DOBÓR ŁOŻYSKA

Łożyska są często ignorowane, lecz wszystko kręci się wokół nich...
... i my nigdy o tym nie zapominamy.

Każdy rodzaj łożyska ma określone i charakterystyczne właściwości uwarunkowane konstrukcją. Jest tym samym mniej lub bardziej przydatne do określonego zastosowania. Dobór odpowiedniego łożyska jest czynnością złożoną, w wielu przypadkach przy wyborze rodzaju łożyska trzeba uwzględnić wiele wzajemnie przeciwstawnych czynników.

Łożyskowanie obejmuje nie tylko łożyska, lecz również przylegające elementy konstrukcyjne jak wał czy oprawa. Dobór łożyskowania nie ogranicza się na ogół do przyjęcia odpowiedniego rodzaju łożyska i jego wielkości, lecz wymaga jednoczesnego doboru rodzaju i ilości smaru, ustalenia pasowań zabudowy i luzu wewnętrznego łożyska, odpowiedniego ukształtowania elementów łożyskowania, doboru uszczelnień itp.

Prawidłowy dobór łożyska tocznego wymaga analizy warunków jego pracy oraz wymagań z nich wynikających. Proces doboru łożyska powinien obejmować określenie następujących czynników:

1. Warunki pracy łożyska oraz wpływu i charakteru otoczenia w węźle łożyskowym,
2. Typ zastosowanych łożysk i ich konfiguracja
3. Wymagana wielkość łożyska
4. Tolerancja wymiarów czopów i wałów
5. Rodzaj zabudowy łożyska
6. Rodzaj uszczelnienia oraz wymagane smarowanie.
 

Etap 1 – Ocena warunków pracy łożyska oraz wpływu i charakteru otoczenia.

Aby prawidłowo dobrać łożysko niezbędna jest analiza następujących danych :
- konstrukcja elementów maszyn, w których osadzone będzie łożysko,
- miejsce usytuowania łożyska,
- obciążenie łożyska - wielkości obciążeń oraz kierunki,
- prędkość obrotowa łożyska,
- występowanie wibracji i chwilowych przeciążeń,
- temperatura łożyskowania oraz wzrost temperatury w wyniku siły tarcia,
- wpływ otoczenia: zanieczyszczenie, stopień narażenia na korozję itp.
- przewidywany czas pracy łożyska.
 

Etap 2 - Typ zastosowanych łożysk i ich konfiguracja

Na podstawie danych dotyczących warunków działania węzła łożyskowego można dobrać odpowiednią konfigurację łożysk, tak aby ich konstrukcja spełniała wymagania pracy. Etap ten obejmuje:

1. Określenie typu łożysk na podstawie kierunku i wartości obciążeń oraz prędkości obrotowej

2. Określenie konfiguracji łożysk
Łożyskowanie powinno zapewniać, oprócz przenoszenia zadanych obciążeń, ustalenie wzdłużne wałów i łożysk, a także uzyskanie wymaganego luzu łożyskowego w czasie pracy. Zazwyczaj stosuje się układ łożysk, w którym jedno łożysko ustala wał wzdłużnie oraz zapewnia stałe położenie czopa wału względem korpusu. Drugie łożysko ma możliwość osiowego przemieszczania się względem korpusu.

3. Określenie wielkości łożyska w oparciu o dostępne wymiary średnicowe i szerokościowe.
Główne wymiary łożysk tocznych to średnica wewnętrzna, średnica zewnętrzna, szerokość łożyska.

Łożyska o jednakowej średnicy wewnętrznej (pod wał) mogą mieć różne średnice zewnętrzne (pod oprawę) i różną szerokość. Różnice w wymiarach są związane z gabarytami elementów tocznych. Jest zależność pomiędzy wymiarem łożyska i jego żywotnością – im większe są wymiary elementów tocznych w łożysku tym większa jego wytrzymałość. Wymiary średnicy wewnętrznej łożyska (pod wał) określa serię łożysk o tej samej średnicy wewnętrznej, różnych średnicach zewnętrznych. Na tej podstawie możemy wyróżnić następujące serie wymiarowe łożysk:
- wyjątkowo lekkie, serie „8” i „9”,
- bardzo lekkie, serie „0”,
- lekkie, seria „2”,
- średnie, serie „3”,
- ciężkie, serie „4”.

