Łożyska ślizgowe – analiza tribologiczna powierzchni ślizgowych i podejścia projektowego

Tarcie jest zwykle parametrem straty w konstrukcjach mechanicznych, który może prowadzić do zwiększonego zużycia i awarii komponentów. Często jest to spowodowane kontaktem z powierzchniami poruszającymi się w przeciwnym kierunku. Montaż łożysk ślizgowych jest jednym ze sposobów ułatwienia ruchu o niskim współczynniku tarcia między tymi elementami. Ale jak działają łożyska ślizgowe? W jaki sposób tarcie jest minimalizowane przez łożyska ślizgowe i jakie są oparte na projektowaniu podejścia do optymalizacji niskiego ruchu tarcia? Artykuł zawiera wgląd w świat tribologii (teorii tarcia) i jej znaczenie dla stosowania łożysk ślizgowych.

Czym jest tribologia i dlaczego analiza ma sens dla łożysk ślizgowych?

Tribologia jest również nazywana teorią tarcia i zajmuje się zachowaniem tarcia różnych powierzchni względem siebie. Tribologia dzieli się na trzy centralne obszary: Tarcie, zużycie i smarowanie.

Czym jest tarcie na sucho?

Tarcie to opór ruchu między dwiema stykającymi się cząstkami lub powierzchniami ciała. Dokonuje się ogólnego rozróżnienia między tarciem zewnętrznym i wewnętrznym. Tarcie zewnętrzne obejmuje tarcie statyczne, tarcie poślizgowe i tarcie toczne. Wewnętrzne tarcie ciała, gazu lub cieczy nazywa się tarciem lepkim i powoduje ciągliwość materiału.

W szczególności tarcie zewnętrzne wpływa na zachowanie się materiałów podczas zużycia, a w większości przypadków prowadzi do większego lub szybszego zużycia. Zużycie to postępująca utrata materiału z powodu przyczyny mechanicznej. Występuje, gdy ciała pocierają o siebie zbyt długo lub zbyt mocno. Może się to zdarzyć na przykład wtedy, gdy dwa niezabezpieczone elementy stykają się ze sobą i jednocześnie poruszają się względem siebie. Tarcie i zużycie to tak zwane parametry strat. Zużycie jest zwykle widoczne po zmianie powierzchni materiału. Smarowanie jest stosowane w tym momencie: Środki smarne działają jako środek zmniejszający tarcie. Chronią one powierzchnie styku, a tym samym minimalizują tarcie i zużycie. Cząsteczki ciepła i zużycia są usuwane jednocześnie.

Głównym zadaniem łożysk ślizgowych jest zapewnienie ruchu dwóch ruchomych powierzchni o niskim współczynniku tarcia względem siebie. Łożyska ślizgowe umożliwiają to dzięki materiałowi samych łożysk ślizgowych, magazynowaniu smarów lub specjalnej konstrukcji. Oprócz zmniejszenia tarcia, stosowanie środków smarnych poprawia również płynność i ogólną charakterystykę działania łożyska. Analiza tribologiczna jest więc bardzo przydatna.

Przegląd typów zużycia

Istnieje kilka rodzajów zużycia spowodowanych różnymi przyczynami:

• Przyczepność: między ciałami powstaje więź atomowa. Przyczyna: Interakcja molekularna różnych powierzchni.
• Ścieranie: Korpus podstawy jest porysowany lub mikroobrobiony. Przyczyna: Szczyt chropowatości w przeciwległym ciele, twarde cząstki w pośrednim medium.
• Reakcje tribochemiczne: Korpusy bazowe i przeciwstawne reagują z cząstkami otoczenia i smaru. Przyczyna: Powierzchnie są aktywowane chemicznie z powodu tarcia. Jeden z najczęstszych rodzajów zużycia w przypadku awarii.
• Rozkład powierzchni: Pojawiają się pęknięcia, które rosną, aż poszczególne cząstki się odłączą. Przyczyna: Naprężenia naprzemienne w obszarach powierzchni ciała.

Środki smarne

Środki smarne są stosowane w celu zmniejszenia tarcia, a jednocześnie zmniejszenia korozji. Stworzenie styku środka smarnego zmniejsza lub zapobiega bezpośredniemu kontaktowi między dwoma partnerami ciernymi. W większości przypadków środek smarny jest oparty na oleju bazowym, który jest dostosowywany do odpowiednio zamierzonych zastosowań przez dodatkowe dodatki. Środki smarne są dostępne w wersji stałej, płynnej lub gazowej o różnej lepkości.

