W niniejszym artykule omówiono łożyska wysokotemperaturowe, zakresy stosowalności, sposoby osiowania oraz zalecane pasowania. Przedstawiono aspekty doboru i obliczania nośności łożyska. Zaznaczono skutki eksploatacji, nadmiernego zużycia dla bezpieczeństwa pracy. Przedstawiono odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania dotyczące obsługi łożysk wysokotemperaturowych.
We wszystkich zastosowaniach, gdzie istnieją bardzo wysokie lub bardzo niskie temperatury otoczenia, zwykle konieczne jest użycie specjalnych łożysk. Wymagania wynikające z zastosowania – małe tarcie i duże obciążenie promieniowe decydują o wyborze łożyska kulkowego zwykłego jako konstrukcji bazowej.
Rys. 1. Rolki pieca tunelowego w hucie pracują w temperaturze około +350 C i przenoszą materiał, który ma być poddany obróbce cieplnej, taka temperatura pracy wymaga zastosowania łożyska do zadań specjalnych.
Jeśli warunki pracy są trudne i wymagana jest niezawodna praca łożysk we wszystkich temperaturach, w tym także temperaturach bardzo wysokich, przy żądaniu niskich kosztów pracy, wtedy zdecydowanie konieczne jest zastosowanie wysokotemperaturowych łożysk kulkowych.
Dlaczego w wysokich temperaturach nie warto stosować tradycyjnych łożysk?
Temperatura tradycyjnych łożysk tocznych nie powinna przekraczać temperatury otoczenia o więcej niż 60°C. I też w przeciętnych warunkach eksploatacyjnych temperatura pracy łożysk nie przekracza 50–60°C. W trudniejszych warunkach eksploatacyjnych temperatura pracy łożysk jest wyższa, nie powinna jednak przekraczać 125°C.
Wysoka temperatura działająca na łożysko tradycyjne powoduje wytopienie smaru łożyskowego, co w krótkim czasie prowadzi do zatarcia łożyska
Przy wzroście temperatury w węźle łożyskowym łożyska tradycyjnego następuje wytopienie smaru łożyskowego. Rozrzedzony smar wycieka ze strefy łożyskowej, co w krótkim czasie doprowadzi do zatarcia łożyska. W następstwie często występuje zniszczenie koszyczka. Skutkuje to nierównomiernym rozłożeniem elementów tocznych łożyska, a doprowadza to do intensywnego wycierania elementów tocznych. Intensywnie wzrasta temperatura i jest to ostatnia faza awarii łożyska. Ten stan nie powinien mieć miejsca. Wcześniej powinny zadziałać systemy zabezpieczające silnik, monitorujące temperaturę i drgania.
Łożyska toczne tradycyjne bezpiecznie pracują w temperaturze nieprzekraczającej temperatury otoczenia o 60°C
Łożyska wysokotemperaturowe czyli łożysko do zadań specjalnych
Do pracy w podwyższonych temperaturach stosuje się łożyska wysokotemperaturowe. Te są przystosowane do pracy w bardzo wysokich temperaturach, (między 150 a 450°C). Wykonane są ze specjalnych stopów, posiadają specjalny smar oraz uszczelnienia o ile występują. Stosowany jest w nich znacznie zwiększony luz promieniowy w celu kompensacji rozszerzalności cieplnej metali. W związku z tym żeby ich zastosowanie było ekonomicznym rozwiązaniem łożyska te powinny pracować tylko w określonym zakresie temperatur. Gdy temperatura jest zbyt niska, luz w łożysku pozostaje duży i powoduje jego szybsze zużywanie się.
Gdy temperatura pracy łożyska wysokotemperaturowego jest zbyt niska, luz w łożysku pozostaje duży, co powoduje jego szybsze zużywanie się.
Temperatury pracy łożysk wysokotemperaturowych
W praktyce łożyska tego typu są odpowiednie do zastosowań, gdzie temperatury pracy znajdują się w zakresie 150°C do +350°C, a prędkości obrotowe wynoszą maksymalnie 100 obr/min.
Łożysko wysokotemperaturowe pracuje w zakresie od +150°C do +350°C z prędkościami do 100 obr/min.
