Boundary-Lubricated & Self-Lubricating Bearings Guide

Gdy konwencjonalne smarowanie olejem lub smarem jest niepraktyczne — ze względu na ryzyko zanieczyszczenia, niedostępne lokalizacje, ekstremalne temperatury lub wymagania konstrukcyjne niewymagające konserwacji — łożyska smarowane granicznie i łożyska samosmarujące to rozwiązanie konstrukcyjne, które całkowicie eliminuje układ smarowania, zachowując akceptowalne tarcie i zużycie . Łożyska tego typu działają tam, gdzie nie można utrzymać pełnego filmu hydrodynamicznego, opierając się zamiast tego na stałych filmach smarnych, wbudowanych zbiornikach smaru lub materiałach matrycowych o niskim tarciu w celu ochrony powierzchni stykowych. Wybór prawidłowego typu i materiału dla określonego obciążenia, prędkości, temperatury i środowiska decyduje o tym, czy łożysko osiągnie przewidywaną trwałość, czy też ulegnie przedwczesnej awarii.

Co oznacza smarowanie graniczne i dlaczego jest to ważne

Reżimy smarowania są podzielone według krzywej Stribecka na trzy strefy: hydrodynamiczną (pełny film), mieszaną i graniczną. w reżim smarowania granicznego film smarny jest zbyt cienki, aby całkowicie oddzielić powierzchnie łożyska — grubość filmu jest zwykle mniejsza niż łączna chropowatość powierzchni dwóch powierzchni stykowych, co oznacza, że styk pomiędzy nierównościami występuje bezpośrednio pomiędzy wałem a łożyskiem. W tych warunkach tarcie i zużycie nie zależą od lepkości płynu, ale od właściwości fizycznych i chemicznych cienkiej warstwy smaru molekularnego przylegającej do powierzchni metalowych.

Graniczne warunki smarowania powstają przy niskie prędkości poślizgu, wysokie naciski kontaktowe, podczas cykli start-stop i w momencie rozruchu zanim utworzy się film hydrodynamiczny. Nawet łożyska zaprojektowane do pracy w trybie pełnowarstwowym spędzają część każdego cyklu roboczego w reżimie granicznym. W zastosowaniach, w których pracuje się ciągle z małą prędkością i pod dużym obciążeniem — połączenia, sworznie, sworznie sprzętu budowlanego, przeguby maszyn rolniczych — łożysko może nigdy nie wymknąć się spod warunków granicznych podczas normalnej pracy, co sprawia, że ​​smarowanie graniczne materiału jest czynnikiem decydującym o jego żywotności.

Krzywa Stribecka: gdzie występuje smarowanie graniczne

Jak działają łożyska samosmarujące

Łożyska samosmarujące zapewniają bezobsługową pracę poprzez wprowadzenie stałych środków smarnych bezpośrednio do konstrukcji łożyska — albo jako osadzone zbiorniki, które stopniowo uwalniają smar pod wpływem nacisku kontaktowego i ciepła, jako materiał matrycowy o niskim tarciu, który tworzy warstwę przenoszącą na współpracującej powierzchni wału, lub jako powłoka powierzchniowa ze stałego smaru nałożona na metaliczne podłoże. Rezultatem jest łożysko, które w sposób ciągły uzupełnia własne zapasy środka smarnego od wewnątrz, bez zewnętrznego układu smaru lub oleju.

Najbardziej krytycznym mechanizmem w działaniu łożyska samosmarującego jest tworzenie filmu transferowego . Podczas pracy łożyska stałe cząstki smaru — zazwyczaj PTFE, grafit lub dwusiarczek molibdenu (MoS₂) — przenoszą się z powierzchni łożyska na wał. Zwykle jest to cienka folia transferowa Grubość 0,01–0,1 µm , zmniejsza efektywny współczynnik tarcia na styku z 0,15–0,30 (kontakt graniczny metal-metal) do 0,04–0,15 , radykalnie wydłużając żywotność podzespołów i obniżając temperaturę pracy.