Oleje

Oleje składają się z oleju bazowego, np. oleju mineralnego, estru lub poliglikolu oraz kilku dodatków. Są to dobre przewodniki ciepła i mogą być stosowane w wysokich temperaturach i prędkościach, np. w łożyskach ślizgowych i łańcuchach. Dodatki są wykorzystywane do celowej regulacji właściwości oleju, np. w celu zmniejszenia zużycia lub korozji. Oleje mogą być również używane do czyszczenia, ponieważ pochłaniają cząsteczki brudu.

Smary

Smary są wykonane z oleju bazowego i zagęszczacza (zwanego również mydłem). Zagęszczacz określa charakterystykę działania. Smary pozostają bezpośrednio w punkcie smarowania i trwale przeciwdziałają tarciu. Zapewniają one ochronę przed wnikaniem wilgoci i brudu.

Lubrykanty stałe

Lubrykanty stałe, np. grafit lub siarczek molibdenu, są stosowane w postaci stałej. Wytwarzają bardzo niskie tarcie i mają wysoką odporność na temperaturę. Środki smarne stałe są stosowane na przykład w sytuacjach, gdy nie można stosować płynnych środków smarnych, np. w środowisku próżniowym lub w ekstremalnych temperaturach.

Klasy lepkości

Lepkość jest właściwością zdefiniowaną dla cieczy i gazów (zwanych łącznie płynami) i reprezentuje wewnętrzne tarcie cieczy. Lepkość jest wynikiem sił przyciągania cząstek w płynie i jest generowana przez tarcie wewnętrzne płynów. Lepkość wpływa zatem bezpośrednio na tarcie. Oleje silnikowe, oleje przekładniowe i przemysłowe środki smarne mają określone klasy lepkości; są one na przykład klasyfikowane zgodnie z SE (Society of Automotive Engineers) lub ISO.

Jednak lepkość zależy również od temperatury środka smarnego. Różne poziomy lepkości są zatem często wskazane dla dwóch stanów. W przypadku olejów silnikowych, takich jak SE 5W-30 lub SE 15W-40, pierwsza liczba wskazuje płynność w niskich temperaturach, a druga liczba wskazuje lepkość w temperaturze roboczej. np. im niższa liczba, tym olej jest cieńszy.

Ogólnie rzecz biorąc, istnieją następujące lepkości:

• Niska lepkość: Wysoce płynne materiały, takie jak woda lub benzyna, które płyną łatwo i szybko bez oporu. Stosowany do niskich obciążeń ściskających i wysokich prędkości poślizgu.
• Średnia lepkość: Materiały lepkie, takie jak olej rzepakowy lub melasa, które przepływają wolniej i z zauważalnym oporem.
• Wysoka lepkość: Substancje pasty, takie jak kleje, które są bardzo grube i dlatego płyną mocno i powoli z dużą odpornością. Często wykazują właściwości plastyczne. Stosowany do wysokich obciążeń ściskających i niskich prędkości poślizgu.

Podstawy łożyska zwykłego

Łożyska ślizgowe są solidne i niezawodne. Specjalne powierzchnie poślizgowe umożliwiają zmniejszenie ruchu tarcia elementu stykającego się. W przeciwieństwie do łożysk tocznych, komponent wsparty przez łożysko ślizgowe ślizga się po powierzchni łożyska. Siły, które mają zostać wchłonięte, nie są rozmieszczone w poszczególnych punktach, jak na łożysku kulkowym, lecz na większym obszarze. W rezultacie mogą zostać pochłonięte większe siły. Łożyska ślizgowe charakteryzują się również prostą, oszczędzającą miejsce konstrukcją oraz właściwościami pochłaniającymi hałas i wibracje. Łożyska ślizgowe mogą być realizowane w różnych kształtach, np. jako tuleje, płyty lub pręty. Tarcie ślizgowe, które działa na siłę popychającą, występuje podczas ruchu ślizgowego. Warto zatem smarować łożyska ślizgowe medium pośrednim redukującym tarcie.