Istnieje również typologia łożysk oparta na wymiarach szerokości łożysk, stosowane są następujące oznaczenia:
- oznaczane cyframi 7, 8 i 9 ¬– łożyska bardzo wąskie,
- oznaczane cyfrą „0” – łożyska wąskie,
- oznaczane cyfrą „1”- łożyska o średniej szerokości,
- oznaczane cyfrą „2” ¬– łożyska szerokie,
- oznaczane cyframi 3, 4, 5 i 6 ¬– łożyska bardzo szerokie.

Etap 3 - Wymagana wielkość łożyska

Aby w sposób prawidłowy dobrać wielkość łożyska należy ustalić jego wymaganą nośność. Pod uwagę należy wziąć następujące wielkości: - nośność ruchową C, tj. wartość obciążenia, jakie dane łożysko może przenieść w czasie pracy,
- nośność spoczynkową C0, czyli dopuszczalne obciążenie łożysk nieobracających się lub obracających bardzo wolno (do 10 obr/min),
- maksymalną prędkość obrotową.
Wartość nośności ruchowej jest podana dla umownej trwałości obliczeniowej wynoszącej 1 milion obrotów, Trwałość taka oznacza, że po wykonaniu 1 miliona obrotów pod obciążeniem równym nośności ruchowej C mogą wystąpić pierwsze oznaki zniszczenia łożyska. W praktyce wymagana jest znacznie większa trwałość. Zależy ona od warunków pracy łożyska (prędkości obrotowej, temperatury nagrzania łożyska) oraz od warunków eksploatacji urządzeń i maszyn (łożysko powinno być tak dobrane, by starczyło na cały okres eksploatacji mechanizmu, a gdy jest to niemożliwe, przynajmniej na okres do pierwszej naprawy głównej. Podstawowym zadaniem przy obliczaniu trwałości łożysk tocznych i nośności jest dobór łożyska spełniającego rzeczywiste warunki pracy i eksploatacji.

Etap 4 - Tolerancja wymiarów czopów i wałów

Łożyska mogą być wykonane w różnych klasach dokładności, spotykane są następujące klasy:

P0 – klasa normalna – brak oznaczenia w nazwie łożyska,
P6 – klasa 6, dokładna,
P5 – klasa 5, bardzo dokładna,
P4 – klasa 4, precyzyjna,
P2 – klasa 2, bardzo precyzyjna.

Podczas doboru pasowań łożysk tocznych należy pamiętać o następujących zależnościach:
1. Pasowanie łożysk na wale i w oprawie decyduje o ich prawidłowej pracy, powinno zapewniać łatwy montaż i demontaż, a także zabezpieczać przed obracaniem się pierścieni względem wału i oprawy.
2. Pierścienie łożysk tocznych wykonujące podczas pracy ruch obrotowy wymagają ciasnego pasowania,
3. Łożyska działające pod dużym obciążeniem statycznym lub dynamicznym wymagają ciaśniejszego osadzenia od łożysk lekko obciążonych.
4. Największą trwałość łożyska osiąga się gdy w czasie pracy pod obciążeniem po nieobciążonej stronie łożyska pomiędzy elementami tocznymi a bieżnią istnieje minimalny możliwy luz, inaczej mówiąć wcisk powinien być na tyle duży, że nawet pod największym dopuszczalnym obciążeniem strona nieobciążona łożyska nie będzie luzowana. Jednocześnie należy pamiętać, że wcisk w tym miejscu powoduje niekorzystny rozkład obciążenia na poszczególne elementy toczne łożyska.

O wyborze pasowań decyduje przede wszystkim ruch względny pierścieni łożyska tocznego i sposób ich obciążenia. Z tego powodu wyróżnia się trzy główne opcje aplikacji:
- ruchomy wałek i nieruchoma oprawa,
- ruchoma oprawa i nieruchomy wałek,
- ruchomy wałek i ruchoma oprawa.

Etap 5 - Rodzaj zabudowy łożyska

Prawidłowe łożyskowanie wału w oprawie wymaga poprawnego doboru elementów zabudowy łożyska, zapewniają one prawidłowe przenoszenie obciążeń, smarowanie oraz montaż i demontaż łożyska.