Trzy mechanizmy samosmarowania

• Wbudowane korki lub kieszenie ze stałym smarem: Obrobione maszynowo wgłębienia w matrycy łożyskowej z brązu lub żelaza są wypełnione wypraskami w postaci stałego smaru — grafitem, PTFE lub MoS₂. Pod obciążeniem i ruchem względnym stały smar wypływa z kieszeni i rozprzestrzenia się po powierzchni styku. Tego typu łożyska z brązu z dodatkiem grafitu są szeroko stosowane w łożyskach walcowych walcowni, kompensatorach mostów i czopach ciężkiego sprzętu budowlanego, gdzie temperatury pracy wynoszą do 300°C sprawiają, że konwencjonalny smar jest niepraktyczny.
• Impregnowane łożyska z porowatego metalu: Spiekany brąz lub proszek żelaza jest prasowany i spiekany w celu utworzenia porowatej matrycy Zgodnie z projektem objętość pustych przestrzeni wynosi 15–30%. . Ta pusta objętość jest następnie impregnowana próżniowo olejem. Podczas pracy rozszerzalność cieplna i działanie kapilarne powodują zasysanie oleju na powierzchnię łożyska; gdy jest nieruchomy i chłodny, olej jest ponownie wchłaniany do matrycy. Te impregnowane olejem łożyska spiekane (powszechnie nazywane łożyskami olejowymi) działają w sposób ciągły bez konieczności ponownego smarowania przez cały okres użytkowania w zastosowaniach od lekkich do średnich obciążeń.
• Łożyska z matrycą polimerową: Łożyska z PTFE, PEEK, nylonu, acetalu lub polimeru kompozytowego zawierają stałe smary równomiernie rozmieszczone w matrycy polimerowej. W miarę mikroskopijnego zużycia powierzchni łożyska podczas pracy, stale odsłonięty jest materiał zawierający świeży środek smarny. Wykładziny kompozytowe na bazie PTFE — takie jak kompozyty PTFE/włókno szklane/MoS₂ — osiągają współczynniki tarcia tak niskie, jak 0,04–0,08 przy poślizgu na sucho , rywalizujące z metalowymi łożyskami smarowanymi olejem w wielu warunkach.

Stałe materiały smarne: porównanie właściwości i wydajności

Wybór stałego smaru determinuje współczynnik tarcia łożyska, zakres temperatur pracy, nośność i kompatybilność ze środowiskiem pracy. Każdy z czterech głównych stałych środków smarnych stosowanych w łożyskach smarowanych granicznie i samosmarujących ma różne mocne strony i ograniczenia.

Ważna zależność środowiskowa wpływa na wybór grafitu i MoS₂: grafit wymaga zaadsorbowanej pary wodnej lub cząsteczek gazu, aby osiągnąć niskie tarcie i słabo radzi sobie w suchych środowiskach próżniowych, podczas gdy MoS₂ działa najlepiej w warunkach suchych lub próżniowych i ulega szybszej degradacji w środowiskach o wysokiej wilgotności z powodu utleniania warstw siarczków. To rozróżnienie ma kluczowe znaczenie w lotnictwie i zastosowaniach kosmicznych — MoS₂ jest standardowym wyborem w mechanizmach satelitarnych i sprzęcie działającym próżniowo, gdzie grafit wykazywałby duże tarcie.

Główne typy łożysk samosmarujących i ich konstrukcje

Łożyska samosmarujące produkowane są w kilku różnych konfiguracjach konstrukcyjnych, z których każda jest zoptymalizowana pod kątem różnych poziomów obciążenia, zakresów prędkości, wymagań temperaturowych i środowisk zastosowań. Zrozumienie tych struktur wyjaśnia, która kategoria produktu jest odpowiednia dla danego obowiązku.

Łożyska samosmarujące bimetaliczne

Łożyska samosmarujące bimetaliczne łączą stalową podstawę zapewniającą wytrzymałość konstrukcyjną z wewnętrzną warstwą ze stopu brązu, w której osadzone są w regularny sposób korki ze stałego smaru (grafit lub MoS₂). Stalowy podkład wytrzymuje wcisk obudowy i obciążenie strukturalne; matryca z brązu zapewnia twardość i przewodność cieplną; i pokrywę korków ze środkiem smarnym 25–35% powierzchni styku zapewniając ciągłe smarowanie otworu łożyska. Łożyska te przenoszą obciążenia statyczne do 250 MPa i działają nieprzerwanie w temperaturach od -40°C do 300°C, co czyni je standardem w maszynach budowlanych, sprzęcie rolniczym i ogólnych zastosowaniach obrotowych w przemyśle.