Może to być na przykład jedna z następujących sytuacji:

• Gaz (oddziela powierzchnie w ekstremalnie niskich temperaturach)
• Olej (np. do hydrodynamicznych łożysk ślizgowych)
• Lubrykanty stałe (np. w wysokich temperaturach lub przy działaniu sił odśrodkowych)
• Pola magnetyczne (np. w pomieszczeniach czystych).

Wybór łożyska ślizgowego

Istnieją różne rodzaje łożysk ślizgowych. Na przykład MISUMI ma bezobsługowe łożyska ślizgowe, na których tuleje są albo bezpośrednio nasączone środkiem smarnym, albo są wyposażone w osadzony środek smarny, albo tuleje prowadzące ze smarowaniem. Nie wymaga to smarowania lub wymaga jedynie rzadkiego smarowania. Łożyska ślizgowe bez konserwacji są zalecane do dużych obciążeń i trudnych warunków. Istnieje kilka wersji materiałowych: Spiekany brąz, odlewy, stop miedzi, plastik, a także różne warianty warstw złożonych.

Typowe kształty obejmują:

• Prosty: można go łatwo zamontować, jeśli nie jest potrzebne dodatkowe podparcie, np. ruch osiowy wału
• Z kołnierzem: Kołnierze zapewniają stabilność i łatwy montaż
• Wersje prasowe (standardowe, z otworem na śrubę) do stałych połączeń między łożyskiem a obudową, lepsze rozłożenie obciążenia
• Podkładki chronią powierzchnie łożysk, równomiernie rozprowadzają nacisk
• Płytki przesuwne: Zapewnienie dużego obszaru styku dla lepszego rozkładu ciśnienia i zmniejszenia tarcia

W poniższej tabeli przedstawiono przegląd różnych kształtów:

Jak w przykładzie tutaj, proste łożyska ślizgowe mogą być używane w dźwigni krzywki:

Więcej informacji na temat doboru łożysk ślizgowych można znaleźć w naszym artykule „Łożyska ślizgowe – oszczędności kosztów dzięki opłacalnym produktom”.

Oparte na projektowaniu podejścia do optymalizacji smarowania

Istnieje kilka metod opartych na projektowaniu, aby zapewnić skuteczne smarowanie. W zakurzonym i agresywnym środowisku zaleca się na przykład zapewnienie łożysk ślizgowych z uszczelnieniem. Zapewnia to prawidłowe działanie i smarowanie. W przypadku stosowania uszczelek korzystniejsza jest gładka powierzchnia powierzchni poślizgowej. Jednocześnie gładka powierzchnia oznacza również, że oleje nie przylegają dobrze. Wybór środka smarnego musi być odpowiednio dostosowany.

Rowki mogą być również wykorzystywane do optymalizacji wydajności smarowania. Rowki smarujące, na przykład wzdłuż powierzchni poślizgowej, mogą działać jako zbiornik środków smarnych, a tym samym zapewnić ciągłe dostarczanie środka smarnego. W przypadku stosowania stałych dodatków zaleca się również stosowanie rowków lub otworów w strefie wyładowczej, ponieważ niektóre ciała stałe mają tendencję do tworzenia past, co skraca żywotność łożyska ślizgowego. W zależności od środka smarnego należy również dobrać odpowiedni kształt rowka i w razie potrzeby dodać otwory smarne. Kieszenie w kształcie rombu nadają się do smarowania smarów, kulistych nasadek do płynnych środków smarnych i olejów smarowych oraz perforacji lub otworów smarnych podczas smarowania olejów i smarów.

Dobór materiału może być również ważny dla optymalizacji smarowania lub minimalizacji tarcia poślizgowego, nawet bez dodawania środka smarnego. Na przykład mechanicznie gładkie powierzchnie mają dobre właściwości koralików, co zmniejsza tarcie. Jednak, jak już wspomniano, oleje nie przylegają dobrze w tym przypadku. Spiekane metale mają specjalne struktury i właściwości, które ułatwiają smarowanie. Ich porowata struktura wspomaga pobieranie środka smarnego poprzez utworzenie zbiornika środka smarnego. Innym podejściem jest zastosowanie obróbki powierzchni. Warstwy poślizgowe PTFE, grafitu lub ceramiki mogą poprawić smarowanie łożysk ślizgowych. Na przykład ceramika zapewnia również odporność na wysokie temperatury, a PTFE zapewnia dobrą odporność chemiczną, co również rozszerza zakres zastosowań łożysk ślizgowych.