyjątkiem wrzecion obrabiarek, gdzie od dawna stosuje się łożyska hybrydowe, w wielu gałęziach przemysłu pojawiają się możliwości zastąpienia konwencjonalnych łożysk przez łożyska hybrydowe. Kolejnym logicznym krokiem jest uwzględnienie szczególnych właściwości hybrydowych łożysk tocznych już na etapie projektowania i budowy maszyn i instalacji przemysłowych. W momencie rozważań koncepcyjnych pojawiają się interesujące rozwiązania, które o wiele łatwiej można urzeczywistnić, stosując wysokogatunkowe łożyska hybrydowe.

 

MM KOMENTARZ

Michał Tomala, NTN SNR

Ze względu na użyte materiały produkcyjne łożyska precyzyjne dzieli się na stalowe i ceramiczne (tzw. hybrydowe). Zastosowanie ceramicznych elementów tocznych wpływa zasadniczo na polepszenie parametrów łożyska. Najistotniejsze z nich to: sztywność, prędkość obrotowa i generacja ciepła.

Ceramika (azotek krzemu) jest materiałem, który ma znacznie większy moduł sprężystości podłużnej niż stal, co oznacza, że sztywność łożyska ceramicznego jest większa niż łożyska w całości wykonanego ze stali. W rezultacie przekłada się to na lepszą dokładność wykonania obrabianej części. Dodatkowym atutem ceramiki jest mniejszy współczynnik tarcia i niższy ciężar w porównaniu do stali, który sprawia, że elementy toczne mają mniejszą bezwładność, a ich kontakt z bieżniami jest mniej inwazyjny. Parametry te znacząco obniżają temperaturę pracy łożyska, dzięki czemu może się ono obracać z dużo wyższymi prędkościami. Różnica w porównaniu do łożysk stalowych sięga nawet 30%.

Mniejsza bezwładność i współczynnik tarcia powodują również mniejsze zużycie bieżni i elementów tocznych, co znacząco wydłuża ich trwałość. W tych samych warunkach pracy trwałość łożyska ceramicznego może być dwu-, a nawet trzykrotnie wyższa niż łożyska stalowego.

Udostępnij:

Drukuj



Stefanie Michel




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również