Łożyska z wykładziną kompozytową PTFE

W łożyskach tych stosuje się zazwyczaj podkład ze stali lub brązu z cienką wykładziną z kompozytu PTFE Grubość 0,25–0,35 mm — połączone z powierzchnią otworu. Wyściółka składa się z PTFE zmieszanego ze wzmacniającymi wypełniaczami, takimi jak włókno szklane, włókno węglowe, proszek brązu lub MoS₂, aby poprawić nośność i zmniejszyć naturalną tendencję do pełzania czystego PTFE. Powstałe łożysko osiąga współczynniki tarcia wynoszące 0,04–0,12 przy pracy na sucho i jest szeroko stosowany w elementach podwozi samochodowych (tuleje wahaczy, tuleje łączników stabilizatora), łożyskach powierzchni sterowych samolotów i precyzyjnych sworzniach przyrządów, gdzie zanieczyszczenia lub ograniczenia masy uniemożliwiają konwencjonalne smarowanie.

Łożyska ze spieków metalowych impregnowanych olejem

Wytwarzane metodą metalurgii proszków z brązu (zwykle 90% miedzi, 10% cyny) lub sproszkowanego żelaza, łożyska spiekane są prasowane do kontrolowanej gęstości, spiekane w temperaturze, a następnie impregnowane próżniowo olejem w temperaturze Udział objętościowy 15–30%. . Są to najbardziej opłacalny typ łożysk samosmarujących do zastosowań od lekkich do średnich, szeroko stosowany w silnikach elektrycznych, wentylatorach, małych urządzeniach, sprzęcie biurowym i sprzęcie gospodarstwa domowego. Dobrze dobrane łożysko olejowe działające w granicach PV (ciśnienia i prędkości) zapewni bezobsługową pracę przez cały okres użytkowania produktu w zastosowaniach pracujących w sposób ciągły przy prędkościach od 50 do 3000 obr./min.

Zaprojektowane łożyska polimerowe

Łożyska polimerowe obrabiane maszynowo lub formowane wtryskowo z wypełnionego PTFE, PEEK, UHMWPE, acetalu lub nylonu zapewniają samosmarowanie dzięki nieodłącznym właściwościom matrycy polimerowej o niskim tarciu. Łożyska PEEK spełniają najbardziej rygorystyczne wymagania dotyczące odporności na temperaturę i chemikalia – przy pracy ciągłej 250°C i są odporne na praktycznie wszystkie chemikalia przemysłowe, co czyni je standardem w przetwórstwie chemicznym, sprzęcie spożywczym i farmaceutycznym, gdzie należy unikać zanieczyszczenia metalami i zabronione jest smarowanie.

Limit PV: krytyczny parametr projektowy dla łożysk smarowanych granicznie

Wartość graniczna PV — iloczyn nacisku kontaktowego (P w MPa) i prędkości poślizgu (V w m/s) — jest podstawowym parametrem konstrukcyjnym wszystkich łożysk smarowanych granicznie i samosmarujących. Określa maksymalny łączny stan obciążenia i prędkości, jaki łożysko może wytrzymać bez wytwarzania ciepła tarcia przekraczającego granice termiczne materiału i powodującego przyspieszone zużycie, zmiękczenie lub katastrofalną awarię. Ciągła praca na poziomie limitu PV lub w jego pobliżu znacznie skróci żywotność; ciągła praca powyżej limitu PV spowoduje szybką awarię.

Limit PV nie jest po prostu addytywny — akceptowalne może być wysokie ciśnienie przy małej prędkości, podczas gdy ta sama wartość PV osiągnięta przy umiarkowanym ciśnieniu i umiarkowanej prędkości może generować więcej ciepła z powodu zmniejszonego chłodzenia przez kontakt z wałem. Producenci publikują krzywe graniczne PV pokazujące akceptowalną obwiednię roboczą ciśnienia i prędkości i należy się z nimi zapoznać, a nie stosować samej szczytowej wartości PV jako kryterium projektowego.