Smarowanie łożysk w wysokich temperaturach
Łożyska do wysokich temperatur mogą być wyposażone w blaszki ochronne, po jednej z każdej strony łożyska, aby uniemożliwić dostanie się stałych zanieczyszczeń do łożyska i aby utrzymywać smar.
Wszystkie powierzchnie takiego łożyska, włączając w to blaszki ochronne, mogą być pokrywane fosforanem manganu w celu ochrony przed korozją i polepszenia własności ślizgowych (łatwiejszy obrót).
Łożyska wysokotemperaturowe są smarowane za pomocą mieszaniny poliglikol alkienowy/grafit, która może być stosowana w zakresie temperatur 40°C do +250°C. Mogą być rówież smarowane smarem ogólnego przeznaczenia na bazie fluorowego polieterowego oleju zmieszanego z policzterofluoroetylenem (PTFE) do pracy w temperaturach od 40°C do +230°C. W temperaturach ponad +200°C działa smarowanie suche.
Łożyska do wysokich temperatur – dostępne rozwiązania
Dostosowane do specjalnych celów łożyska wysokotemperaturowe dostępne u producentów są zaprojektowane do najbardziej rozpowszechnionych zastosowań, gdzie występują bardzo wysokie temperatury, to znaczy do łożyskowania kół wózków piecowych, rolek wspierających i kół w różnorodnych aplikacjach.
Mogą być dostępne z oprawami stojącymi masywnymi, z oprawami kołnierzowymi masywnymi. Powierzchnie opraw z żeliwa szarego są pokrywane cynkiem i chromianowane (powierzchnia jest żółta); ta warstwa galwaniczna zapewnia dodatkową ochronę przed korozją i daje oprawom charakterystyczny wygląd. W celu dalszego zabezpieczenia łożyska można zastosować odporną na wysoką temperaturę taśmę wykonaną z krzemianu glinowo borowego, jako uszczelnienie chroniące przed wniknięciem zanieczyszczeń z otoczenia
Łożysko wysokotemperaturowe – zastosowanie
– Produkcja cegieł i dachówek
– Produkcja ceramiki
– Przemysł stalowy
– Produkcja żywności
– Autoklawy
– Transport bliski i przeładunek materiałów
– Gospodarka odpadkami
Rys. 4. Jeśli warunki pracy są trudne i wymagana jest niezawodna praca łożysk we wszystkich temperaturach, przy żądaniu niskich kosztów pracy, wtedy konieczne jest zastosowanie łożysk specjalnych
Łożyska wysokotemperaturowe do pieca tunelowego
Rolki pieca tunelowego pracują w temperaturze około +350°C i przenoszą materiał, który ma być poddany obróbce cieplnej. Pierwotnie zamontowane łożyska, o trwałości eksploatacyjnej wynoszącej od trzech do sześciu miesięcy, zostały wymienione na wysokotemperaturowe łożyska, co spowodowało wydłużenie trwałości eksploatacyjnej do ponad siedmiu lat. W rezultacie znacznemu zmniejszeniu uległy ogólne koszty produkcyjne oraz okazało się możliwe usunięcie oryginalnie zamontowanego systemu chłodzenia opraw wodą.
Łożysko wysokotemperaturowe do pieca piekarskiego do wafli
Tradycyjna konstrukcja koła wykorzystuje standardowe łożyska kulkowe zwykłe smarowane bardzo kosztownym smarem do wysokich temperatur. Warunki pracy z temperaturami do +240 C wymagały regularnego dosmarowywania łożysk i częstej ich wymiany spowodowanej zabrudzonym/wyschniętym smarem i korozją. Normalna trwałość eksploatacyjna wynosiła około dwóch lat. Wymiana oryginalnie stosowanych łożysk na łożyska wysokotemperaturowe pozwoliła na czteroletni okres bezobsługowej pracy.
Łożysko do wysokich temperatur w palenisku rusztu łańcuchowego
2500 specjalnych rolek podpierających bazujących na dwurzędowych łożyskach jest używanych w palenisku w temperaturach roboczych do +350 C. Konstrukcja pracująca przed zastosowaniem łożysk wysokotemperaturowych ulegała bardzo szybkiemu zużyciu, a tarcie toczne znacznie wzrastało. Wszystkie rolki musiały być wymieniane w ciągu jednego roku. Nowe rolki podpierające pracowały przy bardzo małym współczynniku tarcia przez okres do czterech lat, bez konieczności obsługi.
