Tribotechnické listy

 

 

POUŽITIE LOŽÍSK V TRIBOLOGICKÝCH UZLOCH

Čoraz náročnejšie prevádzkové podmienky nútia konštruktérov a technológov vyvíjať nové materiály vhodné na použitie v tribologických uzloch. Najväčšia snaha sa prejavila vo výrobe ložísk, od ktorých sa vyžaduje minimálna poruchovosť a stálosť aj vo vysokoteplotných a agresívnych prostrediach.

 

Pri výrobe keramických ložísk sú v porovnaní s oceľovými ložiskami vstupné materiály lacnejšie, avšak ich samotná príprava a výroba je náročnejšia, čo sa prejavuje v ich vyššej cene. Tieto náklady sú však iba relatívne, pretože v konečnom dôsledku sa vplyvom dlhšej životnosti a menším nákladom na údržbu strojov ich prevádzka stáva ekonomickejšia.

Strojné súčiastky vystavené treniu a opotrebeniu majú spĺňať predovšetkým požiadavky plynulého chodu po stanovenú dobu životnosti. Všeobecné pravidlá výberu druhu ložiska je možné definovať len všeobecne, pretože takmer vždy je potrebné zohľadniť a navzájom zvažovať oveľa viac faktorov. Okrem zaťaženia a frekvencie otáčania je väčšinou potrebné zohľadniť aj také vplyvy ako teplotu, mazanie, vibrácie, spôsob montáže, údržbu a pod. Tak ako pre výrobcov tak aj pre spotrebiteľov je hlavným aspektom voľby správneho ložiskového uloženia jeho životnosť a správna funkcia počas celej prevádzky. Intenzitu opotrebenia klznej dvojice je možné priaznivo ovplyvniť voľbou vhodného materiálu, maziva, príp. použitím prísad zlepšujúcich vlastnosti mazív pri vysokých tlakoch a teplotách. Vyššie prevádzkové teploty sú jedným z najväčších nebezpečenstiev pre vysokorýchlostné mazivá, pretože pri nich dochádza k znižovaniu viskozity oleja, čo má za následok zníženie životnosti ložísk. Ďalší nepriaznivý vplyv vysokých teplôt nastáva pri veľkých rozdieloch teplôt vonkajších a vnútorných krúžkov ložísk. V tomto prípade vplyvom teplotnej rozťažnosti materiálov vznikajú vysoké tlaky, ktoré sú spojené so zvýšeným trením a nárastom teploty. Keramické ložiská, ktorých hodnota teplotnej rozťažnosti je až o 70% nižšia ako u oceľových, nie sú tak citlivé.

Pri vysokých rýchlostiach otáčania je vo valivých ložiskách pôsobením odstredivých síl veľmi výrazné zaťaženie. Zaťaženie vonkajšieho krúžku obežnej dráhy sa zvýši a naopak na vnútorný pôsobia menšie sily. To môže spôsobiť zmenu geometrie stykových uhlov hlavne pri ložiskách s kosouhlým stykom. Následne vplyvom rozdielnych polomerov odvaľovania vzniká nadpriemerný sklz a tým narastá aj teplota. Pre porovnanie, pri oceľových guľôčkách s ø 12,7 mm a frekvencii otáčania 1 500 ot/min bola na vonkajšom krúžku nameraná odstredivá sila 174 N. Pri použití keramických valivých teliesok rovnakých rozmerov a pri tej istej frekvencii otáčania hodnoty odstredivých síl klesli na 71 N, čo predstavuje cca 40% v porovnaní s oceľovými.

V menšej miere sa venuje pozornosť geometrickému tvaru pohybujúcich sa častí, kvalite ich opracovania, povrchovej drsnosti a tiež nečistotám, ktoré sa môžu dostať do funkčných plôch z okolitého prostredia. Skúsenosti ukazujú, že v ložiskách spôsobuje prvé poškodenie funkčných povrchov najčastejšie cudzia tvrdá častica. V posledných rokoch významne stúpol dopyt po ložiskách pre extrémne podmienky, ako je prevádzková teplota a zaťaženie. Najmä požiadavky na ložiská mazané médiami silne tlačia na vývoj nových technických riešení. Príklady pre možné riešenia sú zníženie množstva konvenčného maziva alebo jeho úplné odstránenie a tým aj nepotrebnosť nákladných tesnení.