Typowe limity PV według materiału łożyska

Branże i zastosowania, w których łożyska samosmarujące są niezbędne

Łożyska samosmarujące w warunkach smarowania granicznego nie są rozwiązaniem niszowym — służą jako podstawowy typ łożyska w wielu gałęziach przemysłu, gdzie środowisko pracy, wymagania konserwacyjne lub geometria zastosowania sprawiają, że konwencjonalne łożyska smarowane są niepraktyczne lub niedopuszczalne.

Sprzęt budowlany i rolniczy

Sworznie wysięgnika i łyżki koparki, przeguby ramion ładowarki, przeguby narzędzi rolniczych i złącza pierścienia obrotowego dźwigu działają pod dużym obciążeniem statycznym, ruchem oscylacyjnym i dużym zanieczyszczeniem. Nasmarowane tuleje z brązu w tych miejscach wymagają krótkich okresów dosmarowywania 8–50 godzin pracy — niepraktyczne w warunkach polowych. Łożyska samosmarujące z grafitem bimetalicznym w tych miejscach wydłużają okresy międzyobsługowe do 1000–5000 godzin , zmniejszając zużycie smarów, koszty pracy i zanieczyszczenie otaczającej gleby i dróg wodnych.

Żywność, napoje i przetwórstwo farmaceutyczne

Wymogi prawne w strefach kontaktu z żywnością zabraniają stosowania smarów na bazie ropy naftowej, które mogłyby zanieczyścić produkt. Łożyska z kompozytu PTFE i polimeru PEEK w systemach przenośników, maszynach napełniających, sprzęcie pakującym i zbiornikach mieszających zapewniają bezobsługową pracę bez smaru, który mógłby dostać się do strumienia produktu. Materiały łożyskowe PTFE i UHMWPE zgodne z FDA są standardowymi specyfikacjami w tych branżach, m.in zerowe ryzyko migracji smaru oraz pełna kompatybilność z cyklami czyszczenia parowego i odkażania chemicznego.

Lotnictwa i Obrony

Łożyska powierzchni sterowych samolotu, łożyska głowicy wirnika helikoptera i czopy statecznika rakietowego działają pod obciążeniami oscylacyjnymi w zmiennych temperaturach od -65°C do 200°C bez możliwości ponownego smarowania w trakcie eksploatacji. Łożyska sferyczne z kompozytu PTFE wypełnione MoS₂ są standardowym rozwiązaniem zapewniającym żywotność przekraczająca 20 000 godzin lotu w zastosowaniach z powierzchnią sterującą. W mechanizmach satelitów i statków kosmicznych zastosowano łożyska pokryte MoS₂, szczególnie dlatego, że środowisko próżniowe eliminuje mechanizm smarowania grafitu za pomocą zaadsorbowanej wilgoci, czyniąc MoS₂ jedynym realnym stałym środkiem smarnym w kosmosie.

Podwozie samochodowe i układ napędowy

Tuleje wahaczy wahaczy, tuleje przekładni kierowniczej, łączniki drążków stabilizatora i łożyska obrotowe sprzęgła w nowoczesnych pojazdach to prawie powszechnie stosowane łożyska samosmarujące pokryte PTFE, uszczelnione na cały okres eksploatacji. Zastępując smarowane tuleje z brązu stosowane we wcześniejszych generacjach pojazdów, te bezobsługowe łożyska zostały zaprojektowane tak, aby wytrzymać pełny okres eksploatacji pojazdu wynoszący 250 000–300 000 km bez ponownego smarowania, eliminując element serwisowy, który wielu właścicieli pojazdów zaniedbałoby, i zmniejszając liczbę roszczeń gwarancyjnych związanych ze zużyciem elementów zawieszenia.

Materiał wału i wykończenie powierzchni: często pomijany czynnik

Działanie każdego łożyska smarowanego granicznie lub samosmarującego jest silnie zależne od współpracującej powierzchni wału – czynnik ten jest często niedookreślony. Materiał łożyska i wał tworzą układ trybologiczny; Optymalizacja samego łożyska i ignorowanie wału może skrócić jego żywotność 50% lub więcej w porównaniu z prawidłowo określoną powierzchnią wału.