Dobór łożyska wysokotemperaturowego
Wpływ temperatury pracy na łożysko
W wysokich temperaturach nośność łożyska jest zmniejszona. Ta właściwość jest uwzględniana poprzez pomnożenie nominalnej nośności statycznej C0 przez współczynnik temperatury fT. Wartości tego współczynnika dla różnych temperatur są podane w tabeli 1.
Tabela 1. Współczynnik fT
Dobór rozmiaru łożyska w oparciu o nośność statyczną Wielkość łożyska wymagana do danego zastosowania jest określana w odniesieniu do spodziewanych obciążeń i nośności łożyska. Łożyska wysokotemperaturowe obracają się z bardzo małymi prędkościami. Dlatego ich wymagany rozmiar jest określany w oparciu o nominalną nośność statyczną C0. Nominalna nośność statyczna może być określona na podstawie wzoru:
Równoważne obciążenie statyczne łożyska oblicza się na podstawie zależności:
Przy obliczaniu powinno się brać pod uwagę maksymalną siłę, która może wystąpić a jej składowe promieniową i wzdłużną należy umieścić w podanym wcześniej wzorze. Jeśli P0 < Fr wtedy należy stosować zależność P0=Fr . . Na podstawie obliczonej w opisany sposób nośności statycznej można dobrać odpowiednie łożysko z tabel łożyskowych. Jeśli wymagana nominalna nośność statyczna leży między dwoma wartościami w tabeli łożyskowej, należy wybrać łożysko o wyższej nośności.
Dobór rozmiaru łożyska do kół wózków piecowych
Wielkość łożyska jest dobierana w oparciu o nominalną nośność statyczną, gdyż wózki piecowe pracują z bardzo małymi prędkościami. Dla kół swobodnych z dwoma łożyskami o tej samej wielkości wymaganą podstawową nośność statyczną dla jednego łożyska uzyskuje się z równania:
Tabela 2 dotyczy układów zawierających dwa łożyska tego samego rozmiaru, zamontowane symetrycznie względem płaszczyzny obciążenia i podaje wartości wymaganej nośności statycznej w zależności od obciążenia działającego na koło i od temperatury, obliczane na podstawie powyższego wzoru, dla jednego łożyska.
Dla układu koła swobodnego z łożyskami różnych wielkości potrzebna wielkość dla łożyska po stronie wewnętrznej (po stronie obręczy koła) jest wyznaczana ze wzoru:
a dla łożyska po stronie zewnętrznej (po stronie pokrywy) z zależności:
Wymagana nominalna nośność statyczna łożysk w oprawach od wewnątrz lub na zewnątrz kół jest obliczana na podstawie równania:
Używając wartości wymaganej nośności statycznej obliczanej przy użyciu powyższej zależności lub odczytanej z tabeli 2, można dobrać odpowiednie łożyska z katalogów producentów. Jeśli potrzebna nominalna nośność statyczna leży między dwoma wartościami w tabeli łożyskowej, należy zawsze wybrać łożysko o wyższej nośności. Trzeba zawsze sprawdzić średnicę czopa ze względu na jego wytrzymałość.
Montaż łożyska do wysokich temperatur
Wysokotemperaturowe łożyska kulkowe mogą być montowane z pasowaniem luźnym lub ciasnym na wałach i w oprawach. Wystarczające ustalenie promieniowe i właściwe podparcie może zasadniczo być uzyskane tylko wtedy, gdy jeden z pierścieni (zależnie od rodzaju obciążenia) jest zamontowany z odpowiednim wciskiem. Podczas montażu łożyska, pierścień, który ma być osadzany z ciaśniejszym pasowaniem jest zwykle montowany jako pierwszy.
Siła potrzebna do osadzenia łożyska znacznie wzrasta wraz ze wzrostem wielkości łożyska. Dlatego, zasadniczo nie jest możliwe wciśnięcie dużych łożysk na cylindryczny wał lub w oprawę na zimno. W takim przypadku, w zależności od tego czy pasowanie jest uzyskiwane między łożyskiem a wałem, czy między łożyskiem a oprawą, łożysko lub oprawa powinny być podgrzane przed montażem. Aby osadzić łożysko z wciskiem na wale należy je podgrzać do temperatury około 80°C do 90°C ponad temperaturę wału. Można to zrobić za pomocą nagrzewnicy indukcyjnej lub w komorze grzewczej. Montaż łożysk poprzez chłodzenie wału nie jest zalecany. Istnieje duże ryzyko wystąpienia kondensacji powodującej korozję.