Dla uproszczenia doboru elementów zabudowy łożysk tocznych, dla każdego łożyska w katalogach podaje się zazwyczaj obok tabel wymiarowych łożysk również tabele wymiarów elementów zabudowy. Stosowanie się do podanych wymiarów podczas konstruowania węzłów łożyskowych zapewnia wytrzymałość układu i nie wymaga prowadzenia obliczeń wytrzymałościowych.

Prawidłowe dobranie elementów zabudowy łożyska tocznego wymaga także uwzględnienia konstrukcji łożyskowania oraz sposobu smarowania.

Etap 6 - Rodzaj uszczelnienia oraz smarowanie łożysk.
Smarowanie łożysk tocznych zapewnia zmniejszenie zużycia, ochronę przed korozją i zanieczyszczeniami. Dobór odpowiedniego smarowania łożysk powinien uwzględniać konstrukcję łożysk ale również konstrukcję i sposób smarowania całego urządzenia w którym są te łożyska zainstalowane. Generalnie stosowane są dwa rodzaje czynników smarujących: smar stały lub olej.

Smary stałe stosowane są w przypadkach, gdy konstrukcja urządzenia nie zapewnia smarowania łożysk, łożyska pracują z niewielkimi prędkościami, nie rozgrzewają się nadmiernie podczas pracy lub gdy konstrukcja węzła łożyskowego jest zamknięta.

Smarowanie smarami stałymi wymaga zazwyczaj wypełnienia oprawy z łożyskiem w ilości 30% do 60% całkowitej objętości. W przypadku łożysk silnie obciążonych i pracujących z dużymi prędkościami obrotowymi wymagane jest stosowanie smarowania olejem. Spotykane są następujące sposoby aplikacji oleju:
- kąpiel olejowa – najczęściej spotykany sposób smarowania polegające na zanurzeniu łożyska do wysokości osi dolnego elementu tocznego (w przypadku wałów poziomych) lub zanurzeniu w 50% do 80% (w przypadku wałów pionowych).

- dysk olejowy – gdy poziom oleju jest za niski na wale umieszczany jest dysk o dostosowanej do łożyska średnicy, olej z dysku dostaje się do łożyska poprzez zgarniacz lub w przypadku małych prędkości obrotowych spływa bezpośrednio do łożyska,

- smarowanie natryskowe - olej dostarczany jest pod ciśnieniem bezpośrednio na elementy toczne łożyska. Jest to rozwiązanie stosowane przy dużych prędkościach obrotowych i wysokich temperaturach, np. w silnikach turbinowych i odrzutowych,

- smarowanie mgłą olejową – olej rozpylany jest w postaci mgły na wszystkie elementy łożyska. jest to rozwiązanie stosowane w przypadku dużych prędkości obrotowych, ze względu na niewielkie opory spowodowane przepływami oleju,

- smarowanie kropelkowe – olej dostarczany jest bezpośrednio na elementy toczne łożyska w postaci kilku kropel na minutę. Rozwiązanie takie jest stosowane przy niewielkich obciążeniach i w przypadku łożysk przystosowanych konstrukcyjnie do takiego smarowania, np. łozyska baryłkowe posiadające otwory na powierzchni promieniowej pierścienia zewnętrznego.

- smarowanie olejowo-powietrzne – poziom oleju jest stale nadzorowany, niski poziom powoduje jego automatyczne uzupełnienie przy pomocy pneumatycznego układu wtryskowego. Rozwiązanie to jest stosowane w układach zautomatyzowanych o wysokim stopniu pewności działania, gdzie poziom oleju jest stale rejestrowany.

- smarowanie obiegowe – olej jest przepompowywany przez układ łozyskowy za pomocą instalacji olejowej (pompy, filtry, chłodnice oleju). Rozwiązanie stosowane w przypadku centralnego układu smarowania elementów urządzenia.

W zależności od sposobu smarowania i użytego medium smarującego łożyska powinny uszczelnione. Odpowiednie uszczelnienie zapobiega wyciekowi oleju lub smaru na zewnątrz urządzenia lub do jego innych elementów.