• Chropowatość powierzchni: W przypadku łożysk kompozytowych PTFE optymalna wartość Ra wału wynosi 0,2–0,8 µm . Zbyt szorstka (Ra > 1,6 µm) powoduje szybkie ścieranie cienkiej wykładziny PTFE; zbyt gładka (Ra <0,1 µm) zapobiega przyleganiu folii transferowej, powodując wysokie tarcie początkowe i opóźnione tworzenie się folii.
• Twardość wału: Minimalna twardość wału wynosząca 30 HRC jest zalecany do wałów stalowych współpracujących z metalowymi łożyskami samosmarującymi. Bardziej miękkie wały zużywają się preferencyjnie, co stwarza problem związany z wymianą wału, który jest droższy niż samo łożysko. W przypadku łożysk polimerowych akceptowalna jest niższa twardość wału ze względu na niską ścieralność łożyska.
• Kompatybilność materiału wału: Wały ze stali nierdzewnej współpracujące z niektórymi łożyskami polimerowymi mogą powodować zacieranie się w środowiskach korozyjnych — w zastosowaniach związanych z obróbką chemiczną preferowane są wały z twardego chromu lub z powłoką ceramiczną. Do zastosowań w przemyśle spożywczym standardem są wały elektropolerowane ze stali nierdzewnej 316L, zapewniające zarówno odporność na korozję, jak i odpowiednie wykończenie powierzchni dla łożysk z PTFE.
• Geometria wału: Tolerancje prostoliniowości i okrągłości wału powinny mieścić się w granicach IT6 lub lepszy do precyzyjnych łożysk samosmarujących. Nieokrągłe lub wygięte wały tworzą lokalne strefy kontaktu pod wysokim ciśnieniem, które przekraczają lokalne limity PV, powodując przyspieszone zużycie w dyskretnych miejscach, nawet jeśli średnie obliczenia PV wydają się akceptowalne.

Wybór odpowiedniego łożyska samosmarującego: praktyczne ramy podejmowania decyzji

Biorąc pod uwagę szeroką gamę dostępnych typów łożysk samosmarujących, zorganizowany proces selekcji zapobiega kosztownym błędnym specyfikacjom. Aby wybrać właściwy typ, materiał i klasę łożyska dla danego zastosowania, należy ocenić poniższe kryteria.

1. Zdefiniuj typ ruchu: Ciągły obrót, oscylacje/kołysanie lub czyste obciążenie statyczne z okazjonalnymi ruchami. Łożyska spiekane impregnowane olejem najlepiej nadają się do ciągłego obrotu; Łożyska z bimetalu i kompozytu PTFE lepiej radzą sobie z ruchem oscylacyjnym i obciążeniem statycznym dzięki dostarczaniu stałego smaru niezależnego od pompowania hydrodynamicznego.
2. Oblicz niezależnie P i V, a następnie sprawdź PV: Określ obciążenie łożyska (w przeliczeniu na nacisk kontaktowy w MPa na podstawie rzutowanej powierzchni łożyska) i prędkość poślizgu (w m/s). Zweryfikuj obie wartości indywidualnie w stosunku do maksymalnych P i V materiału, a następnie sprawdź PV produktu pod kątem krzywej granicznej PV materiału – a nie tylko głównej liczby PV.
3. Potwierdź zakres temperatur roboczych: Jeżeli temperatura robocza przekracza 120°C, nie uwzględnia się łożysk spiekanych impregnowanych olejem. Powyżej 260°C łożyska na bazie PTFE są wykluczone. Powyżej 300°C jedynymi realnymi opcjami są łożyska metalowe z dodatkiem grafitu lub kompozyty h-BN.
4. Ocena ograniczeń środowiskowych: Kontakt z żywnością, zanurzenie w substancjach chemicznych, działanie w próżni lub wymagania dotyczące izolacji elektrycznej znacznie zawężają opcje materiałowe i należy je rozstrzygnąć przed obliczeniami obciążenia i prędkości, aby uniknąć niepotrzebnej analizy wykluczonych materiałów.
5. Określ pasowanie obudowy i wału: Potwierdzić tolerancję obudowy łożyska (zwykle pasowanie z wciskiem H7 w przypadku łożysk wciskanych) i tolerancję wału (zwykle pasowanie z luzem f7 lub g6). Nieprawidłowe pasowanie powoduje obracanie się łożyska w oprawie lub nadmierny luz roboczy, co powoduje przedwczesną awarię niezależnie od tego, jak dobrze określony jest materiał łożyska.