Demontaż łożyska pracującego w wysokich temperaturach
Siła potrzebna do zdjęcia łożyska jest zwykle większa niż siła montażowa, szczególnie jeśli po długim okresie eksploatacji wystąpi korozja cierna. Jeśli po demontażu łożyska mają być używane ponownie, siła potrzebna do ściągnięcia łożyska nie może być przenoszona przez elementy toczne. Łożyska wysokotemperaturowe mogą być zdemontowane przy użyciu ściągaczy mechanicznych lub hydraulicznych, albo za pomocą prasy.
Obsługa łożysk wysokotemperaturowych
W większości przypadków łożyska wysokotemperaturowe nie wymagają obsługi. Jednakże łożyska wybranych konstrukcji powinny być kontrolowane po około sześciu miesiącach pracy. Wystarczy otworzyć oprawę lub zdjąć koło z łożyskami z czopa i usunąć zanieczyszczenia przy pomocy miecha.
Jak czyścić łożysko wysokotemperaturowe?
Jeśli stosuje się sprężone powietrze wtedy strumień powietrza powinien mieć małe ciśnienie a powietrze nie powinno zawierać wilgoci. Inne zabiegi kontrolne są generalnie potrzebne raz na rok lub co drugi rok w zależności od warunków pracy.
Łożysko nie obraca się łatwo, zaczęło pracować głośno, co robić?
Jednak w przypadku, gdy łożyska nie obracają się łatwo lub zaczęły głośno pracować, węzeł łożyskowy powinien zostać sprawdzony natychmiast. W takiej sytuacji łożyska należy zdemontować i po oczyszczeniu sprawdzić czy nadają się do dalszej pracy.
Kiedy dosmarowywać łożyska wysokotemperaturowe?
Jeśli na bieżniach nie ma już warstwy środka smarnego (czego dowodem jest jasno lśniący metaliczny ślad) łożyska należy dosmarować oryginalnie używanym środkiem smarnym. Smar należy dozować na bieżnie łożyska obracając pierścieniami, w celu jego równomiernego rozprowadzenia w łożysku. Należy pamiętać, że suche środki smarne nie przylegają tak dobrze do stosunkowo gładkich powierzchni bieżni już używanych łożysk.
Co zrobić, jeśli bieżnia łożyska jest uszkodzona?
Jeśli nastąpiło uszkodzenie bieżni, elementów tocznych lub koszyka, lub pojawiły się ślady zużycia bądź korozji, bezpieczniej jest wymienić łożysko. Ten sam środek smarny powinien zostać nałożony cienką warstwą na inne lśniące powierzchnie elementów węzła łożyskowego w celu ich ochrony przed korozją.
W niniejszym artykule omówiono łożyska wysokotemperaturowe, zakresy stosowalności, sposoby osiowania oraz zalecane pasowania. Przedstawiono aspekty doboru i obliczania nośności łożyska. Zaznaczono skutki eksploatacji, nadmiernego zużycia dla bezpieczeństwa pracy. Przedstawiono odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania dotyczące obsługi łożysk wysokotemperaturowych.
Bibliografia:
1. Katalog SKF: Łożyska kulkowe SKF do wysokich temperatur zmniejszają koszty pracy maszyn.
2. Szymaniec S., Eksploatacja i diagnostyka łożysk tocznych w napędach elektrycznych – część I, http://www.industrial-monitor.pl/artykuly/454-eksploatacja-i-diagnostyka-lozysk-tocznych-w-napedach-elektrycznych-czesc-i, dostęp online 6 stycznia 2021
3. Łożyska liniowe w sklepie EMBIA.PL, https://www.ebmia.pl/30-lozyska-liniowe-i-osprzet, dostęp online 6 stycznia 2021
W kolejnych artykułach opisaliśmy:
Łożyska wysokoobrotowe – właściwości, zastosowanie, jakie kupić?