Na opotrebenie ložísk v najväčšej miere pôsobí adhézne, únavové a vibračné opotrebenie. Najčastejším spôsobom opotrebovania súčiastok, ktorých funkčné povrchy sa dostali do vzájomného styku pri vzájomnom pohybe je adhézne opotrebenie, ktorého vznik sa vysvetľuje tým, že k styku dvoch telies nedochádza na celom povrchu, ale na veľkom počte dotykových miest.

Pri únavovom opotrebení sa na vzniku pittingov (obr.1) výrazne podieľa mazivo. Účinkom kontaktných tlakov vniká mazivo do povrchových trhlín. V dôsledku ďalšieho pohybu častí je v nich uzatvárané a jeho tlak sa účinkom kontaktného namáhania zvyšuje. To prispieva k ďalšiemu šíreniu trhliniek. Proces únavy má nevratný kumulatívny charakter, ktorý sa až na konci viditeľne prejaví vznikom makroskopickej trhliny a deštrukciou ekvivalentného objemu materiálu. K tvorbe spallingu (obr.2) dochádza najmä u povrchovo vytvrdzovaných súčiastkách. Vysoké opakujúce sa kontaktné tlaky vyvolávajú podpovrchové šmykové napätia, ktoré spôsobujú vznik podpovrchových trhlín.

 

brusilova1

Obr.1 Pitting na obežnej Obr.2 Spalling vnútorného

dráhe valivého ložiska krúžku valivého ložiska

 

Ďalším často sa vyskytujúcim druhom únavového opotrebenia je opotrebenie spôsobené pretekaním kapacitných prúdov do elektromotorov cez ich ložiskové uloženia. Spínaním výkonových prvkov meniča sa prostredníctvom tejto kapacity dostávajú prúdové impulzy cez ložiská motora do kostry a ochranného vodiča. Prerušovanými kapacitnými prúdmi dochádza k elektromechanickému namáhaniu guľôčok ložísk motora a tým k ich nerovnomernému opotrebeniu. Riešením je použitie ložiskových materiálov, ktoré nie sú elektricky vodivé, ako sú napr. keramické materiály.

Pri vibračnom opotrebení vznikajúce voľné častice, ktoré reagujú so vzdušným kyslíkom oxidujú, hromadia sa medzi stykovými plochami a poškodzujú povrch. V strojných zariadeniach vznikajú vibrácie s rôznymi frekvenciami a amplitúdami, ktoré sa prenášajú aj na ložiská. Tie silno ovplyvňujú trajektóriu valivých telies a opotrebenie ich dráh. Takéto opotrebenie ložísk je sprevádzané výraznou hlučnosťou. Aj v tomto prípade konštruktéri siahajú po nových progresívnych materiáloch, ktoré sú odolnejšie voči agresívnym prostrediam a majú nižšiu mernú hmotnosť. Takéto valivé telieska s nižšou hmotnosťou sú totiž menej náchylné na vibračné opotrebenie.

Väčšina prostredí, v ktorých sú valivé ložiská používané je stále agresívnejšia a tiež požiadavky na výšku pracovnej teploty sa neustále zvyšujú. V mnohých prípadoch konvenčné ložiská vyrobené z vysokouhlíkovej chrómovej, resp. chróm-mangánovej ocele nedokážu odolávať vysokým teplotám a opotrebeniu. Z tohto dôvodu sú na výrobu nosných súčiastok ložiska čoraz častejšie používané keramické materiály ako nitrid kremíka Si3N4, oxid zirkoničitý ZrO2 a oxid hlinitý Al2O3.

 

Obr.4 Celokeramické

ložisko z Si3N4

brus2

Obr.3 Hybridné ložisko Obr.5 Celokeramické

/oceľové krúžky, ložisko z ZrO2

valivé telieska z Si3N4/

 

 

Ich prednosťami sú vysoká odolnosť voči korózii, vysoká žiaruvzdornosť, nízka náročnosť na mazanie, nízka teplotná rozťažnosť, nízka hodnota valivého trenia, nižšie opotrebenie v porovnaní s oceľovými ložiskami a tiež ich dlhšia životnosť (obr.6).

 

brus3

Obr.6 Porovnanie životnosti konvenčných a keramických ložísk

 

Pri ich prevádzke bola zistená nízka hodnota prehrievania čo je dôležitý faktor pri mazaní a použití pri vysokých otáčkach. Ďalšími výhodami sú možnosti použitia aj vo veľmi agresívnych prostrediach pri vysokých pracovných teplotách, v magnetickom poli a vo vákuu.

Príspevok bol vypracovaný za podpory Grantovej agentúry VEGA 1/4094/07.

 

Ing.Alena Brusilová, PhD.

Doc.Pavol Švec, PhD.

 

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
7 + 3